碳/碳表面强韧型掺杂HA/石墨烯涂层的超声水热电沉积新工艺基础研究

Hydroxyapatite (HA) coated Carbon/carbon(C/C) composites are promising materials for applications in bone replacement and repairment fields. The current issue of them for use in clinic is how to prepare HA on complex shaped C/C with good adhesive performance. To overcome this problem, in this project, a novel technology, ultrosonic and hydrothermal electrodeposition (UHE), is put forward to fabricate a strengthened and toughened doped HA/graphene coating on complex shaped C/C. The project is aimed to study the preciptation regularities of calcium phosphate coatings prepared by UHE, and optimize a well bonded HA coating on C/C, and simultaneously, built a physical and mathmatical model for description of the HA deposition process, so as to clarify the nucleation and growth mechanisms of HA on C/C, and disclose the ultrasonic wave and hydrotherml synergistic effects on the formation and growh of the HA coating on C/C.On the basis of these studies, the deposition routines of doped HA/graphene coatings will be explored, and their strengthened and toughened mechanisms will be discussed.Finally, the optimised doped HA/graphene coating will be achieved, and the behaviors of its response to bone tissues will be investigated in vitro and vivo, which will provide the theory evidences for its futher clinic applications.

羟基磷灰石（HA）涂层－碳/碳复合材料(C/C）是一种很有潜力的骨植入和替换材料。该材料当前存在的主要问题是在型面复杂C/C表面制备均覆性好、结合性能高的HA涂层。本项目拟借助超声水热电沉积新工艺，在复杂型面C/C表面制备强韧型石墨烯/掺杂HA涂层。深入研究，新工艺中，钙磷涂层的沉积规律，优化出高结合强度的HA涂层，同时对沉积过程建模，研究HA涂层的形核和生长动力学规律，阐明超声、水热在涂层形成和沉积过程中的协同作用机理，揭示其具有高结合强度的本质原因。以此为基，探索新工艺共沉积石墨烯/掺杂HA进行强韧化的新途径，研究掺杂HA与石墨烯共沉积及强韧化机理，并对其进行优化，最终，在型面复杂C/C表面获得稳定性高、均覆性好、结合性能优异的强韧型掺杂HA/石墨烯复合涂层。同时，考察涂层体内、外骨组织响应行为，为该材料其进入临床提供理论依据。

羟基磷灰石（HA）涂层/碳/碳复合材料（C/C）是一种很有潜力的骨植入和置换结构功能复合材料。在异型C/C植入体表面制备结合强度高、不发生灾难性破坏的HA是当前需要解决的主要技术难题。为了解决这一问题，我们在水热电沉积基础上，设计和制备了一种新型的超声水热电沉积设备，以此发展处一种新的技术——超声水热电沉积。在获得两者工艺规律的基础上，我们发现直接在电解液加入过氧化氢和引入超声，不仅可以消除C/C表面形成的纳米气泡，而且可以提高涂层的致密度，因此HA涂层结合力科达到临界载荷29N和39.7N。发现新工艺所制备的掺入Na强化的HA涂层结合力可至临界载荷值43.16 N，维氏硬度为212.5 HV，和人体皮质骨性能相当。发现硅酸钠生物玻璃添加至电解液可获得SiO2/HA复合材料涂层，涂层结合力可至临界载荷31.63N。为避免涂层灾难性失效，获得了具有聚乙烯醇/氧化石墨烯（PVA/GO）、聚多巴胺（PDA）、聚多巴胺/聚乙烯醇（PDA / PVA）及聚多巴胺/聚乙烯醇/氧化石墨烯（PDA / PVA / GO）为中间层的HA涂层，因石墨烯的增强作用，HA涂层的结合强度可以达到临界载荷41.04 N、34.5 N、48.43 N和51.54 N，超过了目前超声速等离子喷涂报道的数据；因石墨烯的裂纹偏转作用，HA涂层失效出现涂层内部，而不是涂层与基体之间。新工艺所制备的HA涂层和水热电沉积所制HA的体外生物活性没有显著差异，但是所制复合涂层具有更佳的生物活性，细胞和动物实验都显示所制的涂层都具有良好的生物相容性。以上数据表明，超声水热电沉积和水热电沉积工艺在碳/碳复合材料表面制备羟基磷灰石涂层具有广阔的应用前景。