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掺铜氧化锆增韧氧化铝陶瓷的制备及其摩擦学性能、生物相容性研究

氧化锆增韧氧化铝,体内自润滑,生物蛋白膜,类石墨碳润滑层

第四代陶瓷人工关节Biolox@delta因具有优异的力学性能、耐磨性和生物相容性而受到广泛关注，其主要成分为氧化锆增韧氧化铝（ZTA）。但第四代陶瓷人工关节在服役过程中仍存在假体碎裂、异响、磨损等临床并发症问题。针对上述临床并发症，本文提出金属元素掺杂氧化锆增韧氧化铝陶瓷，利用陶瓷材料表面释放金属离子的催化作用及陶瓷材料表面物理化学性质介导蛋白质在陶瓷材料摩擦界面吸附、变性、分解，最终转变成生物蛋白膜及类石墨碳润滑层，使陶瓷材料摩擦界面润滑层厚度增加，降低摩擦系数及界面接触应力，减轻陶瓷界面摩擦磨损及磨损裂纹的形成，降低陶瓷磨损、碎裂及异响发生几率，使陶瓷人工关节实现体内自润滑。本文采用快速热压烧结炉成功制备出不同铜含量的氧化锆增韧氧化铝陶瓷（0 wt.%、0.2 wt.%、0.7 wt.%和1.1 wt.%），采用场发射扫描电镜（SEM）、X射线衍射技术（XRD）对陶瓷材料的微观结构和成分组织结构进行表征，采用显微硬度计对材料的硬度进行测试，采用压痕法计算材料的韧性，并对材料的摩擦学性能和生物相容性进行表征和分析，摩擦磨损实验分别在空气、磷酸盐缓冲液（PBS）、白蛋白溶液（BSA，20mg/ml）中进行。研究结果发现，随着铜含量的增加，Cu/ZTA的孔洞增多，硬度降低。当掺铜量为1.1 wt.%时，断裂韧性得到改善。1.1 wt.%Cu/ZTA在空气、PBS和BSA都具有良好的耐磨性。当掺入铜后，Cu/ZTA的细胞相容性得到改善，但是炎症反应水平得到提高。因此为了对Cu/ZTA生物相容性的进行评价，还需进一步关注Cu/ZTA的炎症反应。