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。
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。
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数据更新时间:2023-05-31
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