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基于碳骨架的多孔医用金属材料制备与性能表征

作　者: 郭敏
导　师: 郑玉峰
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: 生物材料多孔碳骨架多孔钯多孔银化学镀电镀
分类号: R318.08
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

医用多孔金属材料，由于独特的孔隙结构可以在避免应力遮挡效应的同时，实现生物固定，近年来受到人们的关注，并取得了较好的临床结果，但是它们具有一些与生俱来的局限，比如低的孔隙度和相对高的弹性模量。金属钯和金属银具有优异的耐蚀性和良好生物相容性，在医学领域的应用越来越受到重视。银还有独特的抑菌性能，被作为抗菌剂广泛应用于医疗保健和疾病治疗。但是，目前尚未见多孔钯和多孔银的研究报导。本文设计了具有三维贯通孔隙结构的多孔碳骨架，通过化学镀、电镀的方法在其上制备金属钯（银）层，通过对化学镀和电镀工艺参数的优化和调整，最终获得孔隙结构可调的多孔钯（银）的新型多孔金属材料，并对多孔钯（银）的孔隙结构、物相组成、压缩行为和生物相容性进行表征，此外还研究了多孔银的抗菌性能。研究结果表明，以不同孔径的聚氨酯海绵为基体，经过酚醛树脂处理及固化，制得的固化泡沫在1100oC真空条件下热解，成功制备了类似泡沫状结构，孔径尺寸287²020μm的多孔碳骨架，制得的多孔碳骨架是一种典型的短程有序的非石墨化玻璃炭材料。1100oC热解使固化泡沫在轴向和径向尺寸产生14¹5%的收缩，两个方向上的收缩是同步的，总体收缩量基本保持相等。孔径55ppi的聚氨酯海绵经酚醛树脂处理固化后1100oC真空热解，所得的多孔碳骨架孔隙率高达95%，孔隙贯通，平均孔径为602±93μm，可作为后期化学镀、电镀的多孔基体材料。制得的多孔碳骨架具有较低的细胞毒性，显示了优良的生物安全性能。以多孔碳骨架为基体，通过化学镀钯、电镀钯工艺成功制得多孔钯。通过对各工艺参数的研究，确定优化制备工艺为：化学镀钯PdCl22g/L，N2H₄10ml/L，EDTA60g/L，NH₄OH340ml/L，pH11，Ce添加剂1.5g/L；电镀钯电流密度1.5A/g，pH值9.0，温度50oC、糖精添加剂2.5g/L。使用优化制备工艺通过调整电镀时间制得了孔隙度82.9%⁶3.5%，表观密度91.7³19.6mg/cm³，孔径尺寸500⁶00μm的高度贯通类似松质骨的多孔钯，制备的钯镀层为面心立方钯单质。多孔钯的孔隙度、表观密度和平均孔径尺寸，均与天然松质骨接近。多孔钯的弹性模量为11.5⁶7.6MPa，与股骨和脊柱部位的松质骨的弹性模量相匹配。多孔钯在模拟体液条件下离子溶出量较低，显示了较低的细胞毒性。制备的多孔钯可作为潜在的植入器械表面多孔涂层应用于齿科种植体或人工关节植入器械中。以多孔碳骨架为基体，通过化学镀银、电镀银工艺成功制得多孔银。通过对各工艺参数的研究，确定优化制备工艺为：化学镀银AgNO316g/L，NH3H2O80ml/L，NaOH12g/L，C₆H₁₂O₆21g/L，C2H5OH75ml/L；电镀银4A/g，pH值9.0，温度25oC。使用优化制备工艺，通过不同的电镀时间，成功获得孔隙度68%⁸1%，表观密度13.1⁹7mg/cm³，平均孔径387⁵75μm的多孔银。制备的多孔银为面心立方银单质，具有高度贯通类似松质骨的孔隙结构；孔隙度、表观密度和平均孔径尺寸，均与天然松质骨接近。不同孔隙度多孔银的弹性模量为1.94⁴9.3MPa，股骨部位的松质骨的弹性模量相近，并且多孔银的压缩行为可以用Gibson-Ashby提出的松质骨力学模型解释。此外，多孔银在模拟体液条件下离子溶出率较低，显示了可以接受的细胞毒性，和优异的抑菌性能。热处理使电镀多孔银镀层致密，提高了多孔银的力学性能，但是影响了多孔银在SBF中的离子溶出行为，降低了生物安全性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-26
  1.1 概述  12-13
  1.2 医用多孔金属材料  13-21
    1.2.1 医用多孔金属材料的分类及应用  13-14
    1.2.2 医用多孔金属材料的制备方法  14-21
  1.3 医用贵金属及其研究现状  21-23
  1.4 本论文的研究意义及主要研究内容  23-26
第2章实验材料及实验方法  26-38
  2.1 试验材料及所用设备  26-28
  2.2 多孔金属的制备  28-32
    2.2.1 多孔碳骨架的制备  28-29
    2.2.2 多孔钯（银）的制备  29-31
    2.2.3 对沉积速率和电流密度的改进  31-32
  2.3 测试表征方法  32-37
    2.3.1 热重分析  32
    2.3.2 化学结构分析  32
    2.3.3 表观密度和孔隙度的测定  32-33
    2.3.4 表面及截面形貌分析  33
    2.3.5 化学成分分析  33
    2.3.6 物相组成分析  33-34
    2.3.7 压缩性能测试  34
    2.3.8 离子溶出分析  34
    2.3.9 细胞毒性评价  34-36
    2.3.10 抑菌性能测试  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第3章多孔碳骨架的制备及其表征  38-49
  3.1 引言  38
  3.2 多孔碳骨架的制备  38-46
    3.2.1 聚氨酯海绵预处理  38-40
    3.2.2 固化泡沫的热解行为  40-44
    3.2.3 固化泡沫的热解机理  44-46
  3.3 多孔碳骨架性能表征  46-48
    3.3.1 多孔碳骨架的孔隙结构  46-47
    3.3.2 多孔碳骨架的细胞毒性  47-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章多孔钯的制备及其性能表征  49-86
  4.1 引言  49
  4.2 化学镀钯工艺优化  49-55
  4.3 稀土添加剂对化学镀钯的影响及其机制  55-68
    4.3.1 化学镀钯稀土添加剂的选择及优化  56-58
    4.3.2 稀土添加剂对表面形貌的影响  58-61
    4.3.3 稀土添加剂对表面成分的影响  61-63
    4.3.4 稀土添加剂对物相组成的影响  63-64
    4.3.5 稀土添加剂对细胞毒性的影响  64-65
    4.3.6 稀土元素对化学镀钯的影响机制  65-68
  4.4 电镀钯工艺优化  68-75
  4.5 多孔钯的性能表征  75-84
    4.5.1 多孔钯的孔隙结构和表面形貌  75-78
    4.5.2 多孔钯的物相组成  78-79
    4.5.3 多孔钯的压缩性能  79-82
    4.5.4 多孔钯的离子溶出行为  82-83
    4.5.5 多孔钯的细胞毒性  83-84
  4.6 本章小结  84-86
第5章多孔银的制备及其性能表征  86-116
  5.1 引言  86-87
  5.2 多孔银的制备工艺优化  87-93
    5.2.1 化学镀银工艺优化  87-90
    5.2.2 电镀银工艺优化  90-93
  5.3 多孔银的性能表征  93-105
    5.3.1 多孔银的物相组成  93-94
    5.3.2 多孔银的孔隙结构表征  94-96
    5.3.3 多孔银压缩性能  96-100
    5.3.4 多孔银的离子溶出行为  100-101
    5.3.5 多孔银的细胞毒性  101-102
    5.3.6 多孔银的抑菌性能  102-105
  5.4 热处理多孔银性能表征  105-114
    5.4.1 热处理多孔银的物相组成和表面形貌表征  106-108
    5.4.2 热处理多孔银的压缩性能  108-109
    5.4.3 热处理多孔银的离子溶出行为  109-110
    5.4.4 热处理多孔银的细胞毒性  110-112
    5.4.5 热处理多孔银的抑菌性能  112-114
  5.5 本章小结  114-116
结论  116-118
参考文献  118-136
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  136-137
致谢  137

基于碳骨架的多孔医用金属材料制备与性能表征

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