生物医用多孔钛基表面复合材料的制备与性能表征

论文摘要

钛具有优良的综合性能,广泛地应用于临床,但其在临床应用中主要存在以下问题:一是生物力学相容性较差,其弹性模量与人体硬组织不匹配;二是生物活性较差,其不能与人体硬组织形成化学骨性结合。因此,降低钛弹性模量以提高其生物力学相容性的研究和钛表面改性以提高其生物活性的研究,具有重要的科学研究价值和很好的临床应用前景,成为近年来生物医用材料领域研究最为活跃的方向之一。本文先采用粉末冶金法获得低弹性模量的多孔钛烧结体,再采用微弧氧化法对烧结体表面改性处理,制备出生物力学相容性、生物活性和力学性能良好的多孔钛基表面复合材料,系统地研究了多孔钛基表面复合材料的结构、组成、生物活性和力学性能特性。钛烧结体的研究结果表明:粉末冶金制备的钛烧结体未有新相形成且结晶良好。随着成形压力的增加,其密度逐渐提高,孔隙率逐渐减小;粉末冶金孔的孔径逐渐减小,形状由不规则形逐渐向圆形转变。控制孔隙特性使钛烧结体的杨氏弹性模量降至28.5GPa,提高了材料整体生物力学相容性。微弧氧化膜层的研究结果表明:钛烧结体在300V～500V恒电压下微弧氧化处理,在其表面得到多孔状含钙、磷的氧化膜层。多孔形貌是材料表面的主要特征,既有粉末冶金形成的较大的孔,也有微弧氧化形成的较小的孔,特别是大孔内壁分布着小孔的大孔套小孔的形态特征,降低了材料表层的弹性模量,进一步提高了材料的生物力学相容性。膜层主要由CaTiO3、金红石相和锐钛矿相TiO2组成,金红石相TiO2随电压升高而增多。随着电压升高,膜层表面Ca含量增多,P含量先增加后变化不大,Ca/P比增大。膜层与钛烧结体有较高的结合强度,膜层有一定的抗剪切能力。随着电压的升高,膜层与钛烧结体的结合强度和膜层的抗剪切能力下降。模拟体液浸泡试验研究结果表明:多孔钛基表面复合材料具有良好的生物活性。材料的粉末冶金孔、微弧氧化孔以及含Ca和P的物质,有助于类骨磷灰石形核。类骨磷灰石生长于粉末冶金孔和微弧氧化孔之中,提高了材料的生物活性和对类骨磷灰石的机械固定作用。50MPa粉末冶金成形压力与300V微弧氧化电压处理获得的多孔钛基表面复合材料具有较好的生物力学相容性和生物活性,有望成为人体硬组织替换和修复材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 论文中主要符号及意义
• 1 绪论
• 1.1 金属系生物植入材料的基本要求
• 1.1.1 良好的生物相容性
• 1.1.2 良好的生物力学相容性
• 1.1.3 良好的力学性能
• 1.2 金属系硬组织植入材料的发展与应用现状
• 1.2.1 纯金属及钒钢阶段
• 1.2.2 Co-Cr合金、不锈钢合金阶段
• 1.2.3 钛及钛合金阶段
• 1.3 生物钛及钛合金的研究与发展现状
• 1.3.1 生物钛及钛合金存在的主要问题
• 1.3.2 钛及钛合金的生物活性较差的问题
• 1.3.3 提高生物力学相容性的钛及钛合金的材料
• 1.3.4 提高钛及钛合金生物活性的表面改性技术
• 1.4 本课题的目的、意义与主要研究内容
• 2 试验条件和方法
• 2.1 试验用材料
• 2.1.1 纯钛粉（Ti）
• 2.1.2 其它材料
• 2.2 多孔钛基表面复合材料的制备方法
• 2.2.1 粉末压制成形
• 2.2.2 压坯真空烧结
• 2.2.3 多孔钛烧结体的微弧氧化处理
• 2.3 材料结构、形貌和成分分析
• 2.3.1 物相组成分析
• 2.3.2 形貌观察和成分分析
• 2.4 多孔钛烧结体的物理和力学性能表征
• 2.4.1 密度分析
• 2.4.2 拉伸弹性模量与抗拉强度测试
• 2.5 多孔钛基表面复合材料表面膜层厚度和结合强度测试
• 2.6 多孔钛基表面复合材料生物活性试验
• 2.6.1 待测试样的准备
• 2.6.2 模拟体液的配置与浸泡过程
• 2.6.3 表面沉积效果的XRD、SEM和 EDS表征
• 3 多孔钛烧结体的制备工艺与性能研究
• 3.1 多孔钛烧结体的物相和形貌
• 3.1.1 多孔钛烧结体物相XRD分析
• 3.1.2 钛烧结体表面形貌SEM分析
• 3.2 多孔钛烧结体的物理和力学性能
• 3.2.1 多孔钛烧结体的密度和孔隙率分析
• 3.2.2 多孔钛烧结体的杨氏弹性模量分析
• 3.2.3 多孔钛烧结体的抗拉强度分析
• 3.3 本章小结
• 4 多孔钛烧结体微弧氧化膜层的制备工艺及其成分、组织研究
• 4.1 多孔钛表面膜层的物相分析
• 4.1.1 不同微弧氧化电压处理的同一孔隙率多孔钛烧结体的膜层的物相分析
• 4.1.2 相同微弧氧化电压处理的不同孔隙率的多孔钛烧结体表面膜层物相分析
• 4.2 多孔钛表面膜层的表面形貌分析
• 4.2.1 不同微弧氧化电压处理的同一孔隙率多孔钛表面膜层形貌分析
• 4.2.2 相同微弧氧化电压处理的不同孔隙率多孔钛表面膜层形貌分析
• 4.3 多孔钛氧化膜层的成分EDS分析
• 4.4 氧化膜层厚度与结合强度
• 4.4.1 氧化膜层的厚度测量
• 4.4.2 多孔钛表面氧化膜层的结合强度
• 4.5 多孔钛微弧氧化膜形成过程分析
• 4.6 本章小结
• 5 多孔钛基表面复合材料的生物活性评价
• 5.1 微弧氧化膜层的模拟体液矿化分析
• 5.1.1 模拟体液矿化后表面复合材料的物相分析
• 5.1.2 模拟体液矿化后多孔钛基表面复合材料的表面形貌分析
• 5.1.3 模拟体液矿化后多孔钛基表面复合材料的表面能谱成分分析
• 5.2 模拟体液在复合膜层上的矿化机制
• 5.3 本章小结
• 结论
• 本论文的特色与新颖之处及研究工作展望
• 参考文献
• 致谢