钛基表面复合材料的制备及其生物活性和摩擦学研究

论文摘要

钛具有较好的生物相容性、耐蚀性和力学性能，但呈生物惰性，因此对钛进行表面改性处理以提高其生物活性具有重要的科学研究价值和很好的临床应用前景。本文采用微弧氧化和水热处理制备了钛基表面复合材料，获得了氧化钛膜层和HA／TiO2复合膜层，系统研究了膜层的结构、组成、生物活性和摩擦学特性。研究结果表明：300V～500V电压下钛微弧氧化处理可以得到含钙、磷的二氧化钛膜层，膜层主要由金红石相和锐钛矿相组成，电压升高到500V后，膜层中出现CaTiO3和Ca3（PO4）2等新的物质。随着电压的升高，膜层金红石型二氧化钛增多，膜层表面Ca含量增多，P含量变化不大，Ca／P比增大；沿膜层厚度方向，在低于350V处理时膜层由外到内P含量降低，400V以上时膜层由外到内P含量变化不大；而各种电压下，膜层由外到内Ca含量一直下降，Ca／P亦基本呈降低的趋势。纳米压入试验表明氧化膜层的压缩弹性模量（82.05GPa）低于TiO2和纯Ti材，微弧氧化所制备的TiO2／Ti表面复合材料的生物力学相容性优于纯Ti和Ti6Al4V；划痕试验表明，氧化膜层与钛材有较高的结合强度，膜层具有一定的抗剪切能力，但随着处理电压的升高，膜层的抗剪切能力下降，350V处理得到的膜层／钛材抗剪切临界载荷为18.96N。微弧氧化和水热处理后的钛试样表面为HA／TiO2复合膜层，在去离子水水热处理中生成的HA呈棒状；碱性溶液中生成的HA呈纤维丝状，复合膜层在模拟体液中浸泡较短的时间就能够矿化形成HA层，但300V处理后的试样不具备诱导磷酸钙盐沉积的能力。经过复合处理的钛试样诱导骨细胞生长的能力比纯钛材有很大改进，说明微弧氧化和水热处理能提高钛的生物活性。经过300V～500V微弧氧化处理的氧化钛膜层，在模拟体液润滑条件下的滑动摩擦磨损特性不同。随着处理电压（300V～400V）的提高，膜层摩擦因数逐渐增大，但400V以后变化不大；随着处理电压（300V～500V）的升高，膜层的耐磨性逐渐提高。氧化钛膜层的滑动摩擦磨损主要是磨粒磨损，以切削犁沟机制为主，疲劳剥落机制为辅；膜层粘着的UHMWPE有润滑减摩作用，高电压使得膜层孔径增大和粗糙度增加致使膜层摩擦因数增大，高电压得到的金红石TiO2硬度较高有助于抗磨损。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 生物医用钛金属材料
• 1.2 基于提高生物活性的钛与钛合金的表面改性涂层
• 1.3 基于提高生物活性的钛及其合金的表面改性技术
• 1.4 钛与钛合金生物活化机理
• 1.5 材料的生物摩擦学研究现状
• 1.6 本论文的研究目的、意义及应用前景
• 1.7 本论文的主要研究内容
• 2 试验条件与方法
• 2.1. 微弧氧化处理
• 2.2. 水热合成处理（HS）
• 2.3. 生物活性评价——模拟体液矿化和细胞培养实验
• 2.4. 氧化膜层的力学及摩擦磨损性能评价
• 2.5. 复合材料成分、组织和形貌分析测试方法
• 3 微弧氧化法氧化钛膜层的制备及其成分组织力学性能
• 3.1 阳极电压的影响
• 3.2 电源频率的影响
• 3.3 微弧氧化反应时间的影响
• 3.4 不同反应模式的影响
• 3.5 微弧氧化膜形成的过程分析
• 3.6 微弧氧化膜层的力学性能
• 3.7 本章小结
• 4 水热处理对氧化钛膜层的影响
• 4.1 水热处理时间对氧化钛膜层的影响
• 4.2 微弧氧化条件对材料膜层表面的影响
• 4.3 水热处理介质的PH值对氧化钛膜层的影响
• 2膜层的过程分析'>4.4 水热处理形成HA/TIO₂膜层的过程分析
• 4.5 本章小结
• 5 复合膜层的生物活性评价
• 5.1 模拟体液矿化
• 5.2 成骨细胞培养实验
• 5.3 本章小结
• 6 氧化钛膜层的生物摩擦学特性
• 6.1 氧化钛膜层的摩擦磨损过程
• 6.2 摩擦磨损结果与分析
• 6.3 本章小结
• 7 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