氧化石墨烯基杂化结构增强骨支架的制备与力学性能研究

作     者：杨锋 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：帅词俊

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：选择性激光烧结 聚合物骨支架 氧化石墨烯 力学性能 

摘      要：左旋聚乳酸(PLLA)具有良好的生物相容性和可降解性,结合选择性激光烧结技术(SLS)在骨支架个性化制备方面的优势,在骨缺损修复领域表现出巨大的应用潜力。但存在制备出的人工骨支架力学性能差的问题,制约了其进一步应用。氧化石墨烯(GO)纳米片具有优异的力学强度,添加到聚合物骨支架中可提高应力转移效率,从而改善骨支架的力学性能。因此,本文通过SLS制备了多孔互连的PLLA骨支架,并利用GO纳米片作为增强相改善了骨支架的力学性能,针对GO易团聚导致其对骨支架力学性能增强效果下降的问题,通过水热法在GO纳米片表面原位生长零维的纳米颗粒提高了纳米片在骨支架中的分散性;随后通过化学气相沉积(CVD)方法以零维的纳米颗粒为前驱体,在GO纳米片表面垂直生长具有更大长径比的一维纳米管,进一步改善了GO的分散性及其对骨支架力学性能的增强效果。论文的主要研究内容及创新点如下:1、利用SLS制备了PLLA骨支架,通过正交实验研究了激光功率、扫描速度和扫描间距对制备样品拉伸强度的影响规律。发现不同工艺参数对骨支架拉伸强度的影响程度依次为:激光功率扫描速度扫描间距,获得了较优的工艺参数:激光功率:6.00 W,扫描速度:100 mm/s,扫描间距:0.25 mm。查明工艺参数决定了激光能量密度,进而影响骨支架的成型质量:当能量密度过低时,粉末烧结不完全而无法形成致密的烧结层,当能量密度过高时,粉末会发生分解或气化而在骨支架内部形成孔洞等缺陷,降低了骨支架力学性能。2、针对SLS制备的PLLA骨支架力学性能差的问题,利用具有优异力学强度的GO纳米片改善了PLLA骨支架的力学性能。发现GO含量为0.75 wt%时复合骨支架表现出相对较好的力学性能,而当GO含量进一步增多时,复合骨支架的力学性能下降。查明骨支架中GO的含量和分散性能决定其力学增强效果:当GO分散性能较好时,由于GO作为增强相能促进应力转移效率,复合骨支架力学性能随着GO含量的增多而上升;当GO含量为1 wt%时,由于GO高的比表面积和表面能,导致其在骨支架中的分散性变差,力学增强效果下降。3、针对GO在PLLA中易团聚导致其对骨支架力学增强效果下降的问题,利用水热法通过正硅酸四乙酯(TEOS)的水解缩聚在GO纳米片表面原位生长二氧化硅(Si O)纳米颗粒,改善了GO纳米片在PLLA骨支架中的分散。发现当含量相同时,添加GO/Si O杂化结构的复合骨支架(拉伸强度:11.00 MPa,压缩强度:16.30 MPa)与添加GO纳米片的复合骨支架相比(拉伸强度:8.40 MPa,压缩强度:9.80 MPa),拉伸强度和压缩强度分别为提升了30.9%和66.3%。查明Si O纳米颗粒均匀生长在GO纳米片表面能够扩大GO纳米片的层间距,抑制了GO纳米片在骨支架中的团聚,提高了对骨支架力学性能的增强效果。4、为了进一步提升增强效果,以GO纳米片表面原位生长的Co基沸石咪唑酯骨架结构(Zif-67)纳米颗粒为前驱体,通过CVD方法在GO表面以顶端生长模式垂直生长了一维碳纳米管(CNT),构建了二维/一维杂化结构(GO/CNT),利用具有大长径比的CNT来进一步改善GO纳米片在骨支架中的分散性。发现一维的CNT相较于零维的Zif-67对GO的分散性能改善效果更加显著,且当添加量均为0.75 wt%时,添加GO/CNT的复合骨支架(拉伸强度:13.36 MPa,压缩强度:24.72 MPa)与添加GO/Zif-67的复合骨支架(拉伸强度:12.00 MPa,压缩强度:22.60 MPa)相比,拉伸强度和压缩强度分别提升了11.3%和9.4%。查明了GO/CNT在基体中主要通过桥连、拔出、裂纹偏转和钉扎效应吸收加载在骨支架上的应力,进而强化了骨支架的力学性能。图48幅,表4个,参考文献122篇