同济大学 材料科学与工程学院, 上海 201804
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥因具有良好的力学性能、适宜的凝固时间和低毒性等优点而在骨科手术中作为可注射型人工骨修复材料受到广泛的应用。然而，其生物惰性可能导致假体长期植入后产生无菌性松动。本研究采用模板法制备了介孔硼硅酸盐生物玻璃微球(MBGS), 并用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)对其进行改性, 制备了MBGSSI。再将硅烷化介孔硼硅酸盐生物玻璃微球(MBGSSI)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥复合, 制备了一种具有良好生物活性和力学性能的复合骨水泥。实验结果表明, 由于γ-MPS与MBGS的结合主要发生在介孔微球的近表面, MBGSSI比MBGS具有更大的比表面积和更小的孔容积。与MBGS/PMMA复合骨水泥相比, γ-MPS可以改善复合材料中无机相和有机相之间的结合, 因此MBGSSI/PMMA复合骨水泥的力学性能得到了改善, 符合ISO 5833:2002对丙烯酸类骨水泥的力学性能要求。此外, 在SBF溶液中浸泡42 d后, MBGS/PMMA和MBGSSI/PMMA复合骨水泥的表面均生成了羟基磷灰石(HA), 证明复合骨水泥具有良好的生物活性。因此, MBGSSI/PMMA复合骨水泥是一种潜在的骨修复材料。
生物玻璃 硅烷化 PMMA骨水泥 生物活性 力学性能 bioglass silanization PMMA bone cement bioactivity mechanical property
1 1.上海师范大学 化学与材料科学学院, 上海 200234
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室, 上海 200050
压电材料产生的电信号能够促进成骨细胞增殖分化, 但不具有良好的诱导矿化能力; 生物活性材料在生理环境下能够诱导类骨羟基磷灰石的沉积, 但又不能产生电信号促进成骨。因此, 开发出一种既能产生电信号, 又能诱导矿化沉积的复合生物活性压电材料, 具有重要意义。本研究以钛酸钡为压电组分, 以硅酸钙为生物活性组分, 采用固相烧结法制备了钛酸钡/硅酸钙复合生物活性压电陶瓷, 测试了压电性能, 并用体外矿化实验评价了诱导矿化能力。硅酸钙复合含量达到30%时, 复合陶瓷仍具有一定的压电性能(d33=4 pC·N-1), 并且能够在模拟体液中诱导磷酸钙沉积。钛酸钡与硅酸钙的复合能够同时具有压电性和生物活性, 为骨修复材料提供了新的选择。
钛酸钡 硅酸钙 压电性 生物活性 barium titanate calcium silicate piezoelectricity bioactivity
天津工业大学材料科学与工程学院, 天津市先进纤维与储能重点实验室, 天津 300387
采用电泳沉积法在钛基体表面制备氧化石墨烯(GO)/羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, HA)复合涂层, 通过XRD和SEM等测试手段对不同热处理条件下得到的GO/HA涂层进行表征。研究结果表明, 热处理有助于促进涂层中HA结晶度的提高, 600 ℃和800 ℃的热处理温度并没有导致HA发生热分解, 但有可能破坏了涂层中GO的有序晶体结构。GO/HA涂层具有优异的生物活性, 但随热处理温度的升高, 涂层的润湿性和生物活性下降。热处理过程有利于涂层致密, 加强涂层与基体的结合, 800 ℃热处理后的涂层结合强度高达25.31 MPa。
热处理 羟基磷灰石 氧化石墨烯 电泳沉积涂层 钛基体 生物活性 heat treatment hydroxyapatite graphene oxide electrophoretic deposition coating titanium substrate bioactivity
1 同济大学 材料科学与工程学院, 上海 201804
2 中国科学院 深圳先进技术研究院 生物医药与技术研究所 人体组织与器官退行性研究中心, 深圳 518055
以溶胶-凝胶法制备的介孔硼硅酸盐生物活性玻璃微球(MBGS)作为固相, 海藻酸钠(SA)溶液作为液相,开发了一种可注射复合骨水泥。对MBGS中氧化硼/氧化硅的比例对其质构性能及骨水泥的可操作性、抗压强度和生物活性的影响进行表征。实验结果表明, 随着硼含量的增加, MBGS的比表面积从161.71 m2/g增大至214.28 m2/g, 平均孔径以及总孔容也随之增长, 加速了玻璃相中钙离子的释放, 使得玻璃与SA的快速交联, 改善了骨水泥可操作性能和力学性能, 凝固时间由21 min缩短至9 min, 抗压强度由3.4 MPa提升至4.1 MPa, 体外矿化性能也随之提高。综合各方面性能表现, BC-30骨水泥兼具良好的可操作性能、力学性能和体外矿化能力, 是最合适的骨水泥组分。总之, 提高MBGS的质构性能是增强复合骨水泥的可操作性、抗压强度和生物活性的有效方法。
可注射骨水泥 介孔硼硅酸盐生物活性玻璃 生物活性 可操作性 injectable bone cement mesoporous borosilicate bioactive glass bioactivity workability
西南交通大学 材料科学与工程学院, 材料先进技术教育部重点实验室, 成都 610031
本研究考察微振动应力环境(MVS)下羟基磷灰石(HA)陶瓷的生物活性及力学稳定性, 探讨体内生理应力环境对HA陶瓷骨诱导性的影响。扫描电子显微镜(SEM)和钙离子释放结果均显示, MVS有利于具有较高微孔隙率((29±1.2)%, (26.4±0.3)%)HA材料的钙离子再沉积和类骨磷灰石层形成, 而对于微孔隙率较低((10.6±0.8)%)的HA材料则促进其钙离子释放。蛋白吸附结果显示40 Hz的MVS促进了HA的蛋白吸附, 60 Hz的MVS则显著抑制HA的蛋白吸附行为。抗压试验表明MVS应力环境并未影响HA多孔支架的力学稳定性。研究表明应力环境是影响HA陶瓷生物活性和骨诱导性的重要因素。
微振动 羟基磷灰石 生物活性 力学稳定性 micro-vibration hydroxyapatite bioactivity mechanical properties
1 南华大学 机械工程学院, 湖南 衡阳 421001
2 南华大学 电气工程学院, 湖南 衡阳 421001
3 超快微纳技术与激光先进制造湖南省重点实验室, 湖南 衡阳 421001
为提高医用TC4钛合金表面熔覆羟基磷灰石(HA)涂层的植入稳定性和生物活性, 采用激光熔覆方法制备出不同含硅量的CaP生物陶瓷涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了熔覆层组织形貌和物相组成。结果表明: 添加SiO2(1wt.%、3wt.%)后形成Ca2SiO4相, 熔覆层中部组织细化。通过电化学腐蚀和体外SBF浸泡实验研究了SiO2含量对涂层耐腐蚀性和生物活性的影响。电化学腐蚀结果表明: 随着SiO2含量的增大, 涂层表面腐蚀电流密度逐渐减小; 体外SBF浸泡结果表明: 添加SiO2可以加快涂层表面类骨磷灰石的形成, 其中, 添加SiO2为1wt.%时涂层表面类骨磷灰石呈均匀分布。因此, 低含量SiO2可以提高生物陶瓷涂层的耐腐蚀性和生物活性。
激光熔覆 TC4钛合金 SiO2-HA涂层 耐腐蚀性能 生物活性 laser cladding TC4 titanium alloy SiO2-HA coating corrosion resistance bioactivity 红外与激光工程
2019, 48(6): 0606007
1 南华大学 机械工程学院, 湖南 衡阳 421001
2 南华大学 电气工程学院, 湖南 衡阳 421001
采用5 kW横流CO2激光器对表面预涂覆HA和SiO2混合粉末的TC4钛合金激光熔覆获得低含硅量生物陶瓷涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)分析熔覆层的显微组织与物相成分, 通过模拟体液(SBF)浸泡实验初步探讨涂层的生物活性, 并通过电化学腐蚀中的动电位扫描实验研究涂层在SBF中的腐蚀行为。实验结果表明, 低含硅量生物陶瓷涂层与基体呈冶金结合, 在SBF中熔覆层的腐蚀电位与基材相比提高了84.4 mV, 腐蚀电流密度下降了约6倍, 在SBF中浸泡7天后熔覆层表面沉积了大量的类骨磷灰石, 熔覆层表现出良好的耐腐蚀性和生物相容性。
激光熔覆 TC4钛合金 含硅生物陶瓷涂层 生物活性 耐腐蚀性能 laser cladding TC4 titanium alloy SiO2-HA coating bioactivity corrosion resistance 红外与激光工程
2018, 47(3): 0306003
采用宽带激光熔覆技术,梯度设计的思想,添加不同含量稀土氧化物Nd2O3来提高复合涂层生物活性的方法,在TC4钛合金表面制备了含HA+β-TCP的稀土梯度生物活性陶瓷涂层.使用MG63人成骨细胞与Nd2O3活性梯度涂层体外共培养,用MTT法测定成骨细胞碱性磷酸酶含量和通过SEM观察MG63细胞在活性涂层表面上的伪足生长情况.结果表明:稀土梯度生物活性陶瓷涂层碱性磷酸酶(ALP)的表达量均高于TC4合金和未加入Nd2O3的陶瓷涂层,成骨活性较好;成骨细胞向骨细胞分化能力是逐渐增强的;成骨活性与不同含量的Nd2O3合成的HA+β-TCP的数量密切相关,当Nd2O3的添加量为0.6wt.%时,具有最佳的成骨性能;生物活性复合涂层不仅能引起细胞的粘附生长,更重要的是能够促进细胞的定向分化,且统计学分析表明ALP含量具有明显的显著性.稀土活性梯度陶瓷涂层材料表面细胞伪足生长更旺盛,具有更好的生物相容性.
稀土氧化物Nd2O3 宽带激光熔覆 碱性磷酸酶 伪足生长 生物活性 rare earths oxide Nd2O3 wide-band laser cladding alkaline phosphatase pseudopodia growth bioactivity
采用宽带激光熔覆技术，通过加入不同含量的稀土氧化物Nd2O3来提高激光熔覆生物陶瓷涂层的生物活性，在TC4钛合金表面制备了含HA+β-TCP的稀土活性梯度陶瓷涂层。使用体外人成骨细胞MG63与Nd2O3稀土活性梯度陶瓷材料共培养，用四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色(MTT)法分析细胞增殖情况和通过SEM观察MG63细胞在稀土活性梯度陶瓷涂层材料上的粘附、生长情况。结果表明： Nd2O3稀土活性梯度陶瓷表面的细胞生长旺盛、细胞形态正常，活性涂层细胞相容性良好;涂层表面的HA+β-TCP钙磷基活性陶瓷相数量影响着成骨细胞的增殖，含有Nd2O3的生物陶瓷涂层比TC4钛合金的细胞相容行好，且含有w(Nd2O3)＝0.4%、w(Nd2O3)＝0.6%的生物陶瓷涂层表面成骨细胞繁殖最快;稀土活性梯度陶瓷材料不仅能够引起细胞的粘附生长，更重要的是要能够促进成骨细胞的定向分化。
稀土氧化物Nd2O3 宽带激光熔覆 细胞增殖 生物活性 rare earths oxide Nd2O3 wide-band laser cladding cell proliferation bioactivity
1 河南石油勘探局安全环保监察处, 河南 南阳 473132
2 贵州交通职业技术学院, 贵州 贵阳 550008
为了减少激光熔覆过程中基材与生物陶瓷涂层之间的热裂纹, 提高涂层与基材的结合强度, 设计了一种梯度稀土生物陶瓷涂层, 采用宽带激光熔覆技术,在TC4钛合金表面制备了含HA＋β－TCP活性相的稀土活性梯度生物陶瓷复合涂层。利用SEM 、XRD分析手段对涂层形貌、相组成进行了研究; 通过模拟体液(SBF)浸泡实验(浸泡7 、14 d)考察了生物陶瓷涂层的生物活性; 利用电化学分析仪测试了生物活性陶瓷涂层的耐腐蚀性。结果表明, 当稀土氧化物Nd2O3添加量为w(Nd2O3)＝0.6%时, 宽带激光熔覆过程中催化合成HA＋β－TCP活性相的数量最多, 具有优异的表面形貌; 当稀土氧化物Nd2O3添加量为w(Nd2O3)＝0.6%时, 梯度稀土生物陶瓷涂层在SBF中浸泡不同时间点后表面沉积的类骨磷灰石相数量均较未加入Nd2O3的梯度生物陶瓷涂层多, 具有最好的生物活性, 且耐腐蚀性最佳。
宽带激光熔覆 梯度生物陶瓷涂层 稀土氧化物Nd2O3 生物活性 wide-band laser cladding gradient bioceramic coating rare earths oxide Nd2O3 bioactivity
