SiC-SiCnw-CaP协同改性C/C复合材料的制备与生物学反应

基本信息
批准号:51872232
项目类别:面上项目
资助金额:55.00
负责人:张磊磊
学科分类:
依托单位:西北工业大学
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:郭振宇,韩宏宪,李伟,曹盛,刘守杰,郭瑶,裴李娜,管科杰
关键词:
热解碳结构设计碳陶复合材料碳碳复合材料力学性能
结项摘要

To solve the problems of bioinert and weak mechanical properties for curved surface of carbon/carbon composite implants, a modification methods composed of SiC-SiCnw-CaP is proposed. Firstly, SiC coating is applied on carbon fiber by chemical vapor deposition. Secondly, SiCnw was prepared inside carbon fiber preform by sol-gel method. Thirdly, CaP are prepared by ultrasonic-assisted electrochemical deposition method, Finally, SiC-SiCnw-CaP modified carbon/carbon composites are obtained by densification. The SiC coating improves the interface bonding between SiCnw and carbon fiber. The SiCnw could promote the mechanical properties whereas the CaP could endow the bioactivity for carbon/carbon composites. The morphological control and surface modification for SiCnw are explained. The uniform growth method for SiCnw inside carbon fiber preform will be obtained. The physical model, growth kinetic equation and growth mechanism of the CaP will be proposed. The mechanical properties, cell response and animal tissue response of the SiC-SiCnw-CaP modified carbon/carbon composites will be analyzed. The research will provide academic foundation for the further application of carbon/carbon composite implants.

本项目针对C/C复合材料骨骼植入体的生物惰性及其曲面区域力学性能薄弱的问题,提出采用SiC-SiCnw-CaP对C/C复合材料进行协同改性。首先采用化学气相沉积工艺在碳纤维表面制备SiC涂层,其次采用溶胶凝胶工艺在碳纤维预制体内部制备SiCnw,然后采用超声波辅助电沉积工艺制备CaP,最终经过致密化形成SiC-SiCnw-CaP共改性C/C复合材料。利用SiC涂层改善SiCnw与碳纤维的界面结合,借助SiCnw对C/C复合材料进行强韧化,依靠CaP赋予复合材料生物活性。探索SiCnw的生长形貌控制及表面改性措施,获得SiCnw在碳纤维预制体内部均匀生长的方法,构建CaP的形成过程物理模型并描述其生长动力学方程,进而阐明CaP的形成机理,揭示SiC-SiCnw-CaP改性C/C复合材料的力学性能、细胞学行为及动物体内的骨组织响应行为,从而为C/C复合材料骨骼植入体的广泛临床应用奠定理论基础。

项目摘要

针对C/C复合材料骨骼植入体的生物惰性及其曲面区域力学性能薄弱的问题,本项目主要研究了SiC-SiCnw-CaP共改性C/C复合材料的微观结构、力学性能、生物摩擦磨损性能和细胞学反应。力学测试结果表明SiC-SiCnw-CaP协同C/C复合材料的面外压缩强度为169 MPa,面内压缩强度为213 MPa,与人体骨骼压缩强度基本一致;弯曲强度为127 MPa,在人体骨骼弯曲强度范围内(80-160 MPa);模量为7.2 GPa,与人体骨骼模量范围要求相符(3-30 GPa)。SiCnws的引入有效地改善了复合材料的生物摩擦磨损性能,磨损率降低50.47%。体外细胞实验表明SiC-SiCnw-CaP协同C/C复合材料可以促进细胞的粘附、增殖和分化。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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