碳纳米管增强介孔羟基磷灰石纳米复合材料的制备与性能研究

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羟基磷灰石(HA)具有与人骨类似的晶体结构和化学成分、良好的生物相容性、生物活性和骨传导性,因此,被认为是理想的骨组织替换材料。但是,纯HA力学性能差,较低的强度和韧性限制了其在承重骨替代方面的应用。碳纳米管(CNTs)具有优异的力学、电学和热学性能,并被认为是理想的复合材料增强相之一,借助CNTs的增强、增韧效果制备CNTs/HA复合材料的研究已被开展。然而,目前所制备的CNTs/HA复合材料仍存在不足之处,例如,CNT-HA界面结合弱,复合材料力学性能低;CNTs裸露引发毒性问题;材料比表面积和润湿性低,不利于细胞黏附、增殖和诱导成骨矿化。因此,进一步探究CNTs/HA复合材料的制备工艺与性能具有重要意义。本文提出了CNTs增强介孔HA复合材料的研究思路,以化学气相沉积法原位合成的CNTs/HA复合粉末为原材料、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂,采用化学均匀沉淀法制备了介孔HA包覆CNTs复合粉末(CNT@meso-HA),探究了合成工艺条件对CNT@meso-HA合成效果的影响,分析了介孔HA的形成机理,探讨了通过粉末冶金法制备的CNTs/HA复合材料的组织结构、力学及生物学性能。在制备CNT@meso-HA的研究中,首先采用过氧化氢/磷酸结合超声工艺对CNTs/HA原位复合粉末进行表面化学修饰,成功在CNTs表面枝接了羟基、羧基等官能团;而后,采用化学均匀沉淀法制备了CNT@meso-HA,最佳工艺条件为:35℃陈化72h,复合粉末比表面积为131.7m2/g;提高陈化温度和延长陈化时间,介孔HA沉积层厚度逐渐增加,实现了介孔HA对CNTs的紧密包覆。对CNT@meso-HA的体外细胞毒性测试表明:CNTs/HA原位复合粉末有细胞毒性,CNT@meso-HA无细胞毒性。对CNTs增强介孔HA复合材料的性能测试表明:CNTs含量为3wt.%时,复合材料具有最高的抗弯强度(79MPa)和断裂韧性(2.37MPa·m1/2),较纯HA分别提高了52%和216%,主要强化机制为CNTs的拔出和桥连;同对比样品相比,细胞在CNTs增强介孔HA复合材料表面生长形态最佳,该材料有利于细胞的攀附增殖,具有更优异的成骨矿化性能。
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