材料工程/2006年4期 碳/碳复合材料表面改性及其生物响应特性 Surface Modification Technolo gies and Biological Response properties of Bioactive Coatings on Car bon/Car bo n Co mpo sites 翟言强,李克智,李贺军,刘皓,赵建国 (西北工业大学材料学院,西安710072) ZHAI Yar qiang, LI Ke-zhi LI He-jun, LIU Hao, ZHAO Jiaguo (School of Materials Science, Northwestern Polytechnical U niversity, Xi'an 710072, China) 摘要:碳/碳复合材料继承了碳材料固有的生物相容性,它具有优异的力学性能,特别是它的弹性模量与人骨相当,是 种具有潜力的骨修复和替代生物材料。但是由于碳/碳复合材料为生物惰性材料,其与骨组织表面仅仅是机械结合,通 过表面改性,可在其表面构筑生物活性涂层以提高其生物活性和减少碳颗粒的释放。本文在综述了碳/碳复合材料表面 生物活性涂层制备方法及其生物学响应特性的基础上,分析了目前研究中存在的问题,提出一些解决的办法,并展望了 其发展前景 关键词:碳/碳复合材料;表面改性;生物特性;骨替换 中图分类号:TB332;R318文献标识码:A文章编号:1001-4381(2006)04-006007 Abstract: Carbon/ carbon composites preserved the inherent excellent biocompatibility of car bon Their mechanical properties can be tailored to be similar to those of bone. Car bon/ car bon composites were considered to be promising materials for orthopedic and dental surgery. However, it had no bio- activity and fails to form chemical bond with host bone. Bioactive coatings on car bon/ car bon compos- ites substrate can improve its bioactivity and reduce occurrence of car bon debris. The coating technol ogies and biological properties of bioactive layers on car bon/ car bon composites were reviewed. The current research sit uations and problems concerning carbon/ car bon co mposites in artificial bones were discussed. The means to solve these problems and the prospects of car bon /carbon composites in arti- ficial bones were predicted. It was believed that surface modification in implantation of car bon/ car bon co mposites should promote its application in artificial bones Key words: car bon/ carbon composites; surface modification; biolo gical property; bone replacement 碳单质材料被认为是所有已知材料中生物相容性子可以被巨噬细胞吞噬,转移到远离植入点的部位,在 最好的材料。碳/碳(CC)复合材料克服了单一碳附近淋巴结停留,最后被吸收1。人体组织并没有 材料的脆性,继承了碳材料固有的生物相容性,同时兼受到碳粒子存在的侵害,这反映了机体组织与碳材料 有纤维增强复合材料的高韧性、髙强度等特点,且力学的高度相容性,但为保证植入体的稳定性,使其能与骨 性能可设计、耐疲劳、摩擦性能优越质量轻、具有一定组织化学键合和加快新骨组织的生长,避免对人体产 的假塑性微孔有利于组织生长,特别是它的弹性模量生某些未知的影响,减少摩擦碳碎片的产生和污染周 与人骨相当,能够克服其他生物材料的不足,是一种综围组织,可在其表面构筑生物活性涂层。因此,充分利 合性能优异、具有潜在力的骨修复和替代生物材用碳/碳复合材料的生物相容性,赋予其生物活性,成 料2。但由于碳/碳复合材料为生物惰性材料,表面为研制新一代骨修复或替代材料的发展趋势 疏水,与骨组织表面仅仅是机械结合,不具有传导或诱 将碳/碳复合材料与生物活性材料复合,既保持了 导骨组织再生功能,界面形成需要周期长。而且研究生物材料所需的力学性能,又具有生物活性。生物活 发现,未经任何处理的碳′碳复合材料直接植入后在界性涂层能够促使植入体与骨组织间形成直接的化学键 面处会因摩擦使部分碳粉脱落,产生一些碳碎片。大性结合,有利于植入体早期稳定,缩短手术后的愈合 尺寸的碳碎片将会停留在植入体附近,小尺寸的碳粒期2。 201994-2010ChinaacAdemicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net碳/ 碳复合材料表面改性及其生物响应特性 Surface Modification Technologies and Biological Response Properties of Bioactive Coatings on Carbon/ Carbon Composites 翟言强 ,李克智 ,李贺军 ,刘 皓 ,赵建国 (西北工业大学 材料学院 ,西安 710072) ZHA I Yan2qiang ,L I Ke2zhi ,L I He2jun ,L IU Hao ,ZHAO Jian2guo (School of Materials Science ,Nort hwestern Polytechnical University , Xi′an 710072 , China) 摘要 : 碳/ 碳复合材料继承了碳材料固有的生物相容性 ,它具有优异的力学性能 ,特别是它的弹性模量与人骨相当 ,是一 种具有潜力的骨修复和替代生物材料。但是由于碳/ 碳复合材料为生物惰性材料 ,其与骨组织表面仅仅是机械结合 ,通 过表面改性 ,可在其表面构筑生物活性涂层以提高其生物活性和减少碳颗粒的释放。本文在综述了碳/ 碳复合材料表面 生物活性涂层制备方法及其生物学响应特性的基础上 ,分析了目前研究中存在的问题 ,提出一些解决的办法 ,并展望了 其发展前景。 关键词 : 碳/ 碳复合材料 ;表面改性 ;生物特性 ;骨替换 中图分类号 : TB332 ;R318 文献标识码 : A 文章编号 : 100124381 (2006) 0420060207 Abstract : Carbon/ carbon composites preserved t he inherent excellent biocompatibility of carbon. Their mechanical properties can be tailored to be similar to t hose of bone. Carbon/ carbon compo sites were considered to be promising materials for orthopedic and dental surgery. However , it had no bio2 activity and fails to form chemical bond with host bone. Bioactive coatings on carbon/ carbon compos2 ites substrate can improve its bioactivity and reduce occurrence of carbon debris. The coating technol2 ogies and biological properties of bioactive layers on carbon/ carbon composites were reviewed. The current research sit uations and problems concerning carbon/ carbon composites in artificial bones were discussed. The means to solve t hese problems and the prospects of carbon / carbon composites in arti2 ficial bones were p redicted. It was believed that surface modification in implantation of carbon/ carbon composites should p romote its application in artificial bones. Key words : carbon/ carbon composites; surface modification ; biological property ; bone replacement 碳单质材料被认为是所有已知材料中生物相容性 最好的材料[1 ] 。碳/ 碳 (C/ C) 复合材料克服了单一碳 材料的脆性 ,继承了碳材料固有的生物相容性 ,同时兼 有纤维增强复合材料的高韧性、高强度等特点 ,且力学 性能可设计、耐疲劳、摩擦性能优越、质量轻、具有一定 的假塑性、微孔有利于组织生长 ,特别是它的弹性模量 与人骨相当 ,能够克服其他生物材料的不足 ,是一种综 合性能优异、具有潜在力的骨修复和替代生物材 料[2 - 7 ] 。但由于碳/ 碳复合材料为生物惰性材料 ,表面 疏水 ,与骨组织表面仅仅是机械结合 ,不具有传导或诱 导骨组织再生功能 ,界面形成需要周期长。而且研究 发现 ,未经任何处理的碳/ 碳复合材料直接植入后在界 面处会因摩擦使部分碳粉脱落 ,产生一些碳碎片。大 尺寸的碳碎片将会停留在植入体附近 ,小尺寸的碳粒 子可以被巨噬细胞吞噬 ,转移到远离植入点的部位 ,在 附近淋巴结停留 ,最后被吸收[6 - 11 ] 。人体组织并没有 受到碳粒子存在的侵害 ,这反映了机体组织与碳材料 的高度相容性 ,但为保证植入体的稳定性 ,使其能与骨 组织化学键合和加快新骨组织的生长 ,避免对人体产 生某些未知的影响 ,减少摩擦碳碎片的产生和污染周 围组织 ,可在其表面构筑生物活性涂层。因此 ,充分利 用碳/ 碳复合材料的生物相容性 ,赋予其生物活性 ,成 为研制新一代骨修复或替代材料的发展趋势。 将碳/ 碳复合材料与生物活性材料复合 ,既保持了 生物材料所需的力学性能 ,又具有生物活性。生物活 性涂层能够促使植入体与骨组织间形成直接的化学键 性结合 ,有利于植入体早期稳定 ,缩短手术后的愈合 期[12 ] 。 60 材料工程 / 2006 年 4 期