钛合金表面TiO2-BG-HA生物活性涂层的制备及性能研究

论文摘要

在钛合金表面涂覆羟基磷灰石（HA）生物涂层,综合了钛基体良好的机械性能与HA良好的生物相容性能,是目前人工骨种植体研究的热点之一。但是由于单一HA涂层与常用钛合金基体之间热膨胀系数相差较大,导致结合强度低,同时其耐磨耐蚀性较差,在摩擦力较大的部位很容易脱落,造成植入材料的失效。为了解决该问题,本课题采用溶胶-凝胶工艺在经过微弧氧化预处理的钛合金基体表面制备TiO2-BG-HA生物活性涂层。在钛合金表面进行微弧氧化预处理可以获得一个结合力优秀的TiO2层,在HA层与TiO2层之间添加一个成分可控的生物玻璃涂层（BG）,用于减小HA层与基体的热膨胀系数的差异。这种结构设计可以通过改变生物玻璃的成分来解决钛合金与HA之间的结合问题,降低各涂层间内应力,同时其良好的强度和耐磨性解决了涂层材料的植入问题。本实验重点研究了溶胶-凝胶工艺参数对涂层性能的影响,实验结果表明:溶胶体系中醇脂比EtOH/TEOS=5左右,玻璃成分为BG2,P2O5-乙醇溶液的浓度为1mol/L,Ca（NO3）2·4H2O-乙醇溶液的浓度为2mol/L,热处理温度为800℃时,可以得到性能良好的生物涂层。通过理论分析和实验验证,在制备溶胶过程中需添加适量的络合剂,并进行不小于24h的陈化,可以保证溶胶的稳定性;浸渍提拉法成膜时提拉速度控制在4～10cm/min,溶胶粘度控制在（1.0～5.0）mPa·S,可以保证溶胶的均匀性。本实验利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和能量分散谱仪（EDS）分析了涂层的形貌、相结构及其化学组成,采用划痕法测定了复合涂层与基体的界面结合强度。结果表明:复合涂层表面均匀致密,并存在100～200nm的晶粒和30～40nm的微孔,并且从基体到最外层的孔径由大到小,呈梯度变化,形成涂基间的机械锁合,热处理后涂层表面生成的Ca2SiO4和P3Ti5两种稳定相形成了化学冶金结合,使涂基结合力进一步增加,结合力达到45N左右,较单一HA涂层结合力有了很大的提高。本课题与第四军医大学合作完成了生物溶解性实验,并进行了测试。结果显示:复合涂层溶解性能适中,浸泡后有生物体主要无机成分HA和HCA物质的产生,满足生物体对植入材料的要求,延长了材料的植入寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 生物材料的分类
• 1.3 硬组织修复和骨组织功能材料
• 1.4 生物医用钛合金研究现状
• 1.4.1 生物医用钛合金在应用中的优缺点
• 1.4.2 生物医用钛合金的表面改性
• 1.5 钛合金基体生物活性陶瓷涂层材料
• 1.5.1 羟基磷灰石涂层
• 1.5.2 生物玻璃涂层
• 1.5.3 生物陶瓷涂层制备技术
• 1.5.4 钛合金生物陶瓷复合材料的发展展望
• 1.5.5 复合涂层结构设计
• 1.6 选题目的及研究意义
• 1.6.1 选题背景及意义
• 1.6.2 课题研究目的
• 1.6.3 课题主要内容
• 2 实验材料与方法
• 2.1 复合涂层成分设计
• 2.2 溶胶-凝胶体系的选择
• 2.3 制备工艺
• 2.3.1 实验原料及设备
• 2.3.2 钛基体的预处理
• 2.3.3 制备工艺
• 2.4 复合涂层的性能检测
• 2.4.1 复合涂层的XRD分析
• 2.4.2 复合涂层的SEM分析
• 2.4.3 复合涂层的EDS分析
• 2.4.4 涂层的厚度测试
• 2.4.5 复合涂层的结合强度测试
• 2.4.6 复合涂层的体外溶解性试验
• 2.5 本章小结
• 3 实验工艺参数对涂层性能的影响及原理分析
• 3.1 实验工艺参数对溶胶体系和涂层的影响
• 3.1.1 醇脂比对溶胶性能的影响
• 3.1.2 溶胶浓度对涂层的影响
• 3.1.3 不同硅成分对合成BG涂层的影响
• 3.1.4 温度对合成BG涂层性能的影响
• 3.2 影响生物玻璃溶胶稳定性的因素
• 3.2.1 陈化时间对溶胶稳定性的影响
• 3.2.2 络合剂对溶胶稳定性的影响
• 3.3 影响生物玻璃涂层均匀性的因素
• 3.3.1 成膜方式对涂层均匀性的影响
• 3.3.2 提拉速度对涂层均匀性的影响
• 3.3.3 溶胶粘度对涂层均匀性的影响
• 3.4 本章小结
• 2-BG-HA生物复合涂层的组织性能研究'>4 TiO₂-BG-HA生物复合涂层的组织性能研究
• 4.1 涂层的XRD分析
• 4.1.1 HA涂层与BG涂层的XRD分析
• 2-BG-HA复合涂层的XRD分析'>4.1.2 TiO₂-BG-HA复合涂层的XRD分析
• 4.2 涂层的EDS分析
• 4.2.1 HA涂层的EDS分析
• 2-BG-HA复合涂层的EDS分析'>4.2.2 TiO₂-BG-HA复合涂层的EDS分析
• 4.3 涂层的SEM分析
• 4.3.1 预处理后的钛合金表面形貌分析
• 4.3.2 HA涂层与复合涂层表面形貌分析
• 2-BG-HA复合涂层的截面形貌分析'>4.3.3 TiO₂-BG-HA复合涂层的截面形貌分析
• 4.4 涂基结合强度测试与分析
• 4.4.1 实验结果分析
• 4.4.2 涂基结合力原理分析
• 4.5 复合涂层成分分布特征
• 4.6 涂层生物溶解性分析
• 4.7 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表的论文