新型生物材料開發及生物陶瓷增韌研究獲進展

　　生物陶瓷材料——羥基磷灰石由于與人體骨骼天然化成分相似而成功應用于快速促進骨組織固定等骨科手術。并且羥基磷灰石可直接與宿主骨骼組織固定，具有優異的骨傳導和骨誘導性能，促使其在臨床上應用較其他陶瓷生物材料具有明顯優勢。但是，羥基磷灰石塊材其本身固有的脆性以及低的斷裂韌性限制了其在術后負載下長期服役。因此開發一種兼備優異生物性能以及力學特性的生物陶瓷材料是目前生物材料研究領域的前沿方向。中科院寧波材料技術與工程研究所李華團隊近期開發了一種新型的羥基磷灰石-石墨烯納米復合生物塊材，解決了長期以來存在的陶瓷生物材料的增韌問題。該成果發表在英國皇家化學家協會(Royal Society of Chemistry)國際材料學期刊Journal of Materials Chemistry B(Mater. Chem. B 2013, 1, 1826-1834)。

　　李華團隊采用化學共沉淀法合成羥基磷灰石-石墨烯納米復合粉末，并采用等離子體放電燒結制備陶瓷生物材料。羥基磷灰石沿著石墨烯片層表面以一定的取向進行形核以及長大。由于存在晶格匹配因素，羥基磷灰石(300)面優先在石墨烯片層表面形成較強結合，以及(002)面優先與石墨烯片層側截面緊密結合。這些結構特征有利于增強復合材料的力學性能。放電等離子燒結制備的羥基磷灰石-石墨烯納米復合塊材斷裂韌性達到3.94 MPa×m1/2，較純羥基磷灰石塊材提高了203%， 并且明顯高于其他第二相材料如碳納米管、氧化鋯或者金屬鈦等對羥基磷灰石的增韌效果。其增韌原理主要是石墨烯在羥基磷灰石基體中均勻分布，且主要形成了細晶增韌、石墨烯片層拔出/拉拔增韌、裂紋偏轉增韌、微裂紋增韌，以及橋接增韌等強化機理。亞微米級增韌機理的研究解決了長期存在的生物陶瓷材料增韌的難題，其涉及到第二相增強中兼顧提高力學性能且不犧牲生物特性的問題解決。該團隊研究者對該生物材料的體外生物特性進行了表征，發現石墨烯不僅沒有生物毒性，且促進成骨細胞在材料表面的貼附、粘結以及增殖分化。該材料具備的優化的力學性能以及生物特性意味著該復合生物材料有望在生物醫學領域得到應用。

　　材料表面改性例如納米結構以及石墨烯新材料的添加，極大的提高了羥基磷灰石生物陶瓷的生物特性。其根本機理有待研究人員進一步深入研究。該團隊未來的研究工作部分將致力于研究生物材料/細胞界面行為，研究內容涉及分子水平基礎上研究血清蛋白的貼附等，有望更深層次的揭示細胞與生物材料的相互作用機理，從而提高預測以及控制生物新材料的生物相容性的能力。

　　本研究獲得國家自然科學基金 (項目批準號31271017) 以及中科院“百人計劃”的資金支持。

石墨烯表面羥基磷灰石擇優取向納米棒形核及生長并形成天然緊密結合界面

石墨烯片層在羥基磷灰石基體中有效抑制裂紋擴展