【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 體和骨之間的微運(yùn)動(dòng)，在軸向載荷實(shí)驗(yàn)中，碳/碳復(fù)合材料與其他兩種金屬相比其近側(cè)微運(yùn)動(dòng)較大，在扭轉(zhuǎn)載荷實(shí)驗(yàn)中，碳/碳復(fù)合材料與其他兩種金屬相比其近側(cè)旋轉(zhuǎn)微運(yùn)動(dòng)和位移是相當(dāng)大而遠(yuǎn)側(cè)相當(dāng)小，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)示著碳/碳復(fù)合材料能提高近側(cè)應(yīng)力轉(zhuǎn)移，說(shuō)明采用碳/碳復(fù)合材料作為股骨組件時(shí)為取得臨床成功提高近側(cè)固定是必要的。Christel等已證實(shí)，對(duì)Ringer’S模擬液中的CVI碳/碳復(fù)合材料，首先施加5106次幅度為800N至8000N范圍內(nèi)的循環(huán)壓縮載荷，106次幅度為1000N至10000N范圍內(nèi)的循環(huán)壓縮載荷后，測(cè)試其靜態(tài)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)所施加的循環(huán)負(fù)載對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。劉起秀等將碳/碳復(fù)合材料與其它金屬基人工骨替代材料在狗的大腿骨和兔子的頭骨中進(jìn)行種植試驗(yàn)，結(jié)果表明碳/碳復(fù)合材料能促進(jìn)骨的生長(zhǎng)，骨組織直接長(zhǎng)入材料的孔隙中。到1989年底，他們已進(jìn)行了50例碳/碳復(fù)合材料人工頜骨和顳頜關(guān)節(jié)的臨床置換手術(shù)。至1992年，已有600多例人體種植病例，術(shù)后效果均較好。，顯然碳/碳復(fù)合材料和碳纖維制件與生物組織有很強(qiáng)的結(jié)合力。用X射線(xiàn)儀檢測(cè)植入前后材料的孔徑變化可以發(fā)現(xiàn)，植入后一個(gè)月中，碳材料的孔徑尺寸減小、數(shù)量減少，據(jù)分析也是骨細(xì)胞長(zhǎng)入的緣故。俄羅斯石墨結(jié)構(gòu)材料研究院生產(chǎn)的多孔生物碳材料, 壓縮強(qiáng)度為70MPa，可用來(lái)制作人工骨和膝關(guān)節(jié)假體。這種材料植入人體后，插入骨髓腔內(nèi)的部分, 不同 Evulsion strength of different biomaterials versus implant time Evulsion strength/MPaTime/month中會(huì)長(zhǎng)滿(mǎn)骨組織，使碳質(zhì)人工骨被牢牢固定住，在臨床上沒(méi)有發(fā)生組織壞死現(xiàn)象。Time/month 不同材料拔出強(qiáng)度與植入時(shí)間的關(guān)系碳/碳復(fù)合材料鈣磷/膠原涂層的研究 7烏克蘭國(guó)家科學(xué)中心哈里科夫技術(shù)物理研究院1986 年起就開(kāi)展了碳/碳復(fù)合材料作為人工骨替換材料方面的研究。對(duì)其生產(chǎn)的碳/碳復(fù)合材料人工骨進(jìn)行了生物力學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真模擬、電化學(xué)反應(yīng)和老鼠的骨內(nèi)種植等研究表明：（1）碳/碳復(fù)合材料的骨折內(nèi)固定裝置具有相當(dāng)于人的自體骨4760％的斷裂韌性，完全可以滿(mǎn)足臨床使用要求；（2）與多種醫(yī)用金屬材料的電化學(xué)反應(yīng)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與鈦配合時(shí)，電化學(xué)腐蝕最?。唬?3）碳/碳復(fù)合材料與人骨的彈性模量十分接近，因此采用碳/碳復(fù)合材料作骨折部位的內(nèi)固定十分有利于術(shù)后血管組織改建，加快骨組織愈合，從而滿(mǎn)足生物活性?xún)?nèi)固定的需要；（4）植入動(dòng)物骨內(nèi)的病理切片觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，與該材料接觸的骨組織中有新生骨組織形成。少量脫落的碳顆粒進(jìn)入骨組織和骨膜的膠原組織中但并未發(fā)現(xiàn)炎癥反應(yīng)；碳/碳復(fù)合材料與骨組織界面處有纖維包囊組織形成，但其厚度與類(lèi)似實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)醫(yī)用不銹鋼表面的纖維包囊相比要小得多。烏克蘭已將人工長(zhǎng)骨、膝關(guān)節(jié)、骨折內(nèi)固定髓內(nèi)釘和接骨板等已成功應(yīng)用于臨床，先后進(jìn)行了骨組織替換手術(shù)100 多例，取得了良好的使用效果。 為烏克蘭國(guó)家科學(xué)中心哈里科夫技術(shù)物理研究院的碳碳復(fù)合材料人工骨的照片。 烏克蘭生產(chǎn)的碳/碳復(fù)合材料人工骨綜上所述，碳/碳復(fù)合材料對(duì)骨及周?chē)M織刺激小，無(wú)炎癥和毒副作用；骨組織可陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 8長(zhǎng)入小到10μm的碳材料孔隙中。但由于碳/碳復(fù)合材料為生物惰性材料，表面疏水，與骨組織表面僅僅是機(jī)械結(jié)合，不具有傳導(dǎo)或誘導(dǎo)骨組織再生功能，產(chǎn)的碳/ Artificial bone of carbon/carbon posites made in Ukraine界面形成需要周期長(zhǎng)。而且人們研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)任何處理碳/碳碳復(fù)合材料直接植入后在界面處會(huì)因摩擦使部分碳粉脫落，產(chǎn)生一些碳碎片。大尺寸的碳碎片將會(huì)停留在植入體附近，小尺寸的碳粒子可以被巨噬細(xì)胞吞噬，轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離植入點(diǎn)的部位，在附近淋巴結(jié)停留，最后被吸收。盡管人體組織并沒(méi)有受到碳粒子存在侵害，反映了機(jī)體組織與碳材料的高度相容性，但為保證植入體的穩(wěn)定性，使它能與骨組織化學(xué)鍵合和加快新骨組織的生長(zhǎng)，避免對(duì)人體產(chǎn)生某些未知的影響，盡量減少磨擦碳碎片產(chǎn)生和污染周?chē)M織，可在其表面構(gòu)筑生物活性涂層。因此充分利用碳/碳復(fù)合材料的生物相容性，賦予其表面生物活性，成為研制新一代骨修復(fù)或骨替代材料的發(fā)展趨勢(shì)。 碳/碳復(fù)合材料在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn) 碳/碳復(fù)合材料在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用Adams 等研究了碳/碳復(fù)合材料用于老鼠股骨的情況，結(jié)果表明:碳/碳復(fù)合材料具有極優(yōu)異的硬組織相容性，骨皮層組織對(duì)它可很快適應(yīng)，在碳/碳復(fù)合材料與骨之間沒(méi)有形成任何過(guò)渡軟組織層，也沒(méi)有出現(xiàn)任何炎癥反應(yīng)。通過(guò)與金屬鈦的植入體進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn):碳/碳復(fù)合材料與骨的界面剪切強(qiáng)度明顯高于鈦一骨的界面強(qiáng)度。另外，鈦植入體周?chē)墓墙M織產(chǎn)生了一些負(fù)效應(yīng)，而在碳/碳植入體周?chē)鷦t沒(méi)有，反映了碳/碳與骨組織間良好的親和性。經(jīng)顯微分析，可觀(guān)察到骨組織與碳/碳的凹凸表面結(jié)合得很緊密，并有骨組織向碳/碳表面溝槽生長(zhǎng)的現(xiàn)象。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和沈陽(yáng)軍區(qū)醫(yī)院曾將碳/碳復(fù)合材料與其它金屬基人工骨替代材料在狗的大腿骨和兔子的頭骨中進(jìn)行種植試驗(yàn)。結(jié)果表明:碳/碳復(fù)合材料能促進(jìn)骨的生長(zhǎng)，骨組織直接長(zhǎng)入材料的孔隙中。截至 1989 年底，他們已進(jìn)行了 50 例碳/碳復(fù)合材料人工頜骨和顳頜關(guān)節(jié)的臨床置換手術(shù)。至 1992 年，已有 600 多例人體種植病例，術(shù)后效果均較好。Baquey 等采用放射示蹤法研究了碳/碳復(fù)合材料的血液相容性。在與血液接觸的頭一個(gè)小時(shí)內(nèi)，碳/碳表面會(huì)產(chǎn)生明顯的血小板粘附現(xiàn)象，而紅細(xì)胞與纖維蛋白原卻不會(huì)被碳/碳表面所粘附。進(jìn)一步研究表明，碳/碳的微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)血小板的粘附機(jī)理有很大影響。對(duì)碳/碳復(fù)合材料血液相容性的解釋也可引用一些碳材料的研究結(jié)果。另外碳/碳的表面粗糙度也對(duì)其抗血栓性能影響很大，表面越粗糙，材料與血液接觸的比表面積越大，越容易產(chǎn)生凝血現(xiàn)象。而且，粗糙表面對(duì)血液的流動(dòng)有一定的機(jī)械阻擋作用，其抗血栓性要低于光滑表面。綜上所述，在對(duì)抗血栓要求高的場(chǎng)合，需要對(duì)碳/碳復(fù)合碳/碳復(fù)合材料鈣磷/膠原涂層的研究 9材料表面進(jìn)行一定的預(yù)處理。烏克蘭國(guó)家科學(xué)中心哈里科夫技術(shù)物理研究院 1986 年起就開(kāi)展了 C/C 作為人工骨替換材料方面的研究，研制成功的人工長(zhǎng)骨、膝關(guān)節(jié)、骨折內(nèi)固定髓內(nèi)釘和接骨板等已成功應(yīng)用于臨床，先后進(jìn)行了骨組織替換手術(shù) 100 多例，取得了良好的使用效果。綜上所述，碳/碳復(fù)合材料對(duì)骨及周?chē)M織刺激小，無(wú)炎癥和毒副作用；骨組織可長(zhǎng)入小到 10μm 的碳材料孔隙中。但由于碳/碳復(fù)合材料為生物惰性材料，表面疏水，與骨組織表面僅僅是機(jī)械結(jié)合，不具有傳導(dǎo)或誘導(dǎo)骨組織再生功能， 界面形成需要周期長(zhǎng)。而且人們研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)任何處理碳/碳復(fù)合材料直接植入后在界面處會(huì)因摩擦使部分碳粉脫落，產(chǎn)生一些碳碎片。大尺寸的碳碎片將會(huì)停留在植入體附近，小尺寸的碳粒子可以被巨噬細(xì)胞吞噬，轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離植入點(diǎn)的部位，在附近淋巴結(jié)停留，最后被吸收。盡管人體組織并沒(méi)有受到碳粒子存在侵害，反映了機(jī)體組織與碳材料的高度相容性，但為保證植入體的穩(wěn)定性，使它能與骨組織化學(xué)鍵合和加快新骨組織的生長(zhǎng)，避免對(duì)人體產(chǎn)生某些未知的影響，盡量減少磨擦碳碎片產(chǎn)生和污染周?chē)M織，可在其表面構(gòu)筑生物活性涂層。因此充分利用碳/碳復(fù)合材料的生物相容性，賦予其表面生物活性，成為研制新一代骨修復(fù)或骨替代材料的發(fā)展趨勢(shì)。 生物醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)碳/碳復(fù)合材料用作人體骨骼植入材料具有以下優(yōu)點(diǎn) ,（a）有優(yōu)異的生物相容性。將 C/C 植入人體內(nèi)不會(huì)引起周?chē)M織發(fā)炎，也不會(huì)引起異體反應(yīng)。（b）具有良好的生物力學(xué)相容性。C/C 的彈性模量接近人骨的彈性模量，可減弱由假體應(yīng)力遮擋作用引起的骨吸收等并發(fā)癥。這是制作人體骨骼所需的力學(xué)性能中最重要的指標(biāo)。通過(guò)對(duì) C/C 結(jié)構(gòu)的柔性設(shè)計(jì)與加工，可以使 C/C 具備力學(xué)性能的合理匹配。（c）C/C 具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)和電化學(xué)性能，長(zhǎng)期植入人體不會(huì)出現(xiàn)老化和變質(zhì)。（d）強(qiáng)度高、耐疲勞、韌性好。（e）易于加工成形。對(duì)碳纖維進(jìn)行三維編織，形成坯體模型，經(jīng)熱梯度氣相沉積碳后，再對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工，達(dá)到所需要的尺寸。（f）具有多孔結(jié)構(gòu)。研究表明，多孔性是作為人體骨骼植入材料的重要條件之一，這樣有利于周?chē)?xì)血管和成骨細(xì)胞的長(zhǎng)入，形成生物學(xué)嵌鎖的結(jié)合方式，提高骨結(jié)合的強(qiáng)度。C/C 的孔隙率較高，孔徑尺寸為 20~150 微米，最適宜制作人體骨骼植入材料。通過(guò)對(duì)熱梯度氣相沉積工藝的控制，可使碳/碳復(fù)合材料達(dá)到合適的孔隙度。碳/碳復(fù)合材料用作人體骨骼植入材料的不利因素 .（a）未經(jīng)處理的 C/C 表面具有疏水性。植入生物體內(nèi)初期，該材料表面少量碳顆陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文 10粒會(huì)發(fā)生脫落。小顆粒易于被巨噬細(xì)胞吸收，大顆粒則會(huì)隨體液流動(dòng)，部分沉積于體表，出現(xiàn)“黑膚效應(yīng)” 。（b）C/C 作為生物惰性材料，與骨組織的結(jié)合仍以骨組織長(zhǎng)入其表面孔隙形成的機(jī)械嵌合為主，不能與骨組織形成化學(xué)鍵合。（c）C/C 呈黑色，與灰白色的人骨相比，顏色存在差異。 磷酸鈣生物涂層的制備方法將碳/碳復(fù)合材料與生物活性材料復(fù)合，既保持了生物材料所需的力學(xué)性能，又具有生物活性。生物活性涂層能促使植入體與骨組織間形成直接的化學(xué)鍵性結(jié)合，有利于植入體早期穩(wěn)定，縮短手術(shù)后的愈合期。生物活性涂層的制備技術(shù)很多，主要有等離子噴涂法、爆炸噴涂法、涂覆燒結(jié)法、激光熔覆法、仿生誘導(dǎo)法、化學(xué)氣相沉積法、離子注入法、溶膠一凝膠法、電化學(xué)沉積法等。（a）仿生法 仿生溶液生長(zhǎng)法是先配制一種與人體體液組成幾乎相同的溶液，然后將基體(如金屬、碳/碳復(fù)合材料)置于此溶液中，以仿生物環(huán)境下在基體表面上生長(zhǎng)出羥基磷灰石涂層。純基體由于無(wú)生物活性，因此很難在其表面上生長(zhǎng)出羥基磷灰石涂層。常需要對(duì)基體進(jìn)行預(yù)處理，從而能與溶液作用形成羥基磷灰石涂層。這種方法獲得的涂層常與基板結(jié)合力較低，一般在 10MPa 以下。付濤等采用離子束輔助沉積技術(shù)先在碳/碳復(fù)合材料表面鍍覆一層氧化鈦膜，經(jīng)濃堿處理后，再在模擬體液中浸泡，得到了連續(xù)的生理磷灰石層。（b）浸漬一焙燒法 鄭岳華等將羥基磷灰石與生物玻璃混合，做成料漿，將碳/碳復(fù)合材料基體經(jīng)過(guò)真空包滲、常壓干燥、真空燒結(jié)、超重力場(chǎng)深層填充、真空燒結(jié)、表層活化處理，最后在碳/碳復(fù)合材料表面得到生物活性涂層。生物學(xué)測(cè)試和種植試驗(yàn)證明，該材料具有良好的軟組織和硬組織適應(yīng)性。（c）等離子噴涂法 等離子體噴涂法是制造生物陶瓷涂層最常用的方法。在等離子體噴涂過(guò)程中，由鎢青銅陽(yáng)極和噴嘴陰極放電產(chǎn)生電弧，等離子氣體則在電弧燃燒中產(chǎn)生。一般等離子氣體選擇惰性氣體或雙原子氣體的混合物。噴涂粉末用氣流送到高能的等離子氣體內(nèi)，粉末在等離子體中熔化，附著在基板上而形成涂層。這種方法形成的涂層性能隨著等離子體噴涂的工藝條件變化而變化。等離子體噴涂技術(shù)具有效率高、涂層均勻、重復(fù)性好和適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。1983 年，法國(guó)有人用等離子體噴涂法在碳/碳復(fù)合材料上涂覆了 HA 涂層，植入狗的股骨中試驗(yàn) 15 天至 6 個(gè)月。結(jié)果表明:HA 涂層對(duì)于形成新生皮質(zhì)骨和海綿骨以及骨接觸都比較好 。（d）化學(xué)氣相沉積法 涂層形成主要是氣相涂敷材料在基體表面的化學(xué)反應(yīng)沉積，兼有氣相涂敷材料向基體表層擴(kuò)散及表層內(nèi)化學(xué)反應(yīng)物生成。涂層特性主要依賴(lài)于涂層物質(zhì)特性。碳/碳復(fù)合材料鈣磷/膠原涂層的研究 11（e）物理氣相沉積法 20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的又一種新型涂敷工藝方法。物理氣相沉積法屬低溫工藝過(guò)程，溫度可調(diào)節(jié)和控制在基體材料退火溫度以下，因而被涂敷件基體無(wú)變形，尺寸不發(fā)生變化，硬度及材料性能也基本不變化。（f）電沉積法 電化學(xué)沉積法因其反應(yīng)條件溫和，可獲得高生物活性的羥基磷灰石涂層。該方法還具有無(wú)需預(yù)先制備 HAp 粉體，操作簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。電化學(xué)沉積鈣磷涂層的基本過(guò)程是:通過(guò)控制電化學(xué)反應(yīng)，調(diào)節(jié)陰極/溶液界面化學(xué)環(huán)境，使電解液中的鈣磷濃度在陰極表面相對(duì)高的 pH 環(huán)境下達(dá)到一定的過(guò)飽和，進(jìn)而從溶液相中結(jié)晶析出，并沉積在電極表面。該方法由于具有反應(yīng)條件溫和、可控制磷酸鈣陶瓷膜層中的 Ca/P 比，能在復(fù)雜外型的表面進(jìn)行沉積等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的等離子噴涂時(shí)因高溫而引起的 HAp 的熱分解和噴涂過(guò)程的非線(xiàn)性。電沉積法具有其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn): (a)電沉積方法制備生物活性陶瓷涂層是在低溫條件下進(jìn)行的，因此基體和涂層界面不存在殘余熱應(yīng)力問(wèn)題，避免了高溫噴涂引起的相變和脆裂，有利于增強(qiáng)基體與涂層之間的結(jié)合力。(b)電沉積過(guò)程是非線(xiàn)性過(guò)程，可以在形狀復(fù)雜和表面多孔的基體上制備均勻的陶瓷涂層。(c)通過(guò)控制電流、電壓、溫度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，能精確控制涂層的厚度、表面結(jié)構(gòu)和孔隙率等。(e)電沉積方法所需設(shè)備投資少、原材料利用率高、生產(chǎn)費(fèi)用低、工藝簡(jiǎn)單、易于操作，是一種比較方便而且經(jīng)濟(jì)的方法。因此，十幾年來(lái)許多研究者對(duì)電沉積法制備 HAp 涂層進(jìn)行了廣泛研究。但是電沉積方法制備的磷酸鈣鹽生物陶瓷膜層和基體之間的結(jié)合力及陶瓷膜層自身的結(jié)合力不足，制約了該方法的進(jìn)一步發(fā)展。Stoch 等以碳/碳復(fù)合材料為工作電極(陰極)的三電極體系，在硝酸鈣和磷酸二氫氨電解液中，溫度控制在 60oC 或 85oC,電沉積得到羥基磷灰石或含碳酸根的羥基磷灰石層，研究發(fā)現(xiàn):涂層的組成和形貌受沉積過(guò)程理化參數(shù)的影響較大，低電解質(zhì)濃度和低溫度有利于納米顆粒涂層的形成，提高電解質(zhì)的濃度和溫度加速了涂層顆粒的團(tuán)聚和結(jié)晶。在上述各方法中除仿生法和電沉積法外其余方法都屬于高溫制備，高溫下制備的涂層結(jié)晶性差、生物活性低，而采用低溫制備方法得到的生物涂層致密、均勻且生物活性較高。 選題背景及意義生物材料設(shè)計(jì)的基本原理要求