钽涂层对生物医用钛合金抗腐蚀性能影响的实验研究

论文摘要

20世纪70年代以来,随着生物医学材料学的发展及冶金铸造技术的提高,医用钛合金以其优良的生物相容性、密度小和弹性模量低等特点作为人体植入材料而被应用于关节外科、矫形外科及创伤外科等骨科学领域,其中以Ti-6Al-4V合金（TC4）和NiTi形状记忆合金（NiTi SAM）最为常见,以其为基材制成的人工关节假体、骨折内固定器及矫形器械在临床上被大量使用,成为最具代表性的生物医用金属材料。然而,长期的临床应用发现这二种合金材料的抗腐蚀性能并未达到理想水平,植入人体后,在体液中会发生腐蚀反应,不仅降低了其力学和机械性能,产生植入体断裂、松动等问题以致植入失效,而且溶入体液的Al、V、Ni等离子对周围组织会产生一定的毒副作用。因此,医用钛合金的抗腐蚀性能研究对于保障其在人体的安全使用具有十分重要的现实意义。近年来,金属钽以其优良的抗腐蚀性能、稳定的生物学特性和独特的结构性质引起生物医学界的广泛关注,钽制人工骨小梁、颅骨修复体、心脏起搏器等已经在临床应用中获得成功,如果将钽作为涂层材料喷涂于钛合金表面制成生物医用复合材料,从而弥补钛合金抗腐蚀、耐磨损能力差的缺点,就会大大提高钛合金植入体的长期生物稳定性。本文通过等离子喷涂技术在Ti-6Al-4V合金和NiTi形状记忆合金试件表面形成钽涂层,对涂层前后的合金试件采用模拟生理环境中的电化学腐蚀测试方法,对比分析抗腐蚀性能的变化情况,为钽涂层钛合金医用复合材料进入临床应用提供实验依据。研究内容与方法1.运用等离子喷涂的方法在Ti-6Al-4V合金表面形成钽涂层,通过硬度计测量涂层材料与合金基体之间的结合强度,然后采用电化学腐蚀测试法在37℃模拟体液环境中测量Ti-6Al-4V合金表面喷涂钽涂层前后的自腐蚀电位（Ecorr）和塔菲尔曲线。初步验证金属钽是否具有提高医用钛合金抗腐蚀性能的作用及成为医用金属涂层材料的可行性。2.通过等离子喷涂技术在NiTi形状记忆合金表面形成钽涂层,采用扫描电子显微镜和EDS能谱分析仪检测涂层表面微形貌及元素组成,用X-射线衍射仪对涂层的晶相结构进行检测;分别在中性和酸性模拟体液环境中通过动电位极化法测量NiTi形状记忆合金表面喷涂钽涂层前后的阳极极化曲线及钽涂层与NiTi合金基底之间的电偶电流密度值。通过上述实验深入研究钽涂层的理化性质及在复杂生理环境中的抗腐蚀性能,为金属钽成为新一代医用金属涂层材料奠定实验基础。研究结果1.通过等离子喷涂技术可以在Ti-6Al-4V合金试样表面涂覆一层厚度为500μm,均匀致密的钽涂层,经硬度计测量可知涂层与合金基体之间的结合强度达到HF1。涂层后Ta/Ti-6Al-4V复合体在中性模拟体液中的自腐蚀电位为+16mV,比Ti-6Al-4V合金的自腐蚀电位（-108mV）高124mV。塔菲尔曲线显示涂层后Ta/Ti-6Al-4V复合体的钝化区间较Ti-6Al-4V合金变长,维钝电流降低,破钝电位增大。2. NiTi形状记忆合金试样表面钽涂层厚度为400μm,扫描电子显微镜观察显示涂层与基体结合紧密,表面光洁呈微晶状,经EDS能谱仪测量可知涂层主要组成元素为Ta及来自基底材料的Ti和Ni,还有少量材料氧化生成的O元素;XRD分析可知合金表面的相组成主要为呈立方晶的单体α-Ta、B2结构NiTi以及Ta涂层氧化生成的Ta2O和Ta2O5。阳极极化曲线显示在中性及酸性模拟体液环境中NiTi SMA经Ta涂层处理后均表现为自腐蚀电位升高,维钝电流密度降低,而极化电阻及破钝化电位增大,实验参数经统计分析显示:NiTi SMA经Ta涂层处理前后的Ecorr、Ip、Rp、Etp值差别显著（P<0.01）。Ta涂层与NiTi SMA基底之间的电偶电流-时间曲线显示电偶电流密度值微小,稳定于μA(10-6A/cm2)级。结论1.通过等离子喷涂的方法可以在Ti-6Al-4V合金表面涂覆一层厚度为500μm,与基底结合紧密的钽涂层。经电化学测量法测试,钽涂层表面改性处理能有效提高Ti-6Al-4V合金的抗腐蚀性能,为解决生物医用钛合金植入体无菌性松动的问题提供了实验依据。2.采用等离子喷涂工艺在镍钛形状记忆合金表面涂覆一层厚度约为400μm,均匀致密的钽涂层。通过在不同PH值模拟体液环境中的动电位极化法测试,这种表面改性处理能有效提高镍钛形状记忆合金的抗电化学腐蚀性能,而且涂层与基底这二种金属之间不会有电偶腐蚀现象发生,为镍钛形状记忆合金植入体的优化提供了发展方向。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• Abstract
• 前言
• 文献回顾
• 第一部分 生物医学材料的概述
• 第二部分 医用钛合金的性能特点及研究方向
• 第三部分 医用钛合金腐蚀及防护的研究
• 实验一 钽涂层对Ti-6Al-4V 合金抗腐蚀
• 性能的影响
• 1 材料和方法
• 2 结果
• 3 讨论
• 4 结论
• 实验二 生物医用镍钛合金表面钽涂层腐蚀行为研究
• 引言
• 1 材料和方法
• 2 结果
• 3 讨论
• 4 结论
• 小结
• 参考文献
• 附录
• 个人简历和研究成果
• 致谢