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碳/碳生物材料及其应用 曹 盛 2009.5 三、碳/碳表面生物活性涂层 直接植入后在界面处会因摩擦产生一些碳碎片； 生物惰性材料，表面疏水，不具有传导或诱导骨组织再生功能。 为使其具有一定的生物活性并减少碳碎片，必须对其进行表面改性。 法国的Louis、捷克的Pesakov V波兰的M. Lewandowska-Szuiel等均使用化学气相沉积法在碳/碳复合材料表面沉积一层热解碳，并进行植入生物体的试验，可以减少碳颗粒的释放，取得较好的试验结果。 捷克的Lucie B等采用等离子增强的物理气相沉积技术，在碳/ 碳复合材料表面涂覆C-Ti 层，减少碳颗粒的释放。 医用C/C复合材料 各种C/C植入体 衍生出的C/C植入体 植入体与骨体系的生物力学研究 采用溶胶-凝胶法在碳/碳复合材料上制备了二氧化硅和硅酸钙涂层，并其将浸泡在模拟人体体液和天然人体体液中观察生物学特性，实验发现其表面可诱导含碳酸根磷灰石的成核和生长，硅酸钙涂层比二氧化硅涂层更有效，天然人体体液与模拟体液相比能提高磷灰石的沉积与生长。表明该预涂层能提高碳/碳复合材料表面的生物矿化过程；在生理环境下，碳/碳复合材料表面形成含碳酸根磷灰石可能是与骨直接键合的重要步骤。 溶胶-凝胶法 采用等离子增强的物理气相沉积技术，在由单向碳纤维和酚醛树脂制备的碳/碳复合材料表面涂覆C-Ti层。 物理气相沉积法(PVD) 四、碳/碳植入体临床应用研究 National Science Centre “Kharkov Institute of Physics and Technology”(NSC KIPT) 乌克兰国家科学中心哈里科夫技术物理研究院 1986年起碳/碳复合材料人工骨及人工关节的应用研究 制备 C/C植入体 热梯度CVI设备 植入体的固定原则 通过螺丝连接: 植入板固定在骨外皮层 螺丝交叉 – 60-90° 植入板的弹性变形 = 骨折处的弹性变形 = 刺激骨膜和骨伽的形成 “implant-bone” system 刚度的40-64％取决于植入体的形状和大小。 “implant-bone” system 的可靠性优于传统的固定模式，因为该体系可以承载更多的负载。 “implant-bone” system 允许骨折处的弹性变形。 1 生物炭材料 2 碳/碳生物材料 4 碳/碳植入体临床应用研究 3 碳/碳表面生物活性涂层 5 现状与展望 内 容 炭材料具有很多形式 准晶热解炭 应用于植入体，主要是热解炭的涂层 主要应用于牙科的骨植入 炭材料 金刚石 石墨 非晶玻璃碳 一、生物炭材料 碳纤维 应用于肌腱，韧带 玻璃碳是通过控制某些有机物（如酚醛树脂、糖醇树脂）的加热分解过程，使聚合物的挥发组分失掉，留下一种像玻璃状的残留物。 特点：密度低，各向同性，与热解炭相比，机械性质差，因此应用较少。 玻璃碳 热解炭是在1000-2400℃范围内，将碳氢化合物在流化床内进行热解，使炭沉积在加工好的基体上. 医用上只用1500 ℃以下沉积的炭，称为低温各向同性炭（LTI炭），厚度可达1mm. LTI炭心脏瓣膜 热解炭 各向同性 无石墨良好的润滑性 1958年，美国Chance Vought航空公司实验室为了测定碳纤维增强酚醛树脂基复合材料中的碳纤维含量，由于实验过程中的失误，聚合物基体没有被氧化，反而被热解，意外得到了碳基体。 制备承重骨和关节的焦点集中在了碳纤维增韧碳/石墨复合材料上——C/C复合材料。 与金属假体相比,碳/ 碳假体具有更好的应力传递能力、没有疲劳损伤. Amds 将碳/碳复合材料用于老鼠股骨 碳/ 碳复合材料具有极优异的硬组织相容性,骨皮层组织对它可很快适应,在碳/ 碳复合材料与骨之间没有形成任何过渡软组织层,也没有出现任何炎症反应 . Christel 等通过股骨植入实验、疲劳实验及有限元法评价了碳/ 碳复合材料髋关节的生物力学性能。 化学稳定性、不释放对人体产生毒、副作用的可溶物和高的静态及疲劳强度 . 二、碳/碳生物材料 国外研究现状 首先考察了碳/碳复合材料用做人工髋关节的可行性，结果表明，其生物力学稳定，抗疲劳性能好，临床实验也证明其化学性质稳定，不释放对人体产生毒副作用的可溶物，是性能优良的髋关节假体材料 。 研究了用溶胶-凝胶方法在碳/碳复合材料表面制备二氧化硅和硅酸钙涂层，该涂层可以提高碳/碳复合材料的表面生物矿化过程。 研究了碳/碳复合材料植入人体后，没有发现骨骼组织的坏死现象。 法国 波兰 俄罗斯 研究了多种不同基体和增强相的碳/碳复合材料的摩擦学特性和磨粒的生物学反应，结果表明，碳/碳复合材料磨损率低，磨粒直径