生物医用Ag-石墨烯增强钛基复合材料界面的强化机制研究

Composting the high-strength and osteoinductive graphene with traditional biomedical materials is one of the important fields in developing new biomedical materials with excellent mechanical properties and osteoinductivity in recent years. However, graphene poorly disperses in titanium metal materials and easily reacts with titanium, which limits strengthening efficiency. The graphene will be surface modified with antibacterial medical Ag to improve the dispersibility and Ti-graphene interface bonding in this proposal. The influence of Ag on graphene dispersibility and Ti-graphene interface bonding will be clarified by studying the characteristics of Ag-modified graphene, the spatial distribution of graphene in titanium matrix, the features and micro-mechanical properties of Ti-graphene interface. The evolution of dislocation slips and deformation twinning at the Ti-graphene interface during loading will be investigated by in-situ tensile in transmission electron microscopy (TEM) to reveal the dislocation/twinning strengthening mechanism of interface in titanium matrix composites reinforced with Ag-modified graphene. This proposal will provide some necessary theory for preparing high-strength graphene-reinforced titanium matrix composites and promote the development and application of Ti-graphene composites with good bio-performance and mechanical properties in biomedical implant.

将高强且具有骨诱导性的石墨烯与传统生物医用材料复合，是近年来开发兼具优良力学性能与骨诱导性的新型生物医用材料的重要发展趋势之一。然而，石墨烯在钛金属材料中分散性差、易与钛发生化学反应，制约了增强效果。本项目采用抗菌医用的Ag表面改性石墨烯，改善石墨烯在钛基体中分散性与界面结合性。通过研究Ag改性石墨烯特性、石墨烯在钛基体中空间分布、Ti-石墨烯界面结构与微区力学性能，阐明Ag表面改性对石墨烯分散性和Ti-石墨烯界面结合性的影响规律，揭示Ag改性对Ti-石墨烯界面载荷传递强化机制的影响。通过原位透射电镜拉伸对应力加载过程中Ti-石墨烯界面/近界面处位错滑移与形变孪晶演化的研究，揭示Ag改性石墨烯增强钛基复合材料界面的位错/孪晶强化机制。本项目的研究为制备高强钛基石墨烯复合材料提供理论依据，推动兼具良好生物性能与力学性能的钛基石墨烯复合材料在生物医用种植修复领域的开发与应用。

传统医用钛金属材料在临床使用中存在各种失效隐患与应用局限性，促使人们不断对其进行优化与改良。将高强且具有骨诱导性的石墨烯与传统生物医用材料复合，是开发兼具优良力学性能与骨诱导性的新型生物医用材料的重要发展趋势之一。然而，石墨烯在钛金属材料中分散性差、易与钛发生化学反应，制约了增强效果。本项目采用抗菌医用的Ag表面改性石墨烯，通过研究Ag-石墨烯复合粉末与钛基复合材料中石墨烯的特性以及复合材料微观组织特征，阐明Ag对石墨烯分散性与Ti-石墨烯界面结合性的影响规律，并通过分析组织演化与力学性能的联系，揭示Ag改性对钛基石墨烯复合材料界面强化机制的影响。此外，通过研究钛基复合材料的表面理化性质及骨髓间充质干细胞（BMSCs）在复合材料表面的粘附与增殖规律，探索Ag改性石墨烯增强的钛基复合材料的生物相容性，为进一步推动其在生物医用领域的应用提供理论基础。研究发现，分别添加0.25%和0.5%的Gr/Ag@rGO，均可显著提高纯钛基体烧结的致密性。Gr/Ag@rGO的加入对纯Ti基体的晶粒度影响不大。除石墨烯外，钛基石墨烯复合材料的物相仍主要为α-Ti。Ag表面改性使石墨烯在钛基体中的分散性与界面结合性都得到改善。与纯Ti相比，添加0.25%Gr和0.5%Gr的复合材料压缩屈服强度分别提高了19.2%和25%；添加0.25%Ag@rGO和0.5%Ag@rGO的复合材料压缩屈服强度分别提高了22.2%和34.8%。Ag表面改性改善了石墨烯在Ti基体中的分散性和界面结合性，提高了石墨烯的热失配位错强化、弥散强化以及应力承载强化，使复合材料的强度提升更显著。并且Ag@rGO含量的增加，促进BMSCs细胞在复合材料表面的粘附与增殖。由此可见，通过Ag表面改性石墨烯，钛基石墨烯复合材料的强度显著提高，且具有较好的骨诱导性，在生物医用种植修复领域具有良好的应用前景。