生物質(zhì)顆粒燃料——羥基磷灰石由于與人體骨骼天然化成分相似而成功應(yīng)用于快速促進(jìn)骨組織固定等骨科手術(shù)。

并且羥基磷灰石可直接與宿主骨骼組織固定，具有優(yōu)異的骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)性能，促使其在臨床上應(yīng)用較其他陶瓷生物材料具有明顯優(yōu)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(shù)后負(fù)載下長期服役。

因此開發(fā)一種兼?zhèn)鋬?yōu)異生物性能以及力學(xué)特性的生物陶瓷材料是目前生物材料研究領(lǐng)域的前沿方向。

中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所李華團(tuán)隊(duì)近期開發(fā)了一種新型的羥基磷灰石-石墨烯納米復(fù)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(fā)表在英國*化學(xué)家協(xié)會(huì)（Royal Society of Chemistry）材料學(xué)期刊Journal of Materials Chemistry B(Mater. Chem. B 2013, 1, 1826-1834)。

李華團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)共沉淀法合成羥基磷灰石-石墨烯納米復(fù)合粉末，并采用等離子體放電燒結(jié)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(jìn)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(yōu)先在石墨烯片層表面形成較強(qiáng)結(jié)合，以及（002）面優(yōu)先與石墨烯片層側(cè)截面緊密結(jié)合。

這些結(jié)構(gòu)特征有利于增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。放電等離子燒結(jié)制備的羥基磷灰石-石墨烯納米復(fù)合塊材斷裂韌性達(dá)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(duì)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(xì)晶增韌、石墨烯片層拔出/拉拔增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌、微裂紋增韌，以及橋接增韌等強(qiáng)化機(jī)理。亞微米級(jí)增韌機(jī)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(qiáng)中兼顧提高力學(xué)性能且不犧牲生物特性的問題解決。

該團(tuán)隊(duì)研究者對(duì)該生物材料的體外生物特性進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)石墨烯不僅沒有生物毒性，且促進(jìn)成骨細(xì)胞在材料表面的貼附、粘結(jié)以及增殖分化。該材料具備的優(yōu)化的力學(xué)性能以及生物特性意味著該復(fù)合生物材料有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

材料表面改性例如納米結(jié)構(gòu)以及石墨烯新材料的添加，極大的提高了*的生物特性。其根本機(jī)理有待研究人員進(jìn)一步深入研究。

該團(tuán)隊(duì)未來的研究工作部分將致力于研究生物材料/細(xì)胞界面行為，研究內(nèi)容涉及分子水平基礎(chǔ)上研究血清蛋白的貼附等，有望更深層次的揭示細(xì)胞與生物材料的相互作用機(jī)理，從而提高預(yù)測以及控制生物新材料的生物相容性的能力。