用于骨植入体的CF/PEEK复合材料的摩擦磨损性能及抗菌性能研究

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由于骨损伤疾病越来越多,有关人体植入材料的研究越来越重要。碳纤维(CF)增强的聚醚醚酮(PEEK)具有接近人骨的机械强度和模量,可被用于人工植入领域。但是PEEK的生物惰性会影响植入体的骨整合和周围组织生长,为了提高CF/PEEK复合材料的生物活性,需对其表面改性处理。然而,改性后的CF/PEEK作为植入材料,仍存在细菌感染等风险,在临床上会引发严重的并发症,危及患者生命。另外,如果植入材料的耐磨性能差,会产生磨屑,进而引发无菌松动导致植入失败。因此,本论文通过注塑法制备CF/PEEK复合材料,并对其表面改性处理及负载抗菌材料;并在PEEK中添加抗菌材料,于TC4合金基底上制备抗菌涂层。研究了改性后CF/PEEK复合材料及涂层的力学性能和摩擦磨损性能;并通过分析材料表面的润湿性、表面官能团种类、粗糙度、表面形貌等,探究表面结构及负载材料对CF/PEEK复合材料和涂层的摩擦磨损和抗菌性能(金黄色葡萄球菌S.aureus、大肠杆菌E.coli和变形链球菌S.mutans)的影响。具体的研究内容及结果如下:1.利用注塑法获得不同碳纤维含量的CF/PEEK复合材料,研究发现,CF的添加降低了PEEK的摩擦系数,且添加量为25 wt.%时的耐磨性能较好(Vm=0.37×10-3 mm3)。碳纤维添加量为40 wt.%时对S.aureus,E.coli和S.mutans的抗菌率较高,分别为78.47±13.05%,85.80±11.23%和87.43±10.15%。2.采用硝酸刻蚀和负载氯化钙的方法改性25 wt.%CF/PEEK复合材料表面。发现硝酸及氯化钙处理后的样品表面润湿性提高,表面粗糙度降低,样品的表面亲水性和磷灰石形成能力增强。同时硝酸改性降低了CF/PEEK复合材料的压缩性能和磨损性能。硝酸改性能够有效提高CF/PEEK复合材料对S.aureus,E.coli和S.mutans的抗菌活性,抗菌率分别为99.27±0.32%,99.04±0.86%和70.81±2.75%。3.利用浓硫酸和浓硝酸改性处理25 wt.%CF/PEEK复合材料,并在其表面负载GO和BP抗菌材料。研究发现,磺化处理明显降低了复合材料的摩擦磨损性能,GO的负载能够改善提高磺化样品的摩擦磨损性能;硝酸改性对CF/PEEK复合材料摩擦磨损性能影响不大。硝酸改性及负载GO和BP均能够辅助提高样品亲水性,其中负载BP的效果较为明显(SBP和NBP接触角分别为39.57±6.26°和42.44±2.64°)。磺化改性后负载BP能够提高CF/PEEK复合材料对S.aureus的抗菌性(抗菌率达到96.87±2.36%),负载GO提高了对S.mutans的抗菌性能(抗菌率为89.00±9.72%);硝酸改性样品对E.coli的抗菌率最高,为96.03±3.86%,而后负载BP使S.aureus的抗菌性能得到提高(94.47±2.85%)。综合来看,磺化后负载BP对三种细菌都表现出不错的抗菌性,且磨损体积低于所有磺化样品,亲水性也得到明显提高。4.利用静电喷涂法在TC4基底上制备25 wt.%CF/PEEK/GO或BP复合抗菌涂层。研究发现,由于CF和GO都能有效提高涂层的摩擦性能,25CF/PEEK/GO涂层的摩擦系数最小。涂层中GO和BP的引入对S.aureus的抗菌作用很明显,其抗菌率分别为92.70±2.57%和96.67±2.40%,而GO和BP的引入对E.coli和S.mutans的抗菌性能是降低的。
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