选区激光熔化成型多孔TC4合金性能和表面改性研究

摘要

为了消除应力屏蔽效应，改善植入体与骨组织的力学相容性，本文设计与制备了多孔 TC4 合金。同时由于 TC4 合金容易在空气中形成氧化物钝化膜，植入时与骨组织只形成机械结合，有必要对其进行表面改性，以提高材料的生物相容性。但对于多孔结构而言，直接对其内部表面进行改性需要考虑液体循环流动性问题，并且成型件内部立柱长宽约305μm×310μm，不利于表面粗糙度、接触角、XRD 检测，加剧了优化工艺的复杂性与难度。因此本文采用与多孔 TC4 合金相同的SLM技术加工参数制备了致密TC4合金，并对TC4合金侧表面、上表面进行表面改性研究，为多孔TC4合金表面改性提供参考依据。论文主要的研究结论如下： ① 本文采用 SolidWorks 软件对多孔 TC4 合金结构进行设计，基于Gibson-Ashby 公式对多孔体的力学性能进行预测；运用 SLM 技术制备出的多孔件的孔隙率为46%，弹性模量为8.8GPa，屈服强度为348MPa。与设计模型相比，多孔件的孔隙率降低了16%，孔径尺寸减小，实体部分尺寸增大；弹性模量和屈服强度的误差分别为 13.6%和 18.7%。SLM 成型多孔件表面氧化物主要为 TiO2和Al2O3。 ② 对致密 TC4 合金进行表面改性，由于 TC4 合金侧表面的粗糙度远大于上表面，因此本实验重点在于对侧表面的表面改性工艺的优化，最终成功的在TC4合金侧表面和上表面制备了钛酸钙涂层； ③ 将在致密TC4合金侧表面获得的最佳表面改性工艺运用到多层多孔TC4合金中进行表面改性。结果显示，该工艺能够在2层多孔TC4合金内外表面生成钛酸钙涂层；并且经过一定的参数调整，在17层多孔TC4合金的内外表面也得到了钛酸钙涂层； ④ 对改性前后致密TC4合金侧表面样、上表面样和2层多孔TC4合金进行体外细胞生物相容性评价。结果表明，改性前后试样均无细胞毒性；改性后具有钛酸钙涂层的试样表面细胞数量多于未改性前表面；细胞能够良好的在改性前后的试样表面铺展，钛酸钙涂层更有利于表面成骨细胞的增殖与粘附。

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