[发明专利]梯度石墨烯/镁复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明为一种梯度石墨烯/镁复合材料的制备方法。

背景技术

镁合金作为生物医用金属材料与现在已经临床使用的其它生物医用金属材料相比具有明显优势：（1）资源丰富，价格低廉，镁在地壳中的储藏量极其丰富，其储藏量达到2.8%，位居第6位；（2）镁是人体不可缺少的矿物质元素之一，镁几乎参与人体所有的新陈代谢过程，在细胞内它的含量仅次于钾，镁影响钾、钠、钙离子细胞内外移动的“通道”，并有维持生物膜电位的作用；（3）良好的力学相容性，以镁为基体的合金的弹性模量和密度最接近人体骨骼弹性模量和密度；（4）优异的生物相容性和生物可降解，镁合金本身在生物体中可以逐渐降解，由新生骨组织逐渐代替原先的植入体，是理想的生物支架材料。但是金属镁的活性高，在生物体内受体液腐蚀现象较为严重。与新骨生长速度(12～18周)不匹配，所以提高其耐腐蚀性，使其在新骨生长完好之前仍能够保持机械性能是镁及合金作为骨修复材料最需要解决的关键问题。石墨烯具有良好的生物相容性和化学稳定性、无细胞毒性，石墨烯及其衍生物在纳米药物运输系统、生物检查、生物成像、肿瘤医治等方面的使用宽广。以石墨烯为底层的生物设备或生物传感器能够用于细菌剖析、DNA和蛋白质检查等。但是如何将石墨烯加入镁基体中以提高镁基体的耐腐蚀性能和力学性能研究较少。

发明内容

本发明的目的在于解决上述所存在的问题，提供一种提高镁基体的耐腐蚀性能和力学性能的梯度石墨烯/镁复合材料的制备方法。

本发明的技术方案是：

首先将有机单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、交联剂三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）、分散剂油酸、镁粉和石墨烯粉分散到正丁醇中制备成石墨烯/镁复相浆料；球磨后在浆料内加入引发剂过氧化苯甲酰（BPO）和催化剂N,N二甲基苯胺（DMA）；之后将配置好的石墨烯/镁浆料注入离心机内离心，使浆料内的石墨烯和镁颗粒形成连续的梯度分布；离心后将模具放置在真空烘箱中快速凝胶固化；凝胶固化后的试样经过脱模、真空干燥后，置于管式炉中氩气气氛烧结成梯度石墨烯/镁生物医用复合材料。

1、石墨烯/镁复相浆料的制备

按质量份数，将5-15份有机单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA)，1-3份交联剂三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）溶解到29.125-60.25份的正丁醇中，搅拌均匀，之后再加入1.5-2.25份分散剂油酸，搅拌均匀，随后加入27-40.5份粒度为60nm的镁粉和3-4.5份粒度500nm的石墨烯粉，搅拌均匀；球磨24h后加入2-5份引发剂过氧化苯甲酰（BPO）和0.25-0.625份的催化剂N,N二甲基苯胺（DMA），搅拌均匀，制备成石墨烯/镁复相浆料。

2、离心、凝胶固化及烧结

a．将上述制备好的石墨烯/镁复相浆料注入到离心机内模具中，在500-2000r/min转速下离心10-20min，使石墨烯和镁颗粒形成连续的梯度分布；

b．将离心后的浆料放入60-80℃真空烘箱中凝胶固化30min，固化后的生坯脱模后在100-150℃真空烘箱中干燥3-6h，然后放入管式炉中氩气气氛保护下烧结成梯度石墨烯/镁复合材料。其烧结工艺为：采用1℃/min的升温速率从室温加热到300℃，保温3h后，以3℃/min的升温速率加热到610-630℃，保温2h后随炉冷到室温；其中氩气的流速为0.4-0.8 L/min。

本发明的优点在于：

1. 提出了一种梯度石墨烯/镁复合材料的制备新方法，梯度结构示意图如图1所示。在该工艺所制备的样品中石墨烯颗粒在镁基体中形成连续的梯度分布，避免了传统干压成型样品中存在的分层及裂纹等缺陷，同时添加石墨烯后可以通过石墨烯片在镁基体中的承载和拔出、裂纹的桥接与偏转效应来提高镁基复合材料的力学性能。（如表1所示）。

表1不同工艺制备的梯度石墨烯/镁复合材料的力学性能（石墨烯含量为10 wt%）

2. 在梯度石墨烯/镁复合材料中，石墨烯含量较高的一端具有良好的生物相容性及耐腐蚀性（如表2所示），同时石墨烯可以诱导体液中Ca²⁺和PO₄^3-离子沉积，在镁基体表面生成羟基磷灰石层，加速新骨的生长，进而使骨组织的愈合和镁合金的降解相匹配，降低植入失败现象的产生。而镁基体含量高的一端具有较高的强度和韧性在植入过程中更好地承担外界载荷。

表2 纯镁和梯度石墨烯/镁复合材料的腐蚀速率（石墨烯含量为20 wt%）

附图说明