[发明专利]一种石墨烯增强钛基/纳米HA复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯增强钛基/纳米HA复合材料，包括质量分数的以下原料成分制成：改性石墨烯0.1‑3%、HA 5‑10%、镧0.05‑0.2%，余量为钛合金；所述钛合金是具有生物相容性的钛合金；所述HA是纳米级HA。同时，本发明还公开了一种制备方法，主要步骤为：石墨烯表面改性，配料，球磨，真空热压烧结。本发明优化的钛基/纳米羟基磷灰石复合材料整体混合均匀，弥散分布好，材料具有整体性，高度生物亲和性、稳定性，不含有害元素，对生物体没有危害，兼具钛合金和HA的功效，是一种优秀的生物功能原料。

技术领域

本发明属于生物复合材料制备领域，涉及一种钛基复合材料，特别涉及一种石墨烯增强钛基/纳米HA复合材料及其制备方法、性能研究/验证。

背景技术

作为常用的人工骨移植体材料，钛合金具有优秀的比强度、抗蚀性、耐久性，且钛合金在介入组织以后无炎症或免疫原性反应，属于生物惰性材料。

HA(Hydroxyapatite，羟基磷灰石)的成分与人骨无机质的成分相近，不但具有优秀的骨整合能力外，而且具备增加生物材料稳定性的作用。但HA的机械性质较弱，限制了其应用。

如果能够将钛合金和HA整合制成复合材料使之互补，则可以得到具有高断裂韧性和优秀的生物活性、骨诱导性和骨整合能力的移植生物材料，有助于骨损伤者恢复正常活动、改善生活质量。

因此，目前国内外关于Ti/HA复合材料的研究较为火热，特别是在涂层方面取得很大的进展。

Laι′sT.Duarte等发现电化学沉积制备的HA涂层在低倍下均匀连续地分布在钛合金表面，而高倍下表现为多孔球状的形貌，这有利于骨整合和药物传递。但其间存在一个有害的涂层-金属界面层。研究的重点由钛基HA涂层复合材料转向非涂层复合材料。

Wang X等发现Ti–35Nb–2.5Sn/15HA复合材料具有良好的耐蚀性和高的细胞活性(纯钛的1.4倍)。

G.Miranda等则用热压法成功制备了Ti₆Al₄V-HA复合材料，其结果表明HA产物弥散分布在基体上。由此，非涂层复合材料不仅解决了有害的涂层-金属界面层问题，而且钛进入HA的晶格，加强了HA的生物活性和生物相容性。钛粒子可以抑制HA的分解，同时钛进入HA的晶格加强HA的生物活性和生物相容性。

尽管如此，但复合材料仍存在着下列问题：

(1)弹性模量的不匹配会使得复合材料植入人体后会产生“应力屏蔽”现象。由于钛合金的模量远大于人体骨骼的模量，所以钛合金承担更多的应力作用，不利于新骨生长。

(2)高温烧结时HA剧烈分解和反应会使复合材料脆性增加，降低与钛的界面处的结合力和复合材料的强度；

(3)HA与钛合金的热膨胀系数的差异会使致密化难以实现。

石墨烯作为一种二维材料具有许多优异的性质：在所有材料中具有较高的力学性能。这些的性质使石墨烯成为各类研究的宠儿，尤其是材料科学领域。研究者通过将石墨烯作为纳米增强相与金属、陶瓷、高分子材料复合，希望以此来改善它们的力学性能、光学性能和电学性能等。

近年来，石墨烯被用作金属或复合材料的添加剂来改善其性能的研究已经越来越深入。其中，ZengRong Hu等发现单层氧化石墨烯增强钛基纳米复合材料中的氧化石墨烯在烧结过程中部分发生了含氧官能团的热解，但并未发现碳化物和氧化物的存在。

而复合材料的纳米压痕硬度(约11GPa)几乎是激光烧结纯钛3倍，模量值(约200GPa)也有了显著地增加。但石墨烯分散性和在复合材料中的完整性的难题依旧没有得到很好的解决。

但石墨烯增强HA或Ti复合材料存在下列问题需要解决：