纳米石墨烯增强硅酸钙生物相容涂层研究

与基材结合强度高、综合性能优良的长寿命生物活性涂层材料是生物材料领域一直以来的研究重点。本项目拟用纳米石墨烯增强生物活性硅酸钙材料制备复合粉体，以真空等离子体喷涂技术制备涂层。优化喷涂工艺参数，探查喷涂粉体组分构成、制备方法及喷涂工艺因素等对涂层显微结构、相组成等的影响。考察石墨烯掺杂对硅酸钙涂层生物学、机械力学等性能影响，分析石墨烯的纳米尺寸、高比表面积特性在硅酸钙材料增强增韧方面的特殊效应。以体外细胞培养和动物体内植入试验考察涂层材料的生物相容性，阐述涂层材料组分、显微结构等对成骨细胞行为及骨性基因表达等方面的影响，考察材料与宿主骨组织的界面行为及骨整合机制，分析生理体液对复合涂层的作用规律及机制机理。初步研究涂层的抗菌性能及抗菌机理。最终获得综合性能优良的生物相容涂层，为新型生物涂层材料的制备及临床应用提供实验数据和科学依据。

具有良好生物活性、与基材结合强度高、综合性能优良的长寿命生物相容涂层一直是骨替代材料研究的重要方向。本项目尝试采用多种粉体技术制备了不同石墨烯掺杂硅酸钙复合粉体，石墨烯掺杂量分别为0.5 wt.%、1.5 wt.%、4 wt.%，并采用真空等离子体喷涂技术制备了相应涂层,优化了相应喷涂参数。考查了粉体技术、掺杂量及喷涂参数等工艺条件对涂层显微结构及性能影响。涂层经SEM、TEM、微区Raman等技术检测发现，石墨烯能在等离子体喷涂高温过程中很好保存，且与硅酸钙基质具有良好润湿性能。经石墨烯掺杂的硅酸钙涂层摩擦磨损性能较纯硅酸钙涂层明显提高。经1.5 wt.%石墨烯掺杂的复合涂层，在模拟生理条件下（载荷为10N、行程为500m）的磨损量为1.3 ± 0.2 mg，几乎只有纯硅酸钙涂层的1/20 (28.6 ± 0.5 mg)。对其磨损机理的研究发现，石墨烯掺杂后的弥散增韧和良好润湿性能是导致涂层耐磨性能提高的主要原因。体外细胞培养实验发现，涂层具有良好细胞相容性，骨髓基质干细胞在其上的粘附、增殖及骨性分裂基因表达较皆有明显提高。动物体内实验也验证，石墨烯掺杂后涂层在体液环境中的稳定性得到改善。掺杂涂层不但具有良好生物相容性，而且具有抗菌性能。其抗菌机理跟材料引起细胞壁的破坏有关。综上所述结果可发现，掺杂石墨烯硅酸钙涂层具有较良好综合性能，可应用于承重骨替换材料表面处理。