β-磷酸三钙/硅酸钙复合生物陶瓷的制备及性能研究

以β-磷酸三钙/硅酸钙(β-TCP/CS)纳米复合粉体为原料, 制备了质量比为50:50的β-TCP/CS复合生物陶瓷. 研究表明, 1150℃烧结5h得到的样品强度最好, 其致密度>96%, 晶粒尺寸约120nm, 强度达126MPa、同人体致密骨相当; 复合陶瓷在模拟体液中浸泡1天表面就全部被类骨羟基磷灰石层覆盖住, 28天的降解率达10.1%, 具有良好的生物活性和降解性. 研究结果显示β-TCP/CS复合生物陶瓷有望作为强度较好的可降解生物活性硬组织修复材料.     

真空和大气等离子喷涂镁黄长石生物活性涂层的对比研究

大气喷涂法制备的镁黄长石涂层是一种具有优良生物活性的新型骨科移植体涂层材料, 但其结晶度较低, 影响涂层的化学稳定性。本研究采用真空等离子喷涂法在钛合金表面制备了高结晶度的镁黄长石涂层。与大气喷涂镁黄长石涂层相比, 真空喷涂镁黄长石涂层具有更高的磷灰石矿化能力, 在SBF中浸泡6 d后表面即沉积了一层类骨磷灰石层, 浸泡14 d后表面沉积的磷灰石层的厚度约为大气涂层的4倍。真空喷涂镁黄长石涂层的离子释放明显低于大气涂层, 显示出更高的化学稳定性。骨髓间充质干细胞在真空和大气喷涂镁黄长石涂层表面粘附和铺展良好, 在两种涂层表面的增殖速度均明显高于HA涂层。本研究表明真空等离子喷涂的镁黄长石陶瓷涂层因其显著提高的生物活性及化学稳定性, 可能更适合用作人工关节涂层材料。     

生物活性陶瓷材料表面碳酸羟基磷灰石形成及其微观结构的研究

制备了羟基磷灰石(HAP)、生物活性玻璃、硅灰石以及羟基磷灰石和硅灰石的复合陶瓷等几种不同的生物活性陶瓷材料,在同一条件下对材料进行模拟体液(SBF)浸泡实验并用傅立叶红外光谱(FTIR)和场发射扫描电镜(FESEM)对试样表面进行了表征.结果显示,几种生物陶瓷材料经模拟体液浸泡后,表面都沉积了碳酸羟基磷灰石(HCA).不同的材料,表面沉积HCA的速度和微观结构有所差异.在硅灰石表面沉积HCA的速度最快,而在HAP表面沉积HCA的速度为最慢.HAP和硅灰石表面沉积的HCA层较为疏松,与此相比生物活性玻璃表面沉积的HCA层较为致密.这几种生物活性陶瓷材料表面沉积的HCA基本上都为光滑的球形颗粒.羟基磷灰石与硅灰石复合后不仅沉积HCA的速度发生很大变化,而且表面生成的HCA的微观结构也发生了改变.我们的结果显示,在模拟体液中材料表面HCA沉积速度和微观结构可以作为评价无机生物材料体外生物活性的一个重要方法,而通过羟基磷灰石和硅灰石复合可以调控材料的生物活性。     

Ti6Al4V表面生物陶瓷涂层设计与生物活性研究

设计并制备了适用于Ti6Al4V表面涂覆层的生物陶瓷材料,将烧结后的陶瓷浸入模拟体液中,借助SEM、ICP、FTIR等分析技术研究其生物活性机理,结果表明所研制的陶瓷材料不仅具有和Ti6Al4V相匹配的热膨胀系数,且表面可沉积生成碳酸羟基磷灰石(HCA)具有良好的生物活性.     

HAp/SiO2复合陶瓷材料的制备及体外生物活性

HAp和SiO2的混合粉末压制成型后,在1200℃下烧结得到含5.0%(质量分数)SiO2的HAp/SiO2生物陶瓷复合材料。烧结体的XRD及FT-IR分析结果表明,SiO2的添加促进了HAp发生热分解。其主要物相为α-TCP、HAp、Ca2P2O7以及生物玻璃(bioglass,BG)等。体外生物活性实验结果显示,样品浸泡在模拟体液(SBF)中24h后,表面出现花瓣状磷灰石沉积物,72h后进而生成板状沉积物,120h后在样品表面覆盖了较厚的类骨磷灰石层,经XRD测试分析表明,该层主要为碳酸羟基磷灰石(HCA)。制备的HAp-5.0%(质量分数)SiO2生物陶瓷复合材料具有比纯HAp更加优越的体外生物活性,可期待作为一种新的骨修复材料。     

多孔硅酸钙生物陶瓷的制备及体外活性和降解性研究

以聚乙二醇为造孔剂,制备了多孔硅酸钙生物陶瓷.应用本文提供的方法,可制得孔连通性好、气孔率53.7%-73.6%、抗压强度4.9-48.5MPa、大孔孔径200-500μm的多孔陶瓷.研究表明,多孔硅酸钙生物陶瓷的力学强度随造孔剂含量的增加而明显降低,而气孔率则相反.应用模拟体液浸泡实验研究了多孔陶瓷的体外生物活性和降解性.研究表明,样品在模拟体液中浸泡1天表面就全部被碳酸代羟基磷灰石层覆盖住.气孔率为63.1%的样品7天的降解率达7.14%,具有良好的降解性.研究结果显示多孔硅酸钙生物陶瓷有望作为硬组织修复支架材料用.     

γ-硅酸二钙陶瓷的生物活性和细胞毒性研究

对溶胶-凝胶法合成的硅酸二钙粉体通过冷等静压成型,在1450℃下无压烧结,制备出高纯度的,γ-硅酸二钙(γ-Ca₂SiO₄)陶瓷,并对γ-Ca₂SiO₄陶瓷的体外(in vitro)生物活性和细胞毒性进行了研究.实验结果表明,该陶瓷具有优良的生物活性,在模拟体液(SBF)中浸泡72h后陶瓷表面沉积类骨碳酸羟基磷灰石层(CHA);材料溶解释放的钙、硅离子对成纤维细胞无毒副作用,在适当浓度下还能促进细胞增殖;该陶瓷还能支持骨髓间质干细胞(BMSCs) 的贴壁、黏附和铺展.因此,γ-Ca₂SiO₄陶瓷是一种生物活性优良和无细胞毒性的新型生物活性陶瓷材料.     

磷酸钙陶瓷在不同动物的模拟体液中类骨磷灰石的形成研究

根据人、狗、猪、猴和兔五种动物体液的钙离子浓度和pH值的差异,配制了不同组分的模拟体液,将孔壁致密和有微孔的多孔磷酸钙陶瓷分别浸泡在这些模拟体液中,研究陶瓷孔隙表面类骨磷灰石的形成情况.结果表明:在模拟体液中浸泡14天后,孔壁致密的材料未见有类骨磷灰石层形成;有微孔的多孔磷酸钙陶瓷,材料孔壁表面(包括陶瓷表面较深孔隙)有类骨磷灰石层的形成,这与体内植入实验观察到的类骨磷灰石层形成和诱导成骨情况相似,可以推论类骨磷灰石层的形成的确是骨诱导的先决条件.随着钙离子浓度的增加,其孔壁表面类骨磷灰石层的形成也更为均匀,但类骨磷灰石生长快慢顺序与动物组织学观察到的骨诱导性高低的次序不完全一致.     

致密羟基磷灰石（HA）生物陶瓷烧结行为和力学性能

从生物相容性的角度考虑,羟基磷灰石是人体硬组织置换种植体最适合的陶瓷材料。但目前ＨＡ陶瓷很差的力学性能使得它不能在受载场合下应用,如人造牙齿或骨。所以力学性能高的致密羟基磷灰石陶瓷或径基磷灰石基生物材料是我们所期望获得的。本文简要介绍了国内外关于在磷灰石,生物陶瓷烧结行为和力学性能的研究进展。     

硅酸盐生物活性陶瓷研究进展

生物陶瓷经历了由惰性生物陶瓷如氧化铝和氧化锆陶瓷到可降解生物陶瓷如磷酸三钙陶瓷及具有生物活性的生物陶瓷如羟基磷灰石陶瓷的发展过程。近年来,随着再生医学研究和组织工程技术的发展,对生物材料的性能有了更高的要求,有学者提出了第三代生物材料的概念,认为新一代生物材料应该既具有生物活性,又可降解。研究发现,一些含硅的生物玻璃兼具有这两种特性,其生物活性体现在可以在模拟体液或体内环境中诱导形成类骨磷灰石,这种类骨磷灰石可以与骨组织形成键合。此外,研究显示这类生物玻璃材料具有促进细胞增殖和成骨基因表达的作用。但是,生物活性玻璃存在不易再加工成型,进一步热处理后生物活性和降解性会发生变化等问题。在生物玻璃研究的基础上,研究了一系列钙-硅体系的硅酸盐陶瓷,证实了这类生物陶瓷具有良好的生物活性和降解性,其生物活性和降解性与其化学组成有密切的关系,细胞实验显示这类硅酸盐陶瓷也具有促进细胞增殖分化和骨组织再生的作用,有望成为新一代骨修复材料。     

Preparation of nanocrystalline bredigite powders with apatite-forming ability by a simple combustion method

Nanocrystalline bredigite (Ca₇MgSi₄O₁₆) powders were synthesized by a simple solution combustion method. Phase pure bredigite powders with particle sizes ranging from 234 to 463 nm could be obtained at a relatively low temperature of 650 °C. The apatite-forming ability of the bredigite powders was examined by soaking them in a stimulated body fluid. The compositional and morphological changes of the powders before and after soaking were analyzed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy and the results showed that hydroxyapatite was formed after soaking for 4 days.     

Electrical properties of garnet-like lithium ionic conductors Li5+xSrxLa3--xBi2O12 fabricated by spark plasma sintering method

A typical approach involving Pechini method and spark plasma sintering (SPS) method was presented for the preparation of high density Li_5+xSr_xLa_3--xBi₂O₁₂ (x = 0, 1) ceramics. Phase formation, microstructure, grain size and electrical properties of the specimens were examined using XRD, SEM and alternating current impedance spectroscopy (ACIS). Dense Li₅La₃Bi₂O₁₂ and Li₆SrLa₂Bi₂O₁₂ ceramics with pure garnet-like phase, relative density of 97% and average grain size of about 5 μm were fabricated using this approach. The total conductivities at 298 K of Li₅La₃Bi₂O₁₂ and Li₆SrLa₂Bi₂O₁₂ ceramics prepared by the SPS method are 5.1×10^-5 and 6.8×10^-5 S/cm, respectively, 2 times higher than that of samples prepared by the conventional sintering method.     

In2O3/InNbO4复合材料的热电性能研究

In₂O₃作为一种良好的光电和气敏材料, 因高温下具有优异的热电性能在热电领域也获得广泛关注。本研究通过固相反应法结合放电等离子烧结(SPS)成功将原位自生的InNbO₄第二相引入到In₂O₃基体中, 优化了块体样品的制备工艺。同时, InNbO₄改善了样品的电输运性能, 使载流子浓度明显提高, 在1023 K时电导率最高可达1548 S·cm^-1, 高于大多数元素掺杂的样品。其中, 0.998In₂O₃/0.002InNbO₄样品的热电性能测试表明, 在1023 K时, 其功率因子可达到0.67 mW·m^-1·K^-2, 热电优值(ZT)达到最高值0.187。综上所述, 通过在In₂O₃中原位复合InNbO₄第二相可以很好地改善In₂O₃基热电陶瓷的电性能, 进而调控其高温热电性能。     

羟基磷灰石/Ti-13Nb-13Zr复合材料的组织性能与细胞相容性评价

为了改善Ti-13Nb-13Zr医用钛合金的生物活性与细胞相容性,利用放电等离子烧结(SPS)技术制备了Ti-13Nb-13Zr合金和羟基磷灰石(HA)含量5wt%的5HA/Ti-13Nb-13Zr复合材料并进行退火处理,研究了两种材料的显微组织、力学性能、表面润湿性、体外矿化行为及细胞增殖与凋亡等生物学性能。结果表明：合金主要由β-Ti和α-Ti相组成,复合材料由β-Ti、α-Ti、HA相及少量陶瓷反应相(Ca₃(PO₄)₂、CaZrO₃、CaO)组成,退火后部分初生α-Ti转变为β-Ti且组织更均匀,HA的加入会使得晶粒细化;退火后两种材料抗压强度、屈服强度、屈强比和弹性模量均略微下降;HA的加入提高了复合材料亲水性、类骨磷灰石形成能力、细胞增殖率并降低了细胞凋亡率;综合分析,退火后的5HA/Ti-13Nb-13Zr复合材料抗压强度、屈服强度和弹性模量分别为(1 744±9) MPa、(1 493±12) MPa和(43±1.6) GPa,具有优异的类骨磷灰石形成能力,同时细胞增殖率达到99.1...     

机械合金化和SPS工艺制备9CrWTi-Y2O3/铁素体-马氏体钢

采用机械合金化(MA)和放电等离子体烧结(SPS)工艺制备了9CrWTi-0.35%Y₂O₃氧化物弥散强化铁素体-马氏体钢(9CrWTi-0.35%Y₂O₃/FMs)。利用SPS温度和位移测量装置、 OM、 FE-SEM、 TEM、 EDX表征了材料烧结收缩曲线及热处理前后的显微组织和成分, 并采用电子拉伸试验机测试了室温拉伸性能。结果表明: 9CrWTi/FMs和9CrWTi-0.35%Y₂O₃/FMs在烧结过程出现液相烧结特征。提高烧结温度和压力, 9CrWTi-0.35%Y₂O₃/FMs孔隙度减小, 密度提高, 晶粒变细, 抗拉强度增加, 但延伸率仅为2%左右。富集Y-Ti-O的弥散相颗粒大小为5～20 nm, 较均匀地分布在基体上。9CrWTi-0.35%Y₂O₃/FMs烧结态、 10%盐水淬火态及750 ℃高温回火态的显微组织分别为等轴铁素体、 细长板条马氏体及等轴和残余铁素体。9CrWTi-0.35%Y₂O₃/FMs烧结体经盐水淬火、 回火后, 抗拉强度、 屈服强度和总延伸率由1554 MPa、 1430 MPa、 1.8%变为1198 MPa、 1006 MPa和12.8%。     

燃烧法合成铪酸钇粉体及其透明陶瓷的制备

以硝酸钇(Y(NO₃)₃)和氯化铪(HfCl₄)为原料, 乙二胺四乙酸(EDTA)作为燃剂, 采用燃烧法制备了粒径为50nm左右的纯相铪酸钇粉体. 粉体经1200℃煅烧后高能球磨15h, 然后在200MPa条件下进行冷等静压成型, 素坯尺寸为20mm×2.5mm, 最后采用真空烧结(1850℃保温6h), 制备出可见光波段直线透过率为50%的铪酸钇透明陶瓷. 研究了真空烧结温度对样品透过率和显微结构的影响, 当烧结温度高于1850℃时, 温度对于透过率影响不是很明显; 随着烧结温度的升高, 样品的晶粒尺寸增大.     

HA-SrCO_3-SiO_2复合涂层的制备及其生物活性

为制得在力学性能和生物活性方面都较为优异的羟基磷灰石(HA)复合涂层,首先,通过添加二元成骨微量元素化合物SrCO_3和SiO_2,以壳聚糖为造孔剂,采用电泳沉积的方法辅以高温烧结制得HA-SrCO_3-SiO_2复合涂层;然后,使用FTIR、XRD、SEM、EDS、万能材料试验机和电化学工作站对复合涂层进行测试与表征,并通过1.5倍离子浓度模拟体液的浸泡培养评价HA-SrCO3-SiO2复合涂层的生物活性。结果表明:HA-SrCO_3-SiO_2复合涂层与基体间的结合强度达28.6 MPa;在模拟体液中浸泡培养7d后,复合涂层表面完全碳磷灰石化,说明该复合涂层具有比单一掺杂成骨微量元素化合物复合涂层及纯HA涂层更为优异的生物活性。所得结论表明制得的HA-SrCO_3-SiO_2复合涂层有望开发成为新一代人工骨替代材料。     

1400℃放电等离子烧结制备MgO-B_(2)O_(3)增韧无金属黏结相WC硬质合金EI北大核心CSCD

为了降低无金属黏结相碳化钨(WC)硬质合金的烧结温度并获得较高的断裂韧度,采用MgO和B_(2)O_(3)协同增韧WC硬质合金。通过放电等离子烧结技术(SPS)在1400℃的较低温度下制备出致密的WC-MgO-B_(2)O_(3)硬质合金块体材料,研究MgO-B_(2)O_(3)对无金属黏结相WC硬质合金的烧结机理、微观组织演变以及力学性能的影响规律。结果表明:MgO-B_(2)O_(3)的添加促进了WC的烧结致密化,显著降低了无金属黏结相WC硬质合金的烧结温度。随着MgO-B_(2)O_(3)添加量的提高,组织中的部分第二相形貌发生显著改变,逐渐由短杆状转变为长杆状,再转变为聚集时的块状。当MgO-B_(2)O_(3)添加量达到8%(质量分数)时,块体材料具有较好的断裂韧度,为(9.45±0.37)MPa·m^(1/2),同时其硬度为(18.16±0.17)GPa。     

Nd3+:Lu2O3放电等离子烧结及光学性能

Lu₂O₃是具有高热导率而成为极具潜力的高功率激光介质材料。实验以商用氧化物粉体为原料, LiF为烧结助剂, 采用放电等离子烧结法制备了不同Nd³⁺掺杂浓度(C_Nd=0, 1at%, 3at%和5at%) Lu₂O₃透明陶瓷, 并研究了Nd³⁺掺杂浓度对Lu₂O₃陶瓷的物相、烧结性能、微观结构及光学性能的影响。结果表明：在高Nd³⁺浓度(5at%)掺杂后烧结样品仍为纯Lu₂O₃相;Nd³⁺掺杂对Lu₂O₃陶瓷烧结性能及微观形貌的影响有限;所有样品最终均表现出高致密性(99.5%以上)和优异的透光性能, 其中3at% Nd³⁺:Lu₂O₃的透过率最高, 在1064和2000 nm处的透过率分别为82.7和83.2%。Nd³⁺:Lu₂O₃透明陶瓷的最强发射峰位于1076和1080 nm;且随着Nd³⁺掺杂浓度的增加, 荧光强度降低, 寿命变短, 发生浓度淬灭。     

Processing, microstructure and properties of C40 Mo(Si,Al)2/Al2O3 composites

The C40 Mo(Si_0.75Al_0.25)₂/Al₂O₃ composites were prepared by spark plasma sintering (SPS) of mechanically alloyed (MA) powders. The Mo(Si_0.75Al_0.25)₂/0–20 vol.% Al₂O₃ materials, showing micron and submicron composite structure, possess a hardness of 13.9–14.6 GPa but a poor toughness of 1.78–1.80 MPa m^1/2. The addition of 30 vol.% Al₂O₃ leads to the formation of the micron C40 Mo(Si_0.75Al_0.25)₂/Al₂O₃ composite with an intergranular distribution of Al₂O₃, that results in a drop of the hardness to 10.2 GPa and an improvement of the toughness to 3.67 MPa m^1/2. The transition of the cleavage facets to the intergranular fracture with the addition of Al₂O₃ is assumed as the main toughening mechanism.