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碳/碳复合材料表面钙磷薄膜制备与生物相容性研究

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CONTENTS

第1章 绪论

1.1 选题的意义

1.2 碳/碳复合材料表面制备生物活性涂层的研究现状

1.2.1 等离子喷涂法制备羟基磷灰石(HA)涂层

1.2.2 电化学法制备磷灰石涂层

1.2.3 仿生法制备钙磷薄膜

1.2.4 其它制备生物活性涂层的方法

1.3 存在的问题和主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 试验材料的制备工艺

2.1.2 C/C样品的预加工

2.2 C/C+HA涂层复合材料的体内生物相容性研究

2.2.1 手术前期准备

2.2.2 手术过程

2.2.3 手术后的护理与观察

2.2.4 组织学观察

2.3 C/C的表面改性处理

2.3.1 浓硝酸表面改性C/C

2.3.2 常温液相表面改性C/C

2.3.3 气相表面改性C/C

2.3.4 液相-气相复合表面改性C/C

2.3.5 模拟体液浸泡试验

2.3.6 表征方法

2.4 C/C表面连续钙磷沉积的制备

2.4.1 加速钙化溶液浸泡试验

2.4.2 电化学法在C/C表面沉积钙磷盐

2.4.3 表征方法

第3章 C/C+HA涂层复合材料的体内生物相容性试验

3.1 手术前后试验动物日常生理指标的比较

3.2 手术前后试验动物血常规指标的比较

3.3 试验动物手术前后肝功、肾功、C反应蛋白的比较

3.4 组织形态学观察

3.5 本章小结

第4章 表面改性对碳/碳复合材料仿生矿化性能的影响

4.1 硝酸表面改性对C/C仿生矿化性能的影响

4.1.1 硝酸处理对C/C表面形貌的影响

4.1.2 硝酸表面改性对C/C表面化学状态的影响

4.1.3 模拟体液浸泡试验

4.2 常温液相表面改性

4.2.1 表面改性对C/C表面形貌的影响

4.2.2 表面改性对C/C表面化学状态的影响

4.2.3 模拟体液浸泡试验

4.3 气相表面改性

4.3.1 气相表面改性对C/C表面形貌的影响

4.3.2 氧化温度对C/C表面化学状态的影响

4.3.3 模拟体液浸泡试验

4.4 液相-气相复合表面改性

4.4.1 不同处理工艺对C/C表面形貌的影响

4.4.2 不同处理工艺对C/C表面化学状态的影响

4.4.3 模拟体液浸泡试验

4.5 本章小结

第5章 C/C表面连续钙磷沉积的制备

5.1 利用加速钙化溶液在C/C表面沉积钙磷矿物

5.1.1 双氧水处理的C/C样品

5.1.2 硝酸处理的C/C样品

5.2 C/C表面电化学沉积钙磷矿物

5.3 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

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攻读硕士学位期间参与的科研项目

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摘要

碳/碳复合材料具有良好的生物相容性,结构和性能的可设计性,弹性模量等力学性能指标与人体骨骼相当.而被认为是最具潜力的骨修复材料之一。然而,碳/碳复合材料是生物惰性材料,植入体内后与骨组织之间仅是机械结合,不具有诱导骨组织再生的功能。此外,未经任何处理的碳/碳复合材料直接植入动物体内后会因摩擦使部分碳粉脱落,产生一些碳碎片。这些缺点限制了碳/碳复合材料作为骨修复材料的应用。在碳/碳复合材料表面制备生物陶瓷涂层,可以赋予材料表面生物活性,提高种植体与周围组织间的结合强度,减少游离碳颗粒的产生。本文通过杂交波尔山羊的体内植入实验,对课题组前期采用等离子喷涂工艺制备的碳/碳复合材料+羟基磷灰石涂层(C/C+HA)种植体的生物相容性进行了研究。后期对碳/碳复合材料进行表面改性,通过仿生法在材料表面沉积钙磷矿物,并对表面改性和仿生沉积的工艺方法进行了研究。为了加快钙磷薄膜的沉积速度,还尝试加速钙化溶液浸泡和电化学沉积的方法在碳/碳复合材料表面制备钙磷沉积。
   为期60天的动物体内植入实验证实,C/C+HA涂层复合材料具备良好的生物相容性。材料的植入没有引起炎性反应和急性中毒反应,没有对试验动物的循环系统、消化系统、呼吸系统造成损伤。组织学观察表明,纯C/C表面与制备了HA涂层的表面均表现出良好的骨组织改建形貌;但HA涂层表面的结缔组织膜的厚度明显比纯C/C表面小,剥落的碳颗粒也明显减少。说明HA涂层的制备进一步提高了纯C/C种植体的骨组织相容性,改善了种植体表面的骨传导功能,并大大减少了碳粉剥落的可能性。
   表面改性试验及随后的模拟体液浸泡试验结果表明,C/C具备微弱的在模拟体液当中诱导钙磺沉积的能力。在模拟体液当中浸泡4天后,可以在表面获得少量的钙磷沉积,沉积物数量随着浸泡时间的延长而明显增多。使用浓硝酸、双氧水、酸性高锰酸钾、过硫酸铵等强氧化剂处理C/C,可以增加材料表面含氧官能团的含量,增强材料在模拟体液当中诱导钙磷沉积的能力。气相表面改性可以增加材料表面含氧官能团的含量,随着温度的升高,含氧官能团的含量增多。但是,气相表面改性对材料诱导矿化性能的改善不如液相氧化显著,温度较高时还会损害材料的结构稳定性。在液相氧化的基础上,再对材料进行气相氧化处理,并不能进一步增强材料的诱导矿化性能。
   通过加速钙化溶液浸泡或电化学沉积的方法,可以在碳/碳复合材料表面获得连续的钙磷沉积,但沉积物比较疏松。

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