医用金属材料表面惰性涂层改性研究

论文摘要

医用金属支架是目前治疗血管狭窄的主要器械。但是,金属裸支架植入后腐蚀产物和病理反应均会影响其生物功能的正常发挥。对金属支架进行表面改性处理,可以提高植入支架的生物安全性、生物相容性及生物功能性,增强治疗效果。本论文针对金属支架用近等原子比NiTi合金和AISI316L不锈钢,以惰性涂层与材料间的结合强度为锲入点,采用不同的等离子技术在金属表面制各了DLC基梯度薄膜、Ti/TiN纳米多层薄膜及TaN薄膜。采用表面分析技术、力学性能测试技术、电化学测试技术及血液相容性测试系统研究了惰性涂层的表面性质、力学性能、腐蚀防护性能及生物相容性。 采用等离子体全方位离子注入与等离子体增强化学气相沉积复合技术制备了注C层/DLC梯度薄膜,另外还采用磁控溅射与等离子体增强化学气相沉积复合技术制备了Si/SiC/DLC梯度薄膜。碳注入层与Si/SiC过渡层有助于提高DLC薄膜与NiTi合金或316L不锈钢之间的界面结合强度与其耐摩擦磨损性能,其中过渡层厚度为150±10nm的Si/SiC/DLC梯度薄膜结合强度最高,达到42.92N。在体外模拟生理环境（37±1℃,Tyrode’s模拟体液）中,两类DLC基梯度薄膜都有效提高金属基体的耐蚀性,腐蚀电流密度下降,点蚀电位升高,而且薄膜具有较强的长期腐蚀防护性能。镀膜试样的腐蚀行为主要涉及薄膜与基体间形成的大阴极小阳极的电偶腐蚀以及在基体形成的点蚀,但是两者的腐蚀失效过程不一致,碳注入层的溶解导致注C层/DLC梯度薄膜的失效,而Si/SiC层的剥离可导致Si/SiC/DLC梯度薄膜的破坏。 利用旋转工艺,采用脉冲偏压电弧离子镀技术在NiTi合金表面设计和制备了Ti/TiN纳米多层薄膜,调制结构为Ti层-过渡层-TiN层。与TiN薄膜相比,纳米多层薄膜的表面质量与致密度提高,结合强度增大。在体外模拟生理环境中,Ti/TiN纳米多层薄膜有效提高金属基体的热力学稳定性、钝态稳定性与抗击穿能力,其中Ti/TiN（45/45s）纳米多层薄膜表现最佳。Ti层-过渡层-TiN层“三明治”结构可有效抑制腐蚀溶液渗入,且导致相间腐蚀电流的再分布,降低薄膜的腐蚀速率。 利用脉冲偏压电弧离子镀沉积的TaN薄膜主要由密排六方TaN0.8与面心立方TaN两相组成,薄膜沿TaN0.8（001）晶向择优生长。薄膜表面形貌较TiN薄膜光滑,缺陷较少,表层主要组分为Ta-N,Ta-O及Ta-N-O。与该技术沉积的TiN薄膜相比,TaN薄膜的力学性能较差。在体外模拟生理环境中,具有致密结构的TaN薄膜的腐蚀防护性能强于TiN薄膜,但比Ti/TiN纳米多层薄膜差。 模糊数学方法综合评价表明:DLC基梯度薄膜具有较好的血液相容性,其中采用磁控溅射与等离子体增强化学气相沉积复合技术制备的Si/SiC/DLC梯度薄膜的血

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述与研究设想
• 1.1 概述
• 1.2 生物医学材料学
• 1.2.1 生物材料的发展过程
• 1.2.2 生物医学材料的分类
• 1.2.3 生物医学材料的性能要求
• 1.3 NiTi合金与316L不锈钢的医学应用研究
• 1.3.1 材料基本性能特点
• 1.3.2 材料生物学性能
• 1.4 医用金属材料表面改性研究进展
• 1.4.1 NiTi合金表面改性研究进展
• 1.4.2 316L不锈钢表面改性研究进展
• 1.5 几种惰性薄膜的研究进展
• 1.5.1 类金刚石薄膜
• 1.5.2 含TiN多层薄膜
• 1.5.3 TaN薄膜
• 1.6 论文选题目的和研究设想
• 2 薄膜沉积设备及测试方法
• 2.1 前言
• 2.2 双放电腔微波-ECR等离子体全方位注入设备
• 2.3 脉冲偏压电弧离子镀设备
• 2.4 实验用基体材料
• 2.5 测试方法
• 3 复合技术沉积类金刚石基梯度薄膜
• 3.1 前言
• 3.2 PSII与PECVD技术沉积类金刚石薄膜
• 3.2.1 制备工艺
• 3.2.2 两种技术制各的类金刚石薄膜的缺陷
• 3.3 注C层／DLC梯度薄膜
• 3.3.1 注C层／DLC梯度薄膜的制备
• 3.3.2 注C层／DLC梯度薄膜的组成与结构分析
• 3.3.3 注C层／DLC梯度薄膜的力学性能评价
• 3.3.4 薄膜的腐蚀防护作用与腐蚀机理分析
• 3.4 Si／SiC／DLC梯度薄膜
• 3.4.1 Si／SiC／DLC梯度薄膜的制备
• 3.4.2 Si／SiC／DLC梯度薄膜的组成与结构分析
• 3.4.3 Si／SiC／DLC梯度薄膜的力学性能评价
• 3.4.4 薄膜的腐蚀防护作用与腐蚀机理分析
• 3.5 本章小结
• 4 PBAIP技术制备Ti／TiN纳米多层薄膜
• 4.1 前言
• 4.2 薄膜制备与测试方法
• 4.2.1 薄膜制备
• 4.2.2 测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 薄膜的组成与结构分析
• 4.3.2 薄膜的力学性能评价
• 4.3.3 薄膜的腐蚀防护作用评价
• 4.3.4 薄膜／金属体系的腐蚀机理分析
• 4.4 本章小结
• aN薄膜'>5 脉冲偏压电弧离子镀沉积T_aN薄膜
• 5.1 前言
• 5.2 薄膜制备与测试方法
• 5.2.1 薄膜制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 薄膜的组成与结构分析
• 5.3.2 薄膜的力学性能评价
• 5.3.3 薄膜的腐蚀防护作用评价
• 5.3.4 薄膜／金属体系腐蚀机理分析
• 5.4 本章小结
• 6 惰性涂层的生物相容性评价
• 6.1 前言
• 6.2 薄膜表面性质评价
• 6.2.1 薄膜的亲水性能评价
• 6.2.2 蛋白吸附性能评价
• 6.3 血液相容性评价
• 6.3.1 血液相容性评价方法
• 6.3.2 血液相容性综合评价
• 6.4 细胞毒性评价
• 6.4.1 材料与方法
• 6.4.2 细胞毒性评价
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 附录
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书