电化学方法原位生成K2O·nTiO2/TiO2涂层的机理研究

论文摘要

本研究针对当前钛系生物医用材料表面生物活化处理的研究现状,采用电化学方法在纯钛基体表面原位生成了K2O·nTiO2/TiO2生物陶瓷涂层。本方法分为两步。首先通过阳极氧化,在纯钛表面获得了二氧化钛膜。运用TEM对该层膜进行了结构分析,并利用SEM对不同浓度、不同种类溶液在不同电压下制备的二氧化钛膜的表面形貌进行了观察分析。然后在TiO2膜基础之上通过电化学处理在其表面制备出了K2（Ti8O17）层。运用TEM、XRD分析了涂层的表面结构及相组成,并对不同温度、电流密度、电解液浓度、反应时间下制备的钛酸钾涂层进行SEM形貌观察分析。确定各因素的影响作用大小。然后,通过模拟体液培养评价了涂层的生物活性。最后采用同样的方法在Ti-39Nb-3.7Zr合金表面制备出了K2O·nTiO2/TiO2复合涂层。结果表明:1.通过阳极氧化预处理在纯钛表面制备出一层氧化膜,分析可知该层膜为结晶状态不佳的金红石型TiO2。在同一种电解质溶液中,随处理电压增加,表面形成的TiO2膜的厚度增加且呈现出不同的颜色。2.在KOH电解液中,膜厚随电压变化的增加速率是随着溶液浓度的增加而增大的;纯钛的击穿电压随溶液浓度的增加而降低,且击穿前形成的膜厚也随溶液浓度的升高而减小。3.在K2CO3电解液中,溶液浓度的变化对膜厚随电压变化的增加速率无明显影响,而且当处理电压达到一定值后在表面出现了大量的微蚀坑,且微蚀坑随处理电压的增加而变大加深。4.纯钛电极在三种不同浓度的HNO3溶液中在相同的电压下发生了击穿。在各种浓度下,表面形成的蚀坑随处理电压的增加而数量减少。5.用电化学方法在二氧化钛表面原位生成了一层成分单一的K2 （Ti8 O17）,该层膜为纳米结构且结晶状态不佳。通过分析得出实验中四个条件对最终表面钛酸钾层形成的影响作用由强到弱依次为温度>电流密度>电解液浓度>反应时间。6.前期使用不同的溶液处理所得TiO2膜对后期处理形成的钛酸钾有明显的影响。用KOH溶液制备的TiO2膜后期处理得到的钛酸钾为较模糊的绒状结构,用HNO3溶液得到的TiO2膜后期处理形成的钛酸钾为网状结构,K2CO3溶液处理得到的TiO2膜在后期形成的网状结构则更加清晰明锐。7.确定纯钛的最佳处理工艺为:⑴室温下在0.5mol/L K2CO3溶液中20V电压下处理20min;⑵在90℃3mol/L的KOH溶液中加以2mA/cm2电流恒流处理30min。8.通过模拟体液培养,验证了该方法制备的K2 （Ti8 O17）涂层具有良好的生物活性。通过对不同形貌的K2 （Ti8 O17）膜对Ca、P沉积影响的研究,得出多孔网状结构的K2 （Ti8 O17）膜最有利于Ca、P的沉积。9.阳极氧化预处理在合金表面得到的蚀坑数量明显要多于纯钛样品。并且用电化学方法在合金氧化物表面原位生成了一层网状结构的钛酸钾层,表明了该方法同样适用于钛合金。同时验证了在对纯钛实验中确定的各因素对实验结果的影响规律。10.本研究证明了电化学方法制备钛酸钾涂层的可行性和高效性,在植入材料的表面改性方面有着广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1-1 生物医用材料概述
• 1-1-1 生物医用材料的发展
• 1-1-2 生物医用材料的分类
• 1-1-3 生物医用材料的生物相容性
• 1-2 生物医用钛及钛合金
• 1-2-1 生物医用金属材料的发展
• 1-2-2 钛及钛合金的特性
• 1-2-3 钛及钛合金的发展
• 1-2-4 钛及钛合金的生物相容性
• 1-3 钛及钛合金的表面改性
• 1-3-1 生物陶瓷涂层的种类
• 1-3-2 表面改性方法
• 1-4 课题研究内容
• 第二章 实验材料、设备与方法
• 2-1 实验材料
• 2-1-1 钛及合金制备用原材料
• 2-1-2 钛及合金表面活化处理用试剂
• 2-1-3 模拟体液培养用试剂
• 2-2 实验仪器及设备
• 2-2-1 材料制备用仪器及设备
• 2-2-2 表面活化及生物相容性实验用仪器及设备
• 2-2-3 组织结构观察与成分分析用仪器及设备
• 2-3 实验方法
• 2-3-1 钛合金基体的制备
• 2-3-2 钛及合金金相试样的制备
• 2-3-3 钛及合金的表面预处理
• 2-3-4 钛及合金表面活化处理
• 2-3-5 模拟体液（SBF）培养实验
• 2 工艺与机理'>第三章 钛表面电化学法制备 TiO₂工艺与机理
• 2 工艺研究'>3-1 钛表面电化学法制备TiO₂工艺研究
• 2 膜的显微分析'>3-1-1 电化学法制备TiO₂膜的显微分析
• 2 膜'>3-1-2 不同浓度KOH溶液下制备TiO₂膜
• 2CO₃溶液下制备TiO₂ 膜'>3-1-3 不同浓度K₂CO₃溶液下制备TiO₂膜
• 3溶液下制备TiO₂ 膜'>3-1-4 不同浓度HNO₃溶液下制备TiO₂膜
• 2 机理及工艺的确定'>3-2 钛表面电化学法制备TiO₂机理及工艺的确定
• 8O₁₇ )工艺与机理'>第四章 电化学法制备K2(Ti₈O₁₇)工艺与机理
• 8O₁₇ )工艺研究'>4-1 电化学法制备K 2(Ti₈O₁₇)工艺研究
• 4-1-1 表面物质的相结构分析
• 4-1-2 样品A 后期处理的实验结果分析
• 4-1-3 样品B 后期处理的实验结果分析
• 4-1-4 样品C 后期处理的实验结果分析
• 4-1-5 样品D 后期处理的实验结果分析
• 4-1-6 实验结果分析
• 8O₁₇)机理'>4-2 钛表面电化学法制备K2 (Ti₈O₁₇)机理
• 第五章 复合涂层的生物相容性评价
• 5-1 模拟体液培养
• 5-1-1 A 样品模拟体液后的表面形貌
• 5-1-2 B 样品模拟体液后的表面形貌
• 5-1-3 C 样品模拟体液后的表面形貌
• 5-1-4 D 样品模拟体液后的表面形貌
• 5-2 工艺参数对生物相容性影响
• 第六章 Ti-39Nb-3.7Zr 钛合金基体的制备
• 6-1 合金的制备
• 6-2 合金的组织分析
• 8O₁₇ )/ TiO₂ 生物涂层'>第七章 钛合金表面制备K2(Ti₈O₁₇ )/ TiO₂生物涂层
• 2'>7-1 阳极氧化法在钛合金表面制备TiO₂
• 8O₁₇ )涂层'>7-2 电化学法制备K2(Ti₈O₁₇)涂层
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文