《人工關節固定表面生物活性塗層仿生構築及其性能研究》是依託蘇州大學，由陳瑤擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：人工關節固定表面生物活性塗層仿生構築及其性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳瑤
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
人工關節植入假體與骨組織固定界面穩定形成決定了假體在人體環境中的骨整合質量。為從根本上解決人工關節植入假體的穩定性固定，急需掌握人工關節/骨組織固定界面骨整合行為及其調控機理，並開發出同時具有高強韌性、優異骨傳導和抗摩擦磨損性能的生物活性塗層新材料。依據石墨烯優異的力學性能和良好的生物相容性與抗菌性能，針對等離子噴塗塗層層狀結構特點，本項目以扁平粒子界面及扁平粒子內部協同強韌化多尺度結構仿生構築植入假體固定表面生物活性塗層為設計思路，重點研究石墨烯/HA生物塗層多尺度結構仿生製備關鍵技術、塗層生物力學性能及其表面物理化學性質對成骨細胞貼附、增殖、分化行為、骨形成過程中骨相關基因有序表達的影響機制，闡明複合材料塗層強韌化的物理、力學機制，揭示塗層/骨組織固定界面骨整合行為及其調控機理，獲得植入假體固定理論新認識。
結題摘要
本項目重點研究石墨烯(Graphene nanoplatelet, GNS)/HA生物塗層多尺度結構仿生製備技術、塗層力學性能及成骨細胞貼附、增殖、分化行為。 結果表明，等離子噴塗GNS/HA 塗層中GNS均勻分布於HA基體，且塗層呈現了雙態結構（微米晶和納米晶共存）。塗層物相組成主要為HA、TCP、CaO及非晶相，隨著塗層中GNS含量的增加，塗層中HA結晶度略有增加（最高為~51.3%）。與HA塗層相比，1.0wt.% GNS/HA和2.0wt. %GNS/HA塗層的壓入屈服強度分別提高了~54.7%和~60.8%，塗層扁平粒子間的滑移阻力則提高了~8.7%和~6.5%，斷裂韌性提高了~32.2和~44.1，並具有較好的摩擦磨損性能。上述結果充分說明GNS對等離子噴塗HA塗層具有顯著的強韌化作用，且奧羅萬機制、GNS拔出、GNS阻礙裂紋擴展、GNS裂紋橋接、裂紋偏轉等是等離子噴塗GNS/HA塗層的重要強韌化機制。體外生物學性能測試表明，石墨烯的添加在一定程度可改善成骨細胞的貼附及其貼附強度，這主要源於GNS/HA塗層表面粗糙度、潤濕性及其剛度的改善。此外，GNS/HA塗層對成骨細胞的增殖、分化及在模擬體液中類骨磷酸鈣鹽的沉積均有一定的促進作用。 等離子噴塗GNS/HA塗層中HA結晶度較低，本項目採用熱處理+水熱反應（後面簡稱為熱處理）對等離子噴塗塗層進行後處理。結果表明，熱處理後等離子噴1.0wt.%GNS/HA及2.0wt.%GNS/HA塗層中晶態HA的體積分數分別為~71.6%、~75.4%，而且有助於等離子噴塗塗層中扁平粒子界面的消除，並使熱處理後2.0wt%GNS/HA 塗層的表面粗糙度較未處理前提高了2倍。與等離子噴塗GNS/HA塗層相比，熱處理後兩種成分的GNS/HA塗層的壓入屈服強度分別提高了~27.7%、~29.4%，但斷裂韌性無明顯改善。發現高溫熱處理不僅在石墨烯中引入較多的結構缺陷，還使石墨烯發生氧化造成其厚度、長度方向上的明顯減小，導致其增韌效果顯著降低。並且，熱處理後GNS/HA塗層的摩擦磨損性能得到明顯改善。研究發現，熱處理對GNS/HA塗層的成骨細胞貼附、貼附強度、成骨細胞的增殖與分化無顯著改善，且對GNS/HA塗層在模擬體液中類骨磷酸鈣鹽的沉積產生較大的副作用。
