【课件】生物医用复合材料PPT

2.溶解与润湿结合
溶解和润湿结合是基体与增强体之间发生润湿（接触角 ﹤90°），并伴随一定程度的相互溶解（也可能是基体和增强 体之一溶解于另一种中）而产生的一种结合形式。这种结合是 靠原子范围内电子的相互作用产生的，因此要求复合材料各组 分的原子彼此接近到几个原子直径的范围内才能实现。增强体 表面吸附的气体和污染物都会妨碍这种结合的形式。所以必须 进行预处理，除去吸附的气体和污染膜，在生物无机复合材料 中常常会利用低软化点的玻璃相使增强体与基体材料达到相互料在循环应力作用下的性能。由长3mm的热解 碳纤维无规则地分布于超高分子质量聚乙烯基体中形成的复合 材料，含10%～15%体积碳纤维时，其强度、刚性、抗疲劳 和抗摩擦性能均显著地高于聚乙烯。碳纤维的抗疲劳强度很高， 基体材料塑性好，即使出现了裂纹，但塑性形变能使裂纹尖端 锐化，从而减缓扩展，增强相与基体间的界面也能有效地组织 疲劳裂纹的扩展。
3.抗生理腐蚀性好
人体是一个极其复杂的生理环境，存在着影响材料性能的 各种因素，当材料植入体内后，与器官直接接触，就会对人体 组织产生多种反应；同时，人体也会对材料产生种种影响。对 金属材料来说，其主要问题就是腐蚀问题，体内的血液、间质 液、淋巴和滑液中均含有蛋白质、有机酸、碱金属和无机盐， 其中Na+、K+、Ca2+、Cl－等离子均为电解质，可使金属产生 均匀或一般腐蚀。而氧化铝和氧化锆等陶瓷具有高的耐磨性和 抗生理腐蚀性，可用于制造钛合金等人工髋关节的股骨头。等 离子喷涂的无机陶瓷-钛基人工种植牙和人工髋关节，赋予钛 合金表面以良好的生物活性和抗生理腐蚀性能，有效阻隔金属 离子向组织的析出。
化学结合力就是化学键，它在金属基复合材料中有重要作 用。
根据上面三种结合力，生物医用复合材料界面的结合可以 有下面几种方式。
1.机械结合
这是基体与增强体之间纯机械性连接的一种结合形式，它 由粗糙的增强体表面及集体的收缩产生摩擦力完成。机械结合 在某些情况下是很重要的，特别对于表面粗糙并有沟槽的增强 体（如碳纤维），如同在正压力下把基体压入沟槽，最终形成 机械的“锚固作用”，增强其界面的结合能力。事实上，纯粹 的机械结合很难再复合时实现，但机械结合方式却存在于所有 的复合材料之中。
第六章 生物医用复合材料
第一节 概述
一、生物医用复合材料的概念
生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而 成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人 工器官的制造。
二、生物医用复合材料的分类
根据复合材料的三要素分类如下：
（1）按基体材料分类，有陶瓷基生物医用复合材料、高分子 基生物医用复合材料、金属基生物医用复合材料。
第二节 生物医用复合材料的界面 与复合准则
一、生物医用复合材料的界面
复合材料界面是指复合材料中增强体与基体接触所构成 的界面。事实上复合材料界面是一层具有一定厚度（纳米以 上）、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新 相——界面相（或称界面层）。在考虑复合材料的复合条件 时，首先要对复合材料的界面性能作出评价。
（一）界面的浸润性
对复合材料浸润性的认识可以借鉴润湿理论加以解释。 把不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展 开来覆盖固体的表面，这一现象称为润湿现象或浸润，有时 液滴仍然团聚成球状不铺开，这一现象称为润湿不好或不润 湿（见图6-1）。增强体与基体材料的润湿与否是制备性能 良好的复合材料的必要条件。
图 6-1 液体对固体表面的浸润情况
（二）界面的结合力和界面结合类型
界面的结合力有三类：机械结合力、物理结合力和化学结 合力。
机械结合力就是摩擦力，它决定于增强体的比表面和粗糙 度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越大，基体收缩越大，摩 擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。
物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于所有复合材料 中，在聚合物基复合材料中占有很重要的地位。
4.力学相容性好
生物陶瓷和金属材料与人体骨相比，其弹性模量过高， 力学相容性欠佳，用于承力部位时，由于材料和骨的弹性形 变不匹配，常产生应力屏蔽效应，导致植入体松动而失效。 模仿人体骨结构制成的羟基磷灰石颗粒增强高相对分子质量 聚乙烯人工骨材料，可通过控制羟基磷灰石含量，调整材料 的弹性模量、断裂强度和断裂韧性，使之与自然骨接近，同 时又因羟基磷灰石加入而使其具有表面生物活性。
三、生物医用复合材料的特点
1.比强度、比模量高
高分子基生物医用复合材料的突出优点是比强度、比模量 （即强度与密度之比、模量与密度之比）高。比强度高的材料 能承受较高的应力，而比模量高则说明材料轻而且刚性大。石 墨和碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥，通常含 纤维2%～6%，与PMMA骨水泥相比，其抗拉强度和弹性模 量可分别提高50%和40%，而纤维定向排列还可使复合材料 具备各向异性。
颗粒增强医用复合材料主要是掺入一种或多种无机化合物 颗粒的陶瓷基、高分子基生物医用复合材料。掺入的颗粒分布 在基体中或作为增强材料，或作为添加材料填充在骨架之中增 进生物材料的生物学性能。颗粒的增强效果与粒子在复合材料 中所占的体积百分述、分布的均匀程度、颗粒的大小、形状等 因素有关。常用的颗粒有氧化锆（ZrO2）、氧化铝（Al2O3）、 氧化钛（TiO2）等氧化物颗粒和羟基磷灰石（HA）等生物活 性陶瓷颗粒。
（2）按材料植入体内后引起的组织材料反应分类，有近于生 物惰性的复合材料、生物活性复合材料和可吸收生物医用复 合材料，其具体分类和用途见表6-1。
（3）按增强体的形态和性质分为纤维增强生物医用复合材 料和颗粒增强生物医用复合材料。
纤维增强生物医用复合材料是以纤维为增强体而形成的一 类生物医用复合材料，作为增强体的纤维有碳纤维和其他陶瓷 纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维，基体材料主要是医 用高分子材料和生物陶瓷等。纤维在基体中起组成成分和骨架 作用，基体起粘结纤维和传递力的作用，纤维的性能、纤维在 基体中的含量、分布以及与基体材料的界面结合情况对复合材 料的力学性能影响较大。纤维增强生物医用材料，由于其结构 与人体组织非常相似，因此具有较大的发展潜力。