工艺参数对钛材微弧氧化膜层厚度、结合强度及生物活性的影响

论文摘要

钛及钛合金是目前临床应用最广泛的植入材料,通过微弧氧化(MAO)方法对钛及钛合金种植体进行表面改性,以提高其生物活性,促进植入体与人体骨组织的结合,具有重要意义。本文采用微弧氧化方法在钛材表面获得二氧化钛氧化膜层,制备出二氧化钛/钛基复合材料,系统研究了微弧氧化工艺参数对膜层的形貌、相组成、元素含量特别是膜层厚度和膜基结合强度的影响,同时对比研究酸性电解液与碱性电解液对膜层的影响,并借助于模拟体液浸泡试验探讨了膜层的生物活性。研究结果表明,电压、频率、反应时间、占空比、电解液pH值可以改变膜层的形貌、晶型和钙磷含量;氧化膜层表面呈多孔状,微孔尺寸和表面粗糙度随处理时间的延长和阳极电压的提高而逐渐增加,微孔密度则随之呈相反的变化趋势。(1)恒压模式下的膜层厚度随电压升高和处理时间的延长而明显增大,随频率的增大而略有减小,随占空比的增大而略有增大。影响氧化膜厚度的因素,按主次顺序依次是:终电压＞时间＞占空比＞频率。(2)膜层与基体的结合强度在较短的反应时间内随电压的升高而增大;随反应时间的延长而降低。(3)在含钙磷的溶液中可以使钙磷元素进入膜层进一步提高多孔二氧化钛表面层的生物活性,碱性电解液中MAO后膜层表面的Ca/P更接近于人体硬组织;碱性电解液中膜层厚度较大、生物活性较高;酸性电解液中膜层与基体的结合强度较高。微弧氧化制备出的二氧化钛/钛基复合材料有较好的生物活性和力学性能。酸性电解液中350V～450V试样,其氧化膜层厚度为4.3～11.1μm,膜基名义结合强度(抗拉强度)高于31.58MPa。当孔隙率为40%时,膜基实际结合强度大于52.63MPa。碱性电解液中450V试样,其氧化膜层厚度为12.3μm,名义膜基结合强度为30.92MPa,当孔隙率为40%时,其膜基实际结合强度为51.53MPa。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 生物医用材料
• 1.2 生物医用金属材料
• 1.3 医用钛及钛合金
• 1.4 钛及钛合金的表面改性
• 1.5 钛及钛合金的微弧氧化技术研究概况
• 1.6 本论文研究的目的与意义
• 1.7 本论文研究的主要内容
• 2 试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验用主要试剂
• 2.3 试验设备
• 2.4 试验方法
• 2.5 分析测试方法
• 3 电参数对微弧氧化过程的影响
• 3.1 阳极电压的影响
• 3.2 频率的影响
• 3.3 反应时间的影响
• 3.4 占空比的影响
• 3.5 关于膜层厚度控制机理的讨论
• 3.6 本章小结
• 4 电解液的pH值对膜层厚度的影响
• 4.1 MAO参数设定
• 4.2 碱性电解液中不同电压对微弧氧化的影响
• 4.3 本章小结
• 5 膜层与基体的结合强度
• 5.1 粘结拉伸前的微弧氧化处理参数
• 5.2 粘结拉伸
• 5.3 粘结拉伸结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 6 不同pH值电解液微弧氧化后的钛材料生物活性评价
• 6.1 生物相容性
• 6.2 酸性电解液与碱性电解液处理试样的生物活性比较
• 6.3 本章小结
• 结论
• 本论文的特色和新颖之处及研究工作展望
• 参考文献
• 致谢