碳纖維增強(qiáng)BT-HA復(fù)合材料的制備與性能

王阮彬，程麗乾，逯景桐，金若其，賀銘哲，閆樹浩，蔣大梅，鄧世捷，褚祥誠

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.清華大學(xué)材料學(xué)院新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室，北京 100084；3.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083；4.佛山(華南)新材料研究院，佛山 528000)

0 引 言

骨骼是人體重要的器官之一，然而每年由于交通事故[1]、腫瘤、感染以及先天疾病而需要進(jìn)行的骨缺損手術(shù)多達(dá)幾百萬例[2]。目前臨床上治療骨缺損的方式主要有自體骨移植[3]、異體骨移植和人工骨移植[4]。自體骨具有良好的骨誘導(dǎo)性和骨傳導(dǎo)性，無免疫排斥反應(yīng)[5]，但是存在來源不足且會導(dǎo)致供區(qū)損傷等缺點[6]；異體骨具有良好的骨誘導(dǎo)性，但是存在免疫排斥和疾病傳播的風(fēng)險[7]；相比于自體骨和異體骨，人工骨具有種類較多、性能各異等優(yōu)點，成為了目前的研究熱點。

天然骨組織經(jīng)過千萬年的選擇與進(jìn)化，結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)性能與功能性達(dá)到了完美的結(jié)合，不僅結(jié)構(gòu)完善，力學(xué)性能優(yōu)異，而且還具有良好的電學(xué)性能。其中壓電性能最突出，當(dāng)人體骨受力發(fā)生形變時，局部電場會發(fā)生改變而引起電子移動，特別是周期性的變形可以引起電子有規(guī)律的雙向流動，這種壓電信號不僅會影響骨原細(xì)胞的分化行為[8]，更會對成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的功能起到調(diào)節(jié)作用。

然而目前對人工骨材料的研究處于兩個極端：其一，重點強(qiáng)調(diào)成分與結(jié)構(gòu)的仿生，而忽略了電學(xué)性能的仿生[9]；其二，注重電學(xué)性能的仿生，卻忽視了力學(xué)性能的仿生[10]。羥基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是天然骨組織中最主要的成分，是目前被廣泛采用的骨替代材料，具有良好的骨傳導(dǎo)性[11]，無毒，不致癌，因此被廣泛用作硬組織修復(fù)材料和骨替代材料；鈦酸鋇(barium titanate， BT)是一種無毒材料，具有壓電性能良好、機(jī)電耦合系數(shù)高、價格低廉、易加工等優(yōu)點[12]，是一種可以應(yīng)用于人體的壓電材料。Baxter等[13]以鈦酸鋇和羥基磷灰石為原料制備出樣品，用成骨肉瘤細(xì)胞分析其生物相容性，發(fā)現(xiàn)該樣品具有良好的生物相容性。Feng[14]以鈦酸鋇和羥基磷灰石為原料制成植入物對其毒性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，該種材料無細(xì)胞毒性，不僅如此，經(jīng)過體外實驗發(fā)現(xiàn)，極化后的鈦酸鋇-羥基磷灰石(BT-HA)樣品表面比未極化的樣品表面細(xì)胞黏附多，可知極化后的樣品更有利于細(xì)胞貼附與增殖。然而因BT-HA復(fù)合材料固有的脆性以及裂紋敏感性限制了其在承重方面的應(yīng)用[15]，因此在保證電學(xué)性能和生物性能不變的情況下提高BT-HA人工骨材料的力學(xué)性能顯得尤為重要。碳纖維(carbon fiber, Cf)是一種密度小、無毒、不致癌的無機(jī)材料，具有比強(qiáng)度和比模量高的優(yōu)點，常被用作增韌材料。Wang等[16]將碳纖維加入碳化鋯-碳化硅復(fù)合材料中，結(jié)果表明復(fù)合材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度得到了顯著的提升。唐漢玲等[17]將短切碳纖維加入到碳化硅復(fù)合材料后，復(fù)合材料的斷裂韌性有了很大的提升。徐穎等[18]分析了短碳纖維對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能得到了顯著的提升，其中抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到96.55 MPa。

因為目前絕大多數(shù)人工制備的骨材料力學(xué)性能較差，難以達(dá)到醫(yī)學(xué)上的力學(xué)要求[19]。陶瓷材料具有彈性模量高、硬度大等優(yōu)點[20]，故本文以BT-HA復(fù)合材料作為陶瓷基體來滿足人工骨的承重需求；同時為了克服陶瓷材料脆性大和韌性低的缺點，采用碳纖維作為增強(qiáng)體，增強(qiáng)人工骨的韌性和抗彎強(qiáng)度。采用這種方法制備的骨材料不僅具有良好的電學(xué)性能和生物性能，還具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

1 實 驗

1.1 試劑與材料

人工骨材料的組成為Cf/BT-HA系，鈦酸鋇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%)和羥基磷灰石(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%)均來自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。碳纖維來自江蘇博實碳纖維科技有限公司，長度為5 mm，直徑為0.08 mm。人工骨的化學(xué)組成如表1所示。

1.2 人工骨材料樣品制備

按表1配比制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的鈦酸鋇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的羥基磷灰石粉料，作為對照組B1；以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的碳纖維作為增韌劑配制B2試驗組樣品。試驗組樣品的制備流程如下：第一，將碳纖維分散于蒸餾水中，在超聲波細(xì)胞破碎機(jī)中將碳纖維均勻分散于蒸餾水中，將分散有碳纖維的蒸餾水溶液加入到含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的鈦酸鋇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的羥基磷灰石粉料的球磨罐中球磨24 h，使其充分混合均勻；第二，將試驗組和對照組的粉體在10 MPa的壓力下進(jìn)行壓片，分別得到5個直徑為10 mm、厚度為2 mm的圓形坯體和10個40 mm×10 mm×2 mm的長條形坯體；第三，將坯體放入管式爐中，以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛進(jìn)行燒結(jié)，以5 ℃/min的升溫速率從室溫升至1 300 ℃，保溫2 h，而后隨爐冷卻至室溫；第四，將兩側(cè)鍍銀的陶瓷片放入80 ℃的油浴環(huán)境下用1.5 kV/mm的直流電壓極化30 min，取出后待用。

表1 人工骨樣品設(shè)計組成

1.3 分析和測試

采用德國蔡司公司的Gemini2掃描電鏡(SEM)對樣品的形貌進(jìn)行表征，采用Oxford能譜儀對樣品的元素分布進(jìn)行分析。采用日本Rigaku公司的D/Max2500型X射線衍射儀分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)，鑒定物質(zhì)晶相，得到其X射線衍射(XRD)譜，掃描范圍為20°～80°，掃描速度為5 (°)/min。采用中國科學(xué)院聲學(xué)研究所的準(zhǔn)靜態(tài)d33測量儀測量樣品的壓電常數(shù)d33，在每個樣品的不同部位測5個點，計算出平均值即為該樣品的壓電常數(shù)；采用美國RADIANT的鐵電分析儀測量樣品的電滯回線，表征其鐵電性；采用美國的Agilent4294A介電溫譜儀來表征樣品的介電常數(shù)和居里點，測試頻率為100 Hz、1 000 Hz、10 000 Hz，測試溫度范圍為-50～300 ℃。在力學(xué)性能方面，通過三點彎曲的方法，采用日本島津公司生產(chǎn)的AG-IC20KN臺式電子萬能試驗機(jī)來測量樣品的抗彎強(qiáng)度，每組取5個燒結(jié)后的樣品，樣品尺寸為33 mm×8 mm×1.8 mm，將燒結(jié)后的樣品切削加工成25 mm×2 mm×1.5 mm的國際標(biāo)準(zhǔn)樣品，在跨距為20 mm的條件下測得其抗彎強(qiáng)度，求得平均值即為每組樣品的抗彎強(qiáng)度值；利用單邊切口梁法測試樣品斷裂韌性，依次測量每組的5個樣品，計算其平均值即為每組樣品的斷裂韌性；采用美國Wilson公司的TuKon2500B全自動維式硬度計測試樣品的硬度，每個樣品在不同位置測試5個硬度值，求其平均值即為該樣品的硬度值。生物性能方面，采用CCK-8法測試樣品的細(xì)胞毒性，所用檢測盒由上海語純生物科技有限公司生產(chǎn)，采用上海撫生實業(yè)有限公司生產(chǎn)的堿性磷酸酶活性測試盒判斷樣品的骨誘導(dǎo)活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

圖1(a)是BT-HA復(fù)合材料在1 300 ℃、氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)后得到產(chǎn)物的SEM照片。從圖中可以清楚地看到樣品晶粒和晶界的存在，樣品較為致密。圖1(b)是Cf/BT-HA復(fù)合材料在相同的燒結(jié)工藝下燒結(jié)得到產(chǎn)物的SEM照片。由于添加了碳纖維，在燒結(jié)成核初期，晶粒可能會傾向于沿著添加劑碳纖維進(jìn)行形核并長大，由于碳纖維有著較大的長徑比，隨之生長的晶粒便呈現(xiàn)類似的纖維狀形貌。不僅如此，圖中顯示纖維狀晶粒呈現(xiàn)隨機(jī)分布的狀態(tài)，即沿不同的方向均有分布，從而保證了樣品在使用過程中受到不同方向的載荷時均能起到增強(qiáng)其力學(xué)性能的作用。陶瓷基中添加碳纖維制備的復(fù)合材料后在發(fā)生斷裂時，通常以纖維拔出、纖維斷裂、纖維脫黏和纖維橋聯(lián)等形式來吸收能量[21]，碳纖維的加入起到了提高復(fù)合材料力學(xué)性能的作用。圖1(c)是Cf/BT-HA樣品的EDS圖。從圖中可以清楚地看出C元素均勻分布在樣品中，可以證明碳纖維在BT-HA基體中分散均勻，保證了樣品在不同方向上均有較好的力學(xué)性能；不僅如此，可以看出Ti、Ba、Ca、P等元素在樣品中均勻分布，說明鈦酸鋇和羥基磷灰石兩種材料已經(jīng)充分混合均勻，這為樣品良好的電學(xué)性能和生物性能提供了基礎(chǔ)。

圖1 BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的SEM照片和EDS圖

2.2 物相分析

圖2為BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的XRD譜，從圖中可以清楚地看出BT相、HA相的存在。碳纖維的主要衍射峰出現(xiàn)在24°附近，由于碳纖維結(jié)晶化程度比較低，其衍射峰的強(qiáng)度較弱；同時，BT屬于標(biāo)準(zhǔn)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，結(jié)晶化程度高，衍射峰的強(qiáng)度比較高[22]，在同一張圖中，導(dǎo)致碳纖維的峰形更加不明顯。BT相的存在是樣品具有壓電性能的前提，從圖中可以看出碳纖維的加入沒有影響到壓電相的存在，這為后續(xù)的壓電性能測試提供了基礎(chǔ)；HA相的存在是樣品具有生物相容性和生物活性的前提，HA具有良好的生物活性和骨誘導(dǎo)性，可以促進(jìn)骨細(xì)胞的分化增殖，碳纖維作為增韌劑為樣品具有良好力學(xué)性能提供保證。

圖2 BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的XRD譜

2.3 電學(xué)性能分析

圖3為BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的d33和電滯回線。從圖3(a)中可以看出，BT-HA復(fù)合材料的壓電常數(shù)d33為35 pC/N，Cf/BT-HA復(fù)合材料的d33為37 pC/N。加入碳纖維后樣品的d33值并沒有出現(xiàn)較大變化，依然具有壓電性能。壓電性能是骨材料植入人體后發(fā)生周期性形變時產(chǎn)生電荷的保證，因此較大的壓電常數(shù)可以確保電荷的產(chǎn)生。當(dāng)人工骨植入人體后，周期性的運(yùn)動會使得骨骼表面受到周期性的力，進(jìn)而在人工骨骼表面產(chǎn)生電荷，電荷會誘導(dǎo)成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的分化增殖，刺激新骨的產(chǎn)生。

從圖3(b)可以看出兩種樣品均有閉合的電滯回線，樣品均具有較好的鐵電性，這也是樣品具有電學(xué)性能的基礎(chǔ)。其中BT-HA和Cf/BT-HA樣品的剩余極化強(qiáng)度分別是0.529 μC/cm2、0.591 μC/cm2，矯頑場分別是4.57 kV/cm、4.74 kV/cm。可知碳纖維的加入并未對樣品的剩余極化強(qiáng)度和矯頑場產(chǎn)生較大的影響，另外，電滯回線圍成的面積也并未有較大差別，電滯回線的面積代表樣品的電疇發(fā)生兩次翻轉(zhuǎn)所消耗的能量，可見加入碳纖維后并未對電疇翻轉(zhuǎn)的難易程度造成影響。因此當(dāng)對所得樣品進(jìn)行極化時并不需要額外的電壓，這也為后期樣品的批量生產(chǎn)節(jié)約了成本。

圖3 BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的d33和電滯回線

圖4(a)是Cf/BT-HA復(fù)合材料的介溫譜，從圖中可以看出Cf/BT-HA復(fù)合材料的介電常數(shù)隨著頻率的增加而降低，這是鐵電材料的重要特征，說明所制備的樣品具有良好的鐵電性。圖4(b)是BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料在100 Hz頻率下的介溫譜，從圖中可以看出，BT-HA復(fù)合材料的居里溫度為180 ℃，Cf/BT-HA復(fù)合材料的居里溫度為170 ℃，相比于BT-HA復(fù)合材料，Cf/BT-HA復(fù)合材料的居里溫度有所降低。居里點是四方相與立方相轉(zhuǎn)變的臨界點[23]，也是是否具有壓電性能的轉(zhuǎn)折點，當(dāng)溫度處于居里點以下時，樣品中鈦酸鋇的存在形式為四方相，具有良好的壓電性能，當(dāng)溫度處于居里點以上時，樣品中的鈦酸鋇以立方相的形式存在，不具備壓電性能，因此居里點應(yīng)當(dāng)越高越好，而人工骨材料的使用溫度區(qū)間一般為-30～50 ℃，所以，加入碳纖維后樣品雖然居里點有所降低，但依然滿足服役溫度要求。

圖4 BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的介溫譜

2.4 力學(xué)性能分析

圖5為BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的力學(xué)性能，可以看出：BT-HA樣品的抗彎強(qiáng)度為46.7 MPa，斷裂韌性為0.67 MPa·m1/2，硬度為1.08 GPa；Cf/BT-HA樣品的抗彎強(qiáng)度為121.7 MPa，斷裂韌性為1.21 MPa·m1/2，硬度為3.56 GPa；加入碳纖維后樣品的抗彎強(qiáng)度增加了2倍，斷裂韌性增加了1倍，硬度增加了2倍。人體骨骼的抗彎強(qiáng)度一般處于120～150 MPa區(qū)間，因此加入碳纖維后的樣品抗彎強(qiáng)度可以更好地滿足人體骨骼的要求；硬度得到很大的提升，可以滿足人體骨的承重要求；斷裂韌性有了明顯的改善，有效地解決了陶瓷材料脆性大的難題。當(dāng)碳纖維加入到BT-HA基體后，碳纖維會沿著不同的方向發(fā)生排列，當(dāng)載荷的方向垂直于碳纖維時，基體會將受到的載荷傳遞給碳纖維，使得碳纖維受到拉應(yīng)力的作用，從而達(dá)到提高樣品抗彎強(qiáng)度的目的，因為碳纖維加入基體后呈各個方向排列，所以樣品從任一方向受力，碳纖維都會起到增強(qiáng)的作用。

圖5 BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的力學(xué)性能

不僅如此，碳纖維加入BT-HA基體后，分散于陶瓷基體中，當(dāng)裂紋發(fā)生擴(kuò)展遇到碳纖維后受到阻力，裂紋有呈現(xiàn)閉合的趨勢，另一方面，因為碳纖維周邊有很強(qiáng)的應(yīng)力場，會使裂紋擴(kuò)展的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，主裂紋的周邊會產(chǎn)生很多細(xì)小的裂紋，進(jìn)一步消耗了斷裂功。纖維拔出機(jī)制也是樣品斷裂韌性增加的一個原因，當(dāng)碳纖維與基體的結(jié)合力較弱時，在外力的作用下，裂紋會沿著界面擴(kuò)展，其中局部的碳纖維會發(fā)生斷裂并被拔出，從而可以起到降低應(yīng)力集中、阻礙裂紋擴(kuò)展、減小斷裂功的作用。纖維橋聯(lián)現(xiàn)象在提高斷裂韌性方面起到很大的作用，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時遇到碳纖維的阻礙，如果裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)則需要較大的力，因此裂紋會沿著原來的方向繼續(xù)傳遞，從而發(fā)生橋聯(lián)現(xiàn)象，消耗更大的斷裂功，阻礙裂紋的擴(kuò)展，不僅如此，橋聯(lián)現(xiàn)象也是阻礙材料發(fā)生毀滅性破壞的一個重要原因。在硬度方面，因為碳纖維本身具有比強(qiáng)度高、比剛度大、硬度大等特點[24]，加入BT-HA基體后，在三維方向隨機(jī)排列，使得樣品的硬度得以提高。

2.5 生物性能分析

圖6為BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的細(xì)胞毒性和骨誘導(dǎo)性。從圖6(a)可以看出，BT-HA與Cf/BT-HA樣品的光密度(optical density, OD)值均隨著培養(yǎng)時間的延長而增大，并且在同一個時間內(nèi)，兩種樣品的OD值差別不大，可知細(xì)胞增殖情況良好，BT-HA樣品無細(xì)胞毒性，加入碳纖維后的樣品也沒有細(xì)胞毒性，滿足植入人體的要求。因為BT本身是一種無毒性的材料，HA是一種無毒且生物相容性良好的人工骨替代材料，碳是人體的基本元素[25]，以這三種材料為基礎(chǔ)制備成的復(fù)合材料沒有細(xì)胞毒性，OD值是吸光度[26]，在微生物領(lǐng)域是用來衡量菌體密度或者菌體生物量的非常重要的參數(shù)。隨著時間的延長，細(xì)胞不斷增殖，細(xì)胞密度增大，被吸收掉的光逐漸增多，使得OD值逐漸增大，即試驗結(jié)果中OD值隨著時間的延長而逐漸增大。從圖6(b)可以看出，BT-HA與Cf/BT-HA樣品的堿性磷酸酶活性(ALP)值均隨著培養(yǎng)時間的延長而增大，且在同一時間內(nèi)，兩種樣品的ALP值差別不大。ALP值是反應(yīng)骨誘導(dǎo)性的一個重要指標(biāo)[27]，從圖6(b)中可以看出兩種樣品的骨誘導(dǎo)性良好。極化后的陶瓷片表面會帶有電荷，負(fù)極表面會吸附培養(yǎng)液中的正電荷離子，形成正電荷層，因為蛋白質(zhì)分子和細(xì)胞帶負(fù)電荷，因此會受到正極表面的吸引而富集，材料表面的蛋白質(zhì)層會誘導(dǎo)生物材料表面產(chǎn)生類骨磷灰石，進(jìn)而促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖與分化。

圖6 BT-HA和Cf/BT-HA復(fù)合材料的細(xì)胞毒性和骨誘導(dǎo)性

3 結(jié) 論

本文采用N2保護(hù)氣氛常壓燒結(jié)工藝制備了BT-HA與Cf/BT-HA兩種樣品。加入碳纖維后，樣品的力學(xué)性能得到了較大的提升，抗彎強(qiáng)度增加了2倍，達(dá)到121.7 MPa，斷裂韌性增加了1倍，達(dá)到了1.21 MPa·m1/2，硬度增加了2倍，達(dá)到3.56 GPa。在力學(xué)性能顯著提升的同時，樣品的電學(xué)性能并沒有出現(xiàn)較大的變化。需要強(qiáng)調(diào)的是，加入碳纖維后，樣品的生物性能與未添加碳纖維的樣品相差不大，說明碳纖維的加入并不會影響B(tài)T-HA樣品的細(xì)胞毒性和骨誘導(dǎo)性。后續(xù)可結(jié)合3D打印成型工藝制備出各項尺寸與人體骨均相符的產(chǎn)品，對其進(jìn)行體內(nèi)生物實驗，進(jìn)一步探究這種材料的生物、電學(xué)和力學(xué)性能。