生物活性对磷灰石复合涂层摩擦学性能影响的研究

摘要

为了提高人工关节的生物活性和耐摩擦磨损性能，通常在其表面制备涂层以达到增强改性的效果。由于HA的生物活性和相容性十分突出，其应用也越来越广泛，特别是在损伤骨组织材料的替代和修复方面发挥了巨大的作用。但是 HA 仍然有容易发生脆性断裂以及与金属基底间的结合强度不够高的问题。近年来，研究者们为了解决这些问题采用了不同的方法制备羟基磷灰石与银、二氧化钛等复合涂层以提高其强度，壳聚糖（CS）等有机高分子也逐渐引起人们的关注。但是目前对这些复合涂层的研究还主要集中在力学性能与生物相容性上，关于其摩擦学性能的研究还鲜有报道。除此以外，体液中的众多的因素都会与植入材料发生相互作用，所以除了寻找和开发性能优异的新型植入体材料外，也有必要研究人体内环境中的主要活性物质（水、蛋白和矿物质）对人工关节摩擦学性能的影响。 本文在球-平面接触模式下进行往复滑动摩擦学试验，首先研究了羟基磷灰石/银（HA/Ag）、羟基磷灰石/银/壳聚糖（HA/Ag/CS）、羟基磷灰石/银/聚毗咯（HA/Ag/PPy）三种复合涂层的摩擦磨损性能；然后通过滴加碳量子点（CDs）溶液考察了碳量子点对三种HA/Ag复合涂层摩擦磨损性能的影响；在此基础上选定HA/Ag/CS/CDs复合涂层样品并在模拟体液中矿化不同时间，考察矿化层对改复合涂层摩擦学性能的影响；最后，研究了 HA/Ag/CS/CDs 复合涂层在不同的液体条件下的摩擦学行为。主要结论如下： （1）在试验的三种复合涂层中，摩擦学性能表现最好的是HA/Ag/CS涂层，这是由于CS在其中起到了至关重要的作用。CS可以使HA和Ag颗粒连成一片，增大了涂层的致密性，极大地提高了复合涂层的黏附性，改善涂层的弹性和韧性，起到保护基底的作用。此外，碳量子点的加入也显著改进了涂层的摩擦性能，这是因为涂层表面滴加的碳量子点起到了“纳米轴承”的作用； （2）经过不同矿化处理的涂层的摩擦学试验结果显示涂层表面的体外矿化层加剧了涂层的磨损。原因是表面的矿化层在摩擦过程中很快被排挤移除，产生的磨屑颗粒部分进入涂层与对磨副之间充当第三体磨粒，增大了摩擦系数和表面的裂纹，使得磨损情况加剧。 （3）对比在三种液体润滑条件下和干摩擦条件下的摩擦学试验结果：三种液体润滑条件下的摩擦系数与磨损量均高于干摩擦的情况。原因分析如下：高硬度的碳量子点微粒通过变形承载与滚动实现润滑，这种颗粒流润滑现象使得 HA/Ag/CS/CDs 涂层的摩擦学表现优异；处于三种液体环境下时，由于溶液中的离子与蛋白质的吸附作用，以及液体的流动使碳量子点不再具备发生颗粒流润滑的条件，因此摩擦系数增大，磨损加剧。PBS 缓冲液因为较强的腐蚀性，加上水对涂层的渗透作用，使本来结合强度不高的涂层受到破坏，从而导致磨损程度更高。25%与100%小牛血清溶液由于血清蛋白的润滑膜作用使得磨损程度相对较轻，但值得注意的是润滑作用并不是随着血清浓度增加而提高的。

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