胫骨的层状微结构研究

利用扫描电镜对胫骨的微结构进行观察，结果显示胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的生物层状陶瓷复合材料，其增强相羟基磷灰石在骨中占较大比例，并平行于骨的表面以层状的形式排列。观察也显示这些羟基磷灰石层又是由许多羟基磷灰石片所组成，这些羟基磷灰石片具有长而薄的形状，也以平行的方式整齐排列。基于在胫骨中观察到的羟基磷灰石片的微结构特征，通过微结构模型分析及实验，研究了这种微结构的最大拔出力。结果表明：羟基磷灰石片长而薄的形状以及层状排列方式增加了其最大拔出力，进而提高了骨的断裂韧性。     

胫骨羟基磷灰石片交叉微结构研究

利用扫描电镜对胫骨的微结构进行了观察,结果显示胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的生物陶瓷复合材料.羟基磷灰石平行于骨的表面以层状形式排列,胶原蛋白分布在羟基磷灰石层中起粘合的作用,这使得骨在断裂时裂纹在羟基磷灰石层间折拐分叉,使骨具有高的断裂韧性.观察也显示,羟基磷灰石层由长而薄、与所在层垂直的羟基磷灰石片所组成.进一步地观察发现,不同羟基磷灰石层中的羟基磷灰石片具有不同的方向,构成一种羟基磷灰石片交叉排列的微结构.通过模型分析,比较研究了羟基磷灰石片交叉排列微结构与平行排列微结构的最大拔出力,结果表明,交叉排列微结构的最大拔出力大于平行排列微结构的最大拔出力.研究结果对仿骨陶瓷复合材料设计具有指导意义.     

龙虾壳矿化几丁质纤维片交叉微结构

扫描电镜观察显示龙虾壳是一种由矿化几丁质纤维层与胶原蛋白质构成的自然生物陶瓷复合材料。其中的矿化几丁质纤维层平行于龙虾壳的表面层状排列,而矿化胶原蛋白质作为基体分布其间起粘接的作用。进一步仔细观察矿化几丁质纤维层,发现它们又是由非常薄且垂直于纤维层的矿化几丁质纤维片所组成。观察也发现不同纤维层中的矿化几丁质纤维片具有不同的方向,它们构成一种纤维片交叉微结构。通过模型分析研究了与龙虾壳断裂韧性密切相关的纤维片交叉微结构的最大拔出力,并将其与纤维片平行微结构的最大拔出力进行比较,结果表明矿化几丁质纤维片交叉微结构的最大拔出力明显大于纤维片平行微结构的最大拔出力,实验验证了模型分析的结果。研究结果为高性能陶瓷复合材料设计提供有益指导。     

丽文哈贝壳螺旋微结构研究

对丽文哈贝壳的微结构进行了扫描电镜(SEM)观察,观察显示它是由无机霰石层和有机胶原蛋白组成的一种生物陶瓷复合材料,其中无机霰石层平行于贝壳表面整齐排列.观察也显示这些霰石层是由长而薄的霰石片所组成,不同霰石层中的霰石片具有不同的方向,构成螺旋等铺层形式.更仔细的观察显示每一霰石片又是由长而细的霰石纤维所组成,最细的霰石纤维具有纳米的尺度.根据在贝壳中观察到的螺旋结构,进行了螺旋结构和平行结构最大拔出力的比较实验研究,结果显示螺旋结构的最大拔出力大于平行结构的最大拔出力,它使贝壳具有高的强韧性.研究结果对高性能仿生陶瓷复合材料设计提供了有益指导.     

文哈贝壳多级微结构特征及螺旋交叉微结构的韧性机制

使用扫描电镜(SEM)观察了文蛤贝壳的微结构.结果显示:文哈贝壳是一种由无机霰石和有机胶原质组成的多级生物陶瓷复合材料.贝壳由平行的霰石层组成,每一霰石层由长而薄的霰石片所组成,每一霰石片又是由直径在纳米尺度的霰石纤维组成;在不同霰石层中的霰石纤维具有不同的方向,它们构成一种螺旋交叉微结构.对螺旋交叉微结构和平行微结构进行了与材料断裂韧性有关的最大拔出力的比较分析,结果表明:螺旋交叉微结构的最大拔出力明显大于平行微结构的最大拔出力,螺旋交叉角越大,拔出力的差值也越大.     

蛤蜊贝壳交叉铺层微结构研究

使用扫描电镜(SEM)观察蛤蜊贝壳的微结构,结果显示蛤蜊贝壳是一种由无机文石和有机胶原蛋白组成的层状生物陶瓷复合材料.观察结果也显示文石层是由长而薄的文石片所组成,并且不同层的文石片具有不同的方向,构成不同的交叉铺层微结构.在这种交叉铺层微结构中,任意文石层中的文石片都和它邻近文石层中的文石片保持一个夹角,这个夹角在贝壳的不同位置可能是不同的.根据在贝壳中观察到的交叉铺层微结构,进行了具有不同夹角的纤维最大拔出力的实验研究,结果表明具有一定夹角的纤维最大拔出力大于平行纤维的最大拔出力.纤维间的夹角越大,最大拔出力也越大.     

蛤蜊贝壳交叉铺层微结构研究

使用扫描电镜（SEM）观察蛤蜊贝壳的微结构，结果显示蛤蜊贝壳是一种由无机文石和有机胶原蛋白组成的层状生物陶瓷复合材料。观察结果也显示文石层是由长而薄的文石片所组成，并且不同层的文石片具有不同的方向，构成不同的交叉铺层微结构。在这种交叉铺层微结构中，任意文石层中的文石片都和它邻近文石层中的文石片保持一个夹角，这个夹角在贝壳的不同位置可能是不同的。根据在贝壳中观察到的交叉铺层微结构，进行了具有不同夹角的纤维最大拔出力的实验研究，结果表明具有一定夹角的纤维最大拔出力大于平行纤维的最大拔出力。纤维间的夹角越大，最大拔出力也越大。     

多孔β-TCP骨支架材料孔壁表面纳米化研究

通过在多孔β-TCP骨支架材料的孔壁表面沉积类骨磷灰石层进行纳米化处理,结果表明,经模拟体液浸泡后可在多孔β-TCP材料孔壁表面形成具有纳米级精细结构的沉积层,晶粒形状为鳞片状;XRD、FTIR测试发现该沉积层为含有CO32-的磷灰石相,它具有与自然骨类似的化学组成和生物活性。另外,NaOH溶液预处理可有效促进类骨羟基磷灰石层的沉积速度,且沉积层趋于均匀化。     

相组成对含CO3^2-的双相钙磷陶瓷表面类骨磷灰石形成的影响

钙磷陶瓷表面形成的类骨磷灰石层对材料诱导新骨生成起非常重要的作用。利用体外模拟装置首次研究了新工艺制备的含CO3^2-的双相HA／β-TCP多孔陶瓷相组成对表面类骨磷灰石形成的影响。结果表明，具有不同相组成的该种陶瓷因CO3^2-的存在，导致类骨磷灰石晶体的形成时间有不同程度的提前。并且相组成在β-TCP含量较低时(HA／β-TCP之比为9／1)，该陶瓷也能在较短的作用时间内形成类骨磷灰石晶体。此外还有缺钙羟基磷灰石晶体的形成。类骨磷灰石晶体的形成情况随β-TCP含量的增加而越来越好。且相组成以HA／β-TCP比值为6／4时类骨磷灰石的形成情况最好。相组成的优化有利于该陶瓷材料骨诱导性的提高，进而有利于骨缺损的快速修复。     

模板法合成取向性有序孔道纳米羟基磷灰石

具有类骨结构的羟基磷灰石的合成和可控制备,是当今生物材料领域的研究热点。在具有生物可降解性单月桂基磷酸酯(MAP)模板剂中,采用回流法合成了取向排列的棒状纳米羟基磷灰石晶簇。透射电子显微镜(TEM)表明,在MAP存在下,制备的产物为大小约3.5 nm均匀孔道结构的纳米羟基磷灰石片的有序聚集。由于MAP的特殊结构及离子化后MAP与溶液中其他离子的相互作用,使得产物呈现出特殊的形貌。通过探究MAP对产物的调节机制,可以对仿生材料的生物矿化过程有更深入的了解。     

Preparation and bioactivity evaluation of bone-like hydroxyapatite nanopowder

Calcium phosphate ceramic such as hydroxyapatite (HA) is good candidate for bone substitutes due to their chemical and structural similarity to bone minerals. The bone mineral consists of tiny hydroxyapatite crystals in the nanoregime. Nanostructured hydroxyapatite is also expected to have better bioactivity than coarser crystals. This paper reports on the preparation and in vitro evaluation of bone-like hydroxyapatite nanopowder. The sol–gel prepared hydroxyapatite nanopowder was characterized for its phase purity, chemical homogeneity and bioactivity. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy was used to identify the functional groups. X-ray diffraction (XRD) analysis was carried out to study the phase composition, crystallinity and the crystallite size of hydroxyapatite nanopowders that were sintered at different temperatures. The in vitro test was performed in a stimulated body fluid (SBF) medium. The changes of the pH of SBF medium were measured at pre-determined time intervals using a pH meter. The dissolution of calcium ions in SBF medium was determined by an atomic absorption spectrometer (AAS). FTIR result combined with the X-ray diffraction exhibited single phase of hydroxyapatite with carbonate peaks in the FTIR spectrum. The results indicate that increasing the sintering temperature increases the crystallinity and the crystallite size of hydroxyapatite nanopowders. Photomicrograph of transmission electron microscopy (TEM) showed that the obtained powder after sintering at 600 °C is composed of hydroxyapatite nanoparticles (20–30 nm). Dissolution rate of hydroxyapatite nanopowders was higher than conventional hydroxyapatite powders and closer to biological apatite due to its nanostructure dimensions. It was concluded that sol–gel prepared hydroxyapatite nanopowders had superior bioresorption and similar chemical and crystal structure to natural bone apatite.     

可降解镁合金骨螺钉表面微弧电泳水热复合涂层的制备与性能

目的在医用镁合金骨螺钉表面构建羟基磷灰石涂层,有效控制其降解速率。方法利用微弧电泳/水热复合方法,在形貌复杂的骨螺钉表面制备涂层。该方法首先利用电解抛光对骨螺钉表面进行表面预处理,采用微弧电泳技术在其表面制备羟基磷灰石涂层,再利用水热合成对微弧电泳涂层进行封孔。利用XRD、SEM、AFM等分析手段对涂层显微结构进行分析,利用体外浸泡实验和电化学实验对涂层耐腐蚀性能及其对钙磷盐的诱导特性进行了评价。结果在电解抛光电流0.14 A、抛光时间2 min的工艺条件下进行电解抛光预处理,可以提高基体和涂层的结合性能。由于骨螺钉的特殊形状,在微弧电泳电解液中添加丙三醇,并通过调整电解液中丙三醇含量优化微弧电泳工艺(电压155 V,反应时间20 min),能有效抑制尖端放电现象,防止膜层组织疏松和大量的氧化物堆积,以及涂层剥落甚至基体烧蚀的现象。再优化水热合成工艺参数(处理液p H值8.5,反应时间1.5 h,反应温度393 K)对微弧电泳涂层进行封孔,得到微弧电泳/水热复合涂层。结论微弧电泳/水热复合涂层表面形貌为菜花状结构,由纳米棒状羟基磷灰石组装而成,均匀致密,结晶性好。电化学腐蚀测试表明,制备复合涂层后,骨螺钉的腐蚀电流密度降低了一个数量级。在模拟体液中浸泡6天,骨螺钉的形貌依然完整,说明水热复合涂层在改善生物相容性的同时,提高了骨螺钉的耐腐蚀性能。但微动摩擦磨损测试显示,水热复合封孔处理后磨损性能下降。     

单相、双相及多相离子掺杂的羟基磷灰石研究进展

羟基磷灰石是天然骨组织成分中的重要组成部分,一直是生物医学领域关注和研究的重点。天然骨成分中的磷灰石,是一种结合着多种离子的羟基磷灰石,维持着生命系统的正常生长与发育。本研究阐述了羟基磷灰石的晶体结构;概述了研究者针对羟基磷灰石性能探究,其中包括生物相容性、生物活性、适宜的机械强度、优异的成骨性能和耐腐蚀性能。同时归纳了离子掺杂羟基磷灰石取代位点。在此基础上,重点阐述了近五年来单相、双相以及多相掺杂羟基磷灰石材料的研究,其中包括单相、双相以及多相离子掺杂对羟基磷灰石在结构性能、机械强度、抗菌性、降解性和成骨性等性能的影响,同时简单总结了离子掺杂对机械强度的影响规律。近年来虽然羟基磷灰石生物陶瓷材料在临床上作为植入物涂层、缓释药物的载体、骨移植物代替材料等被应用,但在临床方面广泛运用还面临着许多问题与挑战,所以本文同时展望了离子掺杂羟基磷灰石未来的的发展方向,有望在临床应用及发展方面有一定的指导意义。     

Novel hydroxyapatite coating on new porous titanium and titanium-HDPE composite for hip implant

Porous titanium (Ti) and Ti-high density polyethylene (Ti-HDPE) composite were investigated as new hip implant materials to increase the biomechanical compatibility by promoting a matching modulus of elasticity between hip stem and human bone. Surfaces of both materials were modified to increase its bioactivity and biocompatibility through electrochemical activation treatment and deposition of hydroxyapatite (HA) coating. The electrochemical activation treatment of both materials in 10 M NaOH solution created a bone-like porous nanostructure across the surfaces, thus enhancing the growth of natural bone. A top layer with nanometer-pores and TiO₂ was formed during the activation process, creating a favorable and prerequisite condition conducive to the formation of hydroxyapatite coating. Furthermore, a layer of hydroxyapatite, a bioactive and biocompatible bioceramics that is the main component of natural bone, was deposited on the porous Ti and Ti-HDPE composite through a novel chemo-biomimetic method. The formed coating was characterized through TEM as a nanometer scale crystalline.     

An experimental bone defect healing with hydroxyapatite coating plasma sprayed on carbon/carbon composite implants

Hydroxyapatite coatings with proper thickness were coated on fusion-cage-like carbon fiber reinforced carbon composite implants for bone tissue reconstruction by the plasma spraying technique. Autogenously bone filled fusion-cage-like implants were grafted in hybrid goats' tibia for 328 days. By means of X-ray photography, histological observation and scanning electron microscopy, the biological behaviors of the coating were compared with the pure carbon fiber reinforced carbon composites and the bone defect healing effect of the implants was evaluated. The results indicated that hydroxyapatite coating has more obvious osteoconductive effect than the pure carbon fiber reinforced carbon composites with surface bioinert. The calcium and phosphorus ions leached from HA provide a suitable biological mineralization environment that accelerates the metabolism of bone, the osteoblast differentiation and collagen synthesis. The coating can significantly speed up the bone defect healing process and improve the surface bioactivity of carbon fiber reinforced carbon composites.     

利用冷冻干燥原位构筑仿生型纳米羟基磷灰石、壳聚糖多孔支架材料

在目前仿生制备骨缺损修复材料研究的基础上,利用冷冻干燥技术结合原位复合方法在成分仿生的基础上进行结构仿生制备骨缺损修复材料.充分利用壳聚糖的溶解、沉析和羟基磷灰石形成特性,在室温下实现了纳米羟基磷灰石在多孔支架中的纳米分散.研究结果表明,利用冷冻干燥原位构筑的多孔支架材料拥有很好的相互贯穿多孔连通结构,孔径分布为100～136 μm,孔隙率达到96.1%.此外,原位形成的纳米羟基磷灰石(95 nm)对于多孔支架还起到了纳米增强作用,支架表现出良好的力学性能,可以根据不同缺损形状实现随意赋行.体外生物活性测试表明,该支架材料具有很好的生物活性,是一种优越的潜在骨缺损修复支架材料.     

Work-hardening/softening behaviour of b.c.c. polycrystals during changing strain:: Part II. TEM observations of dislocation sheets in an IF steel during two-stage strain paths and their representation in terms of dislocation densities

The relationship between the developed intragranular microstructure and the deformation history of a grain in a low-carbon IF steel is comprehensively investigated during monotonic deformation and two-stage strain paths. TEM micrographs show that dislocation sheets are currently generated parallel to the active slip planes. In the extended Taylor model developed in Part 1 of this paper, such substructural features are modelled and updated dynamically for each strain increment. The actual structure bears some memory of the deformation history. This paper shows the capability of the extended Taylor model to reproduce several features of the substructural developments observed in transmission electron micrographs after monotonic deformation and two-stage strain paths. The evolution of the mesostructural features in stable and unstable crystals are discussed in the context of the work-hardening/softening behaviour of the IF steel. It is demonstrated that the model can be used to predict qualitatively the intensity and the polarity of the dislocation sheets in a grain during any deformation path.