HA/BaTiO3压电仿生骨植入材料的制备及性能研究

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羟基磷灰石(HA)与人体骨的主要无机成分类似,具有良好的生物相容性,在骨植入材料领域中被广泛应用。同时,研究发现骨组织实际上是一种具有压电性能的复合材料,其压电特性在骨的塑形和重建过程中发挥着重要作用。如果将压电效应引入HA基骨植入材料,则可以赋予骨植入材料与天然骨相类似的生物电活性,对于获得成分、结构、功能和性能更为仿生的骨植入材料具有重要的价值。本文将具有压电效应的BaTiO3引入HA中,采用注浆成型工艺制备不同成分的HA/BaTiO3复合材料,通过极化获得压电特性,并设计了一种可以模拟人骨所处的动态环境的压电材料体外生物培养装置,通过类骨磷灰石沉积和成骨细胞培养实验研究压电相含量对其生物性能的影响。同时,结合多步冷冻干燥新方法构建了具有内疏外密仿生结构的HA/BaTiO3复合压电骨植入材料,表征了其微观形貌和成分,并测试了其力学和生物性能。取得了以下主要成果:(1)通过注浆成型工艺制备出HA/BaTiO3复合材料,经1250℃烧结2h后其抗压强度为16.228.4MPa,在温度为130℃、电场强度为1.2kv/mm的环境下极化30min,复合材料的压电常数d33随着BaTiO3含量的降低而减小;(2)生物实验结果表明:在静态不加载条件下,BaTiO3含量的变化对HA/BaTiO3复合材料生物活性及骨诱导活性的影响不大,但均低于纯HA;而在动态循环加载条件下,BaTiO3含量为80100wt%的HA/BaTiO3复合材料的生物活性和骨诱导活性均高于纯HA,其中的10wt%HA/90wt%BaTiO3复合材料的生物活性和骨诱导活性最好;(3)结合多步冷冻干燥法制备出结构仿生HA/BaTiO3多孔骨植入材料,该材料具有内疏外密结构,内外层结合良好,且孔道间具有较高连通性,仿生结构HA/BaTiO3多孔骨植入材料的平均孔隙率为45.1%时抗压强度可达10.3MPa,同时具有良好的生物活性。
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