医用钛表面微弧氧化生物涂层制备及研究

摘要

医用钛及其合金作为硬组织植入材料，具有良好的物理化学性能及生物相容性，被广泛用作骨科替代材料，但是其本身不具备生物活性，难以诱导成骨细胞的攀附分化增殖和促进骨组织整合。如果借助表面改性的方法在钛表面构筑出一层具有更高生物相容性及生物活性的膜层，弥补钛基材在生物惰性上的缺陷，对于实现生物材料的短期负载、中长期实用、提升医用钛的骨组织整合效率具有重要的现实意义。因此，对医用钛表面通过微弧氧化技术改性，改变其表面形貌、化学组成等因素以获得良好生物相容性、生物活性、耐磨、抗腐蚀的生物活性膜层成为本课题的重要研究方向。
　　本论文通过微弧氧化技术，对钛表面进行了改性处理，制备出含钙磷成分的生物陶瓷层。探讨了微弧氧化电解质体系、氧化模式与电压、电流、占空比、脉冲频率、电解质浓度等之间的关系，及这些因素对微弧氧化膜层形貌、孔隙率、孔洞密度、化学成分、相组成、亲水性等的影响。通过对微弧氧化参数的调整和体系的建立实现钛材料表面生物活性膜层的构筑。主要能容有:(1)通过正交试验，优化工艺参数，在钙磷体系中微弧氧化制备多孔膜层;(2)在含磷体系中，探讨恒压和恒流模式分别对膜层形貌、孔隙率、相结构等的影响;(3)考察了活化手段对微弧氧化后表面膜层亲水性的影响，降低时间对亲水性能的相关程度。研究结果如下:
　　1、通过正交试验确定了各影响因素对形貌影响的权重顺序，依次是浓度、电压、占空比、脉冲频率、时间。单因素考察了电参数对形貌、孔洞密度、孔径、孔隙率的影响规律。随着电压升高，微弧氧化制备膜层质量变差伴随裂纹出现，孔径随之增加，孔洞数量随之减少;随着占空比的增大孔径增大，孔隙率先增大后减小，表面网状结构均一化程度提高;随着脉冲频率的变大孔径反而略有减小，表面相似度有所提高，但对孔洞密度和孔隙率的大小影响较小。
　　2、在恒压模式下，探讨了电解质浓度、脉冲频率、阴阳极面积比对表面形貌等性能的影响规律。低脉冲频率可制备相互叠加的火山喷射状孔洞，可形成直径在2～10μm的贯通孔，阴、阳极面积比为2时可得到孔隙率适中，又存在叠加孔洞和大量贯通孔的特定形貌。在恒流模式下，探讨了电流密度、终止电压、脉冲频率、占空比对膜层表面形貌、孔径、相组成等性能的影响。恒流模式下制备膜层过程中，当dV/dt=0.36～0.42时，膜层增长速度相对较快适合膜层制备。脉冲频率的增加有利于相组分结晶度的提高，而占空比无此作用，两者对膜层厚度和表面形貌影响较小。
　　3、微弧氧化改性的试样表面亲水能力有限，但通过紫外活化和碱热活化的方法，可以在不改变表面形貌的情况下，进一步提高表面的亲水性能。实验结果显示，紫外活化能进一步提高表面的亲水性能，但与时间相关性较强;碱热活化可以将表面改性成超亲水表面，且与时间无相关性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物材料简介

1．2 生物材料性能指标

1．2．1 物理化学性能要求

1．2．2 生物学性能要求

1．3 钛及钛合金生物材料表面改性方法

1．3．1 等离子喷涂法

1．3．2 溶胶-凝胶法

1．3．3 离子束辅助沉积

1．3．4 激光熔覆

1．3．5 电化学沉积法

1．3．6 其他常见钛表面改性技术

1．4 微弧氧化技术及在钛合金上的应用

1．4．1 微弧氧化特点

1．4．2 微弧氧化过程

1．4．3 微弧氧化成膜的影响因素

1．4．4 微弧氧化在钛及合金表面改性的研究现状

1．5 本论文的研究目的意义及设想

参考文献

第二章 实验方法及仪器

2．1 医用钛表面修饰技术

2．1．1 微弧氧化膜层的制备方法

2．1．2 碱处理方法

2．2 实验药品及仪器

2．3 钛表面修饰膜层理化性质表征

2．3．1 扫描电子显微镜

2．3．2 能量散射光谱仪

2．3．3 X射线粉末衍射

2．3．4 拉曼光谱分析

2．3．5 亲水性能测试

2．3．6 力学性能检测

2．3．7 电化学分析

2．3．8 生物学性能评价

参考文献

第三章 微弧氧化钙磷涂层的制备及研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 微弧氧化影响因素与膜层形貌

3．3．2 微弧氧化含钙磷膜层制备

3．4 本章小结

参考文献

第四章 含磷元素微弧氧化膜层制备及研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．3．1 恒压模式下各参数对散弧氧化膜层的影响

4．3．2 恒压模式截弧氧化膜层的性能

4．3．3 恒流模式下微弧氧化膜层的研究

4．4 本章小结

参考文献

第五章 微弧氧化构筑生物活性膜层及表征

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 前处理

5．2．2 微弧氧化处理

5．2．3 活化处理

5．3 结果与讨论

5．3．1 表面形貌及成分分析

5．3．2 不同处理方法表面相结构分析

5．3．3 不同处理方法表面拉曼光谱分析

5．3．4 不同处理方法表面亲水性分析

5．3．5 不同工艺微弧氧化所得膜层结合力分析

5．3．6 电化学分析

5．3．7 力学性能分析

5．3．8 表面活化对亲水性能的影响

5．4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 本论文结论

6．2 研究工作展望

攻读硕士学位期间发表的论文申请专利

致谢