| 题名 | PEEK基生物复合材料的力学性能和体外生物活性研究 |
| 作者 | 冯惺 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2007-02-10 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 杨锐 |
| 关键词 | PEEK/HA PEEK/HA/CF 力学性能 生物活性 |
| 其他题名 | The mechanical properties and bioactivity of PEEK based composite materials for biological applications |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 摘要 人工骨替代材料是应用于骨修复手术中，用于替代缺损的人体骨的材料，主要有金属材料、陶瓷材料和聚合物基复合材料三类。金属材料的模量相对于人体骨来说太高，易导致应力遮蔽效应，且其生物活性相对较低。生物陶瓷材料则因为强度低、韧性差等弱点不能作为承力骨材料单独使用，通常用作填料来增强其它材料的生物活性。聚合物基复合材料则因为添加了HA等生物陶瓷从而具有较好的生物活性，此外还具有成分、性能可调等优点，然而其强度、模量太低，不能很好的满足人体骨替代材料的力学性能要求。因此，提高聚合物基复合材料的强度、模量等力学性能，制备具有和人体骨强度、模量相匹配的聚合物基复合材料一直是聚合物基骨替代材料的研究目标所在。 PEEK是力学性能最为优异的一种热塑性树脂。研究表明， PEEK/HA复合材料在具有生物活性的同时，能够满足人体骨替代材料力学性能的低端要求，但是，其力学性能还远远没有达到承力骨的力学性能要求。作为最常采用的增强纤维之一，CF具有很好的力学性能和化学稳定性。所以，采用短CF对PEEK/HA复合材料进行增强而得到的PEEK/HA/CF复合材料很可能是一种能够较好满足人体承力骨替代材料要求的复合材料。 本论文采用熔融共混-注射成型法制备了PEEK/HA和PEEK/HA/CF复合材料，对比研究了这两种复合材料的拉伸、弯曲和冲击性能，并通过对复合材料的断口形貌的分析来对复合材料力学性能的变化规律做进一步的探讨。为了研究PEEK/HA和PEEK/HA/CF复合材料的体外生物活性，本文采用了三种不同配制方式的SBF溶液，并对PEEK/HA和PEEK/HA/CF复合材料在体外生物活性实验中出现的表面生长物的生长模式进行了初步的探讨。 本论文采用注塑前对PEEK(和PEEK/CF)和HA熔融共混法来对增强相进行分散处理。BEM图片显示，经过分散处理后制备的试样中的HA和CF都得到了很好的均匀分布。其中CF的分布各处都很均匀，而其取向则因为其在基体中的位置而有所不同。位于试样表面的CF为无序取向，试样中部的CF沿注塑方向具有一定的择优取向。这样的分布情况和注塑过程中的流体力学情况是相吻合的。 力学性能的结果表明，PEEK/HA复合材料的拉伸强度和弯曲强度随着HA含量的增加而降低，其拉伸模量、弯曲模量则随HA含量的增加而升高，对PEEK/HA复合材料的断口SEM照片分析表明，HA的添加抑制了基体的塑性形变，使得复合材料的脆性增大，断裂应变减小。同时，由于PEEK/HA复合材料的冲击性能是由基体的塑形变形和添加物从基体中脱粘、拔出等机制共同决定，所以PEEK/HA复合材料的冲击性能的变化趋势比较复杂。然而，PEEK/HA复合材料的力学性能和人体骨替代材料的力学性能要求还有较大的差距，还不能作为人体骨替代材料来应用。 同PEEK/HA复合材料相比， PEEK/HA/CF复合材料的力学性能有了极大的提高，能够较好的符合人体骨替代材料的力学性能要求。当HA含量相同时，随着CF含量的增加，PEEK/HA/CF复合材料的拉伸强度和模量都随之增加，弯曲强度和模量也同样增加。当CF含量相同时，随着HA含量的增加，PEEK/HA/CF复合材料的拉伸、弯曲强度变化不大，而拉伸、弯曲模量却随之增加。因为HA的拔出、脱粘等变形方式对于PEEK/HA/CF复合材料冲击功的影响不大，其含量的增加反而降低了PEEK/HA/CF复合材料中的基体的塑性变形部分。故PEEK/HA/CF复合材料的冲击性能在HA含量不变时，冲击强度随着CF含量的升高而升高，而当CF含量不变时则随着HA含量的升高而降低。综上所述，CF对于PEEK/HA/CF复合材料力学性能的影响起主导作用 通过对PEEK/HA和PEEK/HA/CF复合材料在三种不同配制方式的SBF溶液(在调校最终pH值为7.42前, 每种SBF溶液的 pH值不同,药品添加过程略有区别。)中的体外生物活性结果的分析表明，PEEK/HA和PEEK/HA/CF复合材料都具有很好的生物活性，且其表面生长物的情况和SBF溶液配置过程中的pH值有着密切的关系。当SBF溶液制备过程中的酸碱度一直保持在中性附近后，浸泡在其中的试样表面表现出较好的HA生长情况。通过SEM照片还观察到，试样表面的HA的生长情况和试样中包含的HA的含量多少有关，HA含量越高，试样表面生长的HA越多。通过浸泡后的试样的横截面的BEM照片的观察和分析表明，复合材料在生物活性实验中生长的表面生成物的形核长大过程和SBF溶液中Ca2+的富集过程有关。 综上所述，PEEK/HA/CF复合材料的拉伸模量、强度，弯曲模量、强度和冲击强度等力学性能指标能够很好的满足人体骨替代材料的力学性能要求，并且具有很好的生物活性，表明PEEK/HA/CF复合材料是一种力学性能优异的可用于替代人体骨的聚合物基生物复合材料。 关键词：PEEK/HA，PEEK/HA/CF，力学性能，生物活性。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 99 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16855]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 冯惺. PEEK基生物复合材料的力学性能和体外生物活性研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2007. |
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