脉冲激光沉积羟基磷灰石薄膜微观组织及性能表征

论文摘要

羟基磷灰石（Hydroxyapatite，简称HA或HAP）广泛存在于人类的骨和牙中，具有良好的生物相容性和生物活性，引起了生物医学材料研究者的广泛兴趣。但是人工合成的羟基磷灰石的强度和韧性差，不能应用于承载的条件下。为了得到一种具有生物活性的种植体，人们利用涂层技术把HA涂覆在钛及其合金表面，这样既满足了种植体的生物活性和生物相容性，同时其机械强度也能满足承载条件下的需要。另外HA涂层的存在可以阻止金属离子向周围组织的释放，减少对人体的损害。目前制备HA涂层的技术主要有等离子喷涂、电化学沉积、溶胶-凝胶法、离子束溅射等。但是这些传统方法制备的HA涂层取得了一定的成功，但也存在以下不足：HA晶粒粗大，并非骨组织中的纳米尺度的HA；涂层的结晶度低，需要后续热处理来提高其结晶度，而热处理会造成涂层和基体结合强度的降低。因此研究一种可以精确控制薄膜成分和结晶度的制备HA薄膜的方法具有重要的现实意义。本文采用脉冲激光沉积和脉冲激光烧蚀合成沉积法制备HA薄膜，综合利用扫描电镜（SEM）、电子探针（EPMA）、X-射线衍射（XRD）、傅立叶转换红外光谱（FT-IR）、透射电镜（TEM）和高分辨电镜（HREM）等测试方法对沉积的薄膜的微观组织结构进行表征。 实验结果表明，Ar气氛下沉积的薄膜表面存在大量的颗粒，薄膜表面无裂纹和孔洞等缺陷的存在，XRD、FT-IR、TEM等结果显示薄膜为非晶态组织，由于在沉积过程中P的损失，薄膜的Ca/P比大于理论值（1.67），从透射电镜结果分析可知，薄膜中含有少量β-Ca3（PO4）2（β-TCP）和CaO相。随着沉积时间的延长，薄膜表面颗粒数量增大。热处理后的薄膜表面形貌并无太大的变化，热处理后薄膜主要由HA、TiO2组成，薄膜的Ca／P比有所降低更接近于理论值。 激光与靶材的相互作用决定了烧蚀物的组成、产率、速度和空间分布，从而直接影响和决定薄膜的成分、组织和性能。另外脉冲激光沉积薄膜表面颗粒物的产生也是由激光与靶材相互作用导致的，因此研究了激光烧蚀前后靶材的表面形貌和Ca／P比的变化。脉冲激光烧蚀前600℃和1200℃烧结HA靶材表面光滑致密，两种靶材的Ca／P比接近于其理论值。脉冲激光烧蚀后，由于激光能

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 生物材料
• 1.2.1 生物材料的分类
• 1.2.2 优良生物材料必须具备的性能
• 1.2.3 羟基磷灰石生物陶瓷材料的性质
• 1.3 羟基磷灰石涂层制备方法
• 1.3.1 等离子喷涂
• 1.3.2 电化学沉积
• 1.3.3 溶胶-凝胶法
• 1.3.4 离子束辅助沉积
• 1.3.5 脉冲激光沉积
• 1.4 存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 薄膜制备
• 2.3 分析测试方法
• 2.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 红外光谱分析（FT-IR）
• 2.3.3 电子探针分析（EMPA）
• 2.3.4 扫描电镜（SEM）
• 2.3.5 透射电镜分析（TEM）
• 2.3.6 高分辨透射电镜分析（HREM）
• 2.3.7 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.8 划痕测试
• 2.3.9 模拟体液实验
• 第3章 Ar气氛下脉冲激光沉积羟基磷灰石薄膜的组织结构
• 3.1 PLD羟基磷灰石薄膜的组织结构
• 3.1.1 薄膜的形貌分析
• 3.1.2 薄膜的相分析
• 3.1.3 薄膜的Ca/P比
• 3.1.4 薄膜的基团特征
• 3.1.5 薄膜的微观组织结构
• 3.2 热处理对薄膜组织结构的影响
• 3.2.1 热处理对薄膜形貌的影响
• 3.2.2 热处理对薄膜相组成的影响
• 3.2.3 热处理对薄膜Ca/P比的影响
• 3.2.4 热处理对薄膜微观组织结构的影响
• 3.3 沉积时间对薄膜的影响
• 3.4 靶材烧结温度对薄膜的影响
• 3.5 激光与靶材相互作用的研究
• 3.5.1 激光与靶材作用的物理基础
• 3.5.2 激光烧蚀后的靶体表征
• 3.6 本章小结
• 2O气氛下脉冲激光沉积羟基磷灰石薄膜的组织结构'>第4章 H₂O气氛下脉冲激光沉积羟基磷灰石薄膜的组织结构
• 4.1 靶材烧结温度对薄膜组织结构的影响
• 4.1.1 靶材烧结温度对薄膜表面形貌的影响
• 4.1.2 靶材烧结温度对薄膜相组成的影响
• 4.1.3 靶材烧结温度对薄膜Ca/P比的影响
• 4.1.4 靶材烧结温度对薄膜基团组成的影响
• 2O₃对薄膜的影响'>4.2 添加Y₂O₃对薄膜的影响
• 2O₃对薄膜表面形貌的影响'>4.2.1 Y₂O₃对薄膜表面形貌的影响
• 2O₃对薄膜相组成的影响'>4.2.2 Y₂O₃对薄膜相组成的影响
• 2O₃对薄膜Ca/P比的影响'>4.2.3 Y₂O₃对薄膜Ca/P比的影响
• 2O₃对薄膜基团的影响'>4.2.4 Y₂O₃对薄膜基团的影响
• 2O₃对薄膜力学性能的影响'>4.2.5 Y₂O₃对薄膜力学性能的影响
• 4.3 薄膜的微观组织结构
• 4.3.1 600℃烧结的HA靶材制备薄膜的微观组织结构
• 2O₃后薄膜的微观组织结构'>4.3.2 添加Y₂O₃后薄膜的微观组织结构
• 4.4 薄膜的生长模式研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 脉冲激光烧蚀合成沉积羟基磷灰石薄膜的组织结构
• 5.1 气氛对脉冲激光烧蚀合成沉积HA薄膜组织的影响
• 5.1.1 气氛对薄膜形貌的影响
• 5.1.2 气氛对薄膜相组成的影响
• 5.1.3 气氛对薄膜Ca/P比的影响
• 5.1.4 气氛对薄膜基团的影响
• 2O₃对脉冲激光烧蚀合成沉积HA薄膜组织的影响'>5.2 添加Y₂O₃对脉冲激光烧蚀合成沉积HA薄膜组织的影响
• 2O₃对合成的薄膜表面形貌的影响'>5.2.1 Y₂O₃对合成的薄膜表面形貌的影响
• 2O₃对合成的薄膜相组成的影响'>5.2.2 Y₂O₃对合成的薄膜相组成的影响
• 2O₃对合成的薄膜Ca/P比的影响'>5.2.3 Y₂O₃对合成的薄膜Ca/P比的影响
• 2O₃对合成的薄膜基团组成的影响'>5.2.4 Y₂O₃对合成的薄膜基团组成的影响
• 5.3 热处理后薄膜的组织结构
• 5.3.1 热处理薄膜的表面形貌
• 5.3.2 热处理后薄膜的相组成
• 5.3.3 热处理后薄膜的Ca/P比
• 5.3.4 热处理后薄膜的基团组成
• 5.3.5 热处理后薄膜的微观组织结构
• 5.4 本章小结
• 第6章 脉冲激光沉积羟基磷灰石薄膜的生物活性研究
• 6.1 脉冲激光沉积HA薄膜的模拟体液研究
• 6.1.1 浸泡后薄膜的表面形貌
• 6.1.2 浸泡后薄膜的相分析
• 6.1.3 浸泡后薄膜的Ca/P比
• 6.1.4 浸泡后薄膜的基团组成
• 6.2 脉冲激光烧蚀合成沉积HA薄膜的模拟体液实验
• 6.2.1 浸泡后薄膜的表面形貌
• 6.2.2 浸泡后薄膜的相组成
• 6.2.3 浸泡后薄膜的Ca/P比
• 6.2.4 浸泡后薄膜的基团组成
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间撰写和发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表