Ti-6Al-4V表面微弧氧化生物陶瓷层及其生物相容性的研究

论文摘要

钛及钛合金本身具有比强度高、生物相容性和耐腐蚀性优良的性能,是迄今为止骨骼及牙齿等硬组织最好的替代材料,具有广阔的应用前景。但它与骨之间只是一种机械嵌合的骨结合,耐磨性较差,易向肌体释放金属离子,因而对钛合金表面改性以完善其生物学性能引起了人们的日益重视。钛及钛合金微弧氧化（micro-arc oxidation,简记为MAO）可在钛及钛合金表面产生一种多孔的、与基质结合牢固的、具有陶瓷特性的氧化物,这层氧化物与钛合金基体相比,其耐磨、耐蚀、电绝缘等性能得到明显的改善。本论文论述了通过改变微弧氧化顺序在钛合金表面制备含钙磷生物陶瓷膜及通过微弧氧化直接合成羟基磷灰石生物陶瓷的方法,并研究了Ti-6Al-4V微弧氧化顺序、微弧氧化电流密度和微弧氧化时间等参数对涂层形貌、元素和相组成的影响,给出了两种试验条件下的最佳氧化顺序、电解液成分和工艺参数。在此基础上,采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和能谱仪分析了涂层的形貌、相及元素组成。采用显微硬度计、MM-200型摩擦磨损试验机和LK9805电化学分析仪研究了涂层的硬度、摩擦磨损和腐蚀等性能。采用体内急性全身毒性实验、溶血实验、口腔粘膜实验、MTT细胞毒性实验、体外溶解实验对钛合金表面生物涂层的生物安全性进行了评价。结果表明:Ti-6Al-4V经微弧氧化形成的致密层未见任何急性毒性反应;溶血程度为0.918%～0.938%,有良好的血液相容性;细胞毒性实验评价级别为0级,无明显的细胞毒性作用;口腔粘膜实验,未发现异常。由以上结果可以初步认为Ti-6Al-4V经两种方法生成的生物陶瓷膜是理想的生物材料。论文对两种方法制备的生物陶瓷膜的合成机理进行了探讨,认为改变微弧氧化顺序生成的生物陶瓷膜的主要机理是电泳方式;通过微弧氧化直接合成羟基磷灰石的机理是:在初始阶段钙离子向阳极运动采用的是扩散的方式,当电流逐渐增大后,钙离子向阳极运动采用的是电泳方式。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 选题目的与意义
• 1.2 微弧氧化技术
• 1.2.1 微弧氧化概况
• 1.2.2 微弧氧化的特点及应用方向
• 1.3 含钙、磷生物材料的生物学性能
• 1.3.1 生物活性的概念
• 1.3.2 钙-磷材料的生物活性
• 1.3.3 生物相容性的概念
• 1.4 钛及钛合金生物活化方法
• 1.4.1 羟基磷灰石的性质、组成和晶体结构
• 1.4.2 钛合金生物活化方法
• 1.5 钛合金微弧氧化制备生物陶瓷涂层的现状
• 1.5.1 钛合金微弧氧化制备生物陶瓷涂层的概况
• 1.5.2 钛及其合金微弧氧化陶瓷层的特点
• 1.5.3 钛合金微弧氧化主要工艺参数对陶瓷膜层的影响
• 1.6 本论文主要研究内容
• 第2章 实验材料、设备及方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 主要化学试剂
• 2.1.2 钛合金试样
• 2.2 微弧氧化实验设备
• 2.3 微弧氧化含钙磷陶瓷膜的制备方法
• 2.3.1 钛合金表面处理
• 2.3.2 电解液及电解液的配制方法
• 2.3.3 电参数的选择
• 2.3.4 微弧氧化处理
• 2.3.5 试样后处理
• 2.4 微弧氧化含HA 生物陶瓷涂层的制备方法
• 2.4.1 钛合金表面处理
• 2.4.2 电解液及电解液的配制
• 2.4.3 电参数的选择
• 2.4.4 微弧氧化处理
• 2.4.5 试样后处理
• 2.5 生物陶瓷涂层的生物安全性
• 2.5.1 陶瓷涂层材料预处理
• 2.5.2 试样浸渍液制备
• 2.5.3 急性全身毒性试验及方法
• 2.5.4 溶血实验及方法
• 2.5.5 口腔粘膜实验及方法
• 2.5.6 细胞毒性实验及方法
• 2.5.7 溶解实验及方法
• 2.5.8 模拟唾液的制备
• 2.5.9 模拟体液的制备
• 2.6 分析测试方法
• 2.6.1 微弧氧化涂层厚度测定
• 2.6.2 微弧氧化涂层组织观察
• 2.6.3 微弧氧化涂层孔隙率测定
• 2.6.4 微弧氧化涂层腐蚀性能测定
• 2.6.5 微弧氧化涂层硬度的测试
• 2.6.6 微弧氧化涂层耐磨性的测试
• 2.7 本章小结
• 第3章 钛合金微弧氧化制备含钙磷涂层研究
• 3.1 引言
• 3.2 微弧氧化顺序和电解质成分对涂层表面特征的影响
• 3.2.1 氧化顺序和电解质成分对涂层相组成的影响
• 3.2.2 微弧氧化顺序和电解质成分对涂层形貌的影响
• 3.2.3 微弧氧化顺序和电解质成分对涂层元素组成的影响
• 3.3 时间参数对涂层特征的影响
• 3.3.1 不同氧化时间下陶瓷膜的表面形貌、孔径和孔隙率
• 3.3.2 不同微弧氧化时间下的涂层元素组成分析
• 3.4 电流密度对涂层特征的影响
• 3.4.1 不同电流密度下的膜层表面形貌、孔径和孔隙率
• 3.4.2 不同电流密度下的涂层元素组成分析
• 3.5 微弧氧化顺序对涂层影响的机理分析
• 3.5.1 第一步微弧氧化分析
• 3.5.2 第二步微弧氧化分析
• 3.5.3 钙磷元素进入涂层方式分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 钛合金微弧氧化含钙磷涂层的性能
• 4.1 引言
• 4.2 微弧氧化钙磷陶瓷层的硬度和厚度
• 4.2.1 含钙磷陶瓷层的厚度
• 4.2.2 含钙磷陶瓷层的表面硬度
• 4.2.3 涂层的截面硬度
• 4.3 微弧氧化钙磷涂层的磨损性能
• 4.3.1 载荷对微弧氧化涂层磨损性能的影响
• 4.3.2 时间对微弧氧化涂层的磨损性能的影响
• 4.3.3 微弧氧化涂层在不同时间段的磨损性能分析
• 4.3.4 涂层磨损性能与基体磨损性能的比较
• 4.4 微弧氧化涂层腐蚀性能
• 4.4.1 电化学试验
• 4.4.2 涂层的全浸渍腐蚀
• 4.5 本章小结
• 第5章 钛合金表面微弧氧化制备含羟基磷灰石涂层
• 5.1 引言
• 5.2 电解液的组成
• 5.2.1 电解质的选择
• 5.2.2 电解液pH 值的确定
• 5.3 电流密度对微弧氧化制备含羟基磷灰石涂层的影响
• 5.3.1 电流密度对制备羟基磷灰石的影响
• 5.3.2 电流密度对钙磷元素的影响
• 5.4 微弧氧化时间的影响
• 5.4.1 时间对制备羟基磷灰石的影响
• 5.4.2 时间对制备羟基磷灰石涂层形貌的影响
• 5.4.3 时间对钙磷元素的影响
• 5.5 不同溶液添加顺序对陶瓷层的影响
• 5.6 电解液中含磷、钙离子向阳极运动的机理
• 5.7 羟基磷灰石涂层的摩擦磨损性能
• 5.7.1 磨损时间对羟基磷灰石涂层摩擦磨损性能的影响
• 5.7.2 电流密度对涂层磨损性能的影响
• 5.8 本章小结
• 第6章 钛合金表面生物陶瓷膜的生物安全性评价
• 6.1 引言
• 6.2 生物陶瓷膜生物安全性研究结果及分析
• 6.2.1 全身急性毒性试验结果及分析
• 6.2.2 溶血试验结果及分析
• 6.2.3 口腔粘膜刺激试验结果及分析
• 6.2.4 MTT 法试验结果及分析
• 6.2.5 生物安全性机理分析
• 6.3 含钙磷涂层及含HA 涂层的体外溶解
• 6.3.1 溶液钙浓度变化
• 6.3.2 溶解过程中涂层表面的形态变化
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT