磁控溅射法制备镁基羟基磷灰石涂层的研究

摘要

医用镁合金因具有优异的机械性能和良好的细胞相容性，使其在生物降解材料的应用中受到广泛的关注。但镁及其合金在含有氯离子的生物环境中腐蚀速率快，且腐蚀产物氢气可产生皮下气肿，故医用镁合金表面改性以增强耐腐蚀性和生物相容性成为研究热点。本论文以AZ31镁合金为研究对象，通过金属（银）掺杂或微弧氧化预处理后，利用射频磁控溅射技术制备羟基磷灰石涂层，以提高AZ31的耐腐蚀性和抗菌性能。
　　主要研究内容和所获得的主要研究成果如下：
　　1．研究了AZ31镁合金表面微弧氧化预处理磁控溅射法制备羟基磷灰石涂层的耐腐蚀性能。
　　目的：磁控溅射法在镁合金表面制备HA涂层，以研究AZ31镁合金的耐腐蚀性及生物相容性。
　　方法：采用微弧氧化法在NaSiO3-KOH溶液电解液体系中形成微弧氧化膜，再通过磁控溅射HA涂层，在AZ31镁合金表面形成复合羟基磷灰石涂层。利用冷场发射型扫描电镜，X射线衍射仪，及FT-IR对改性后AZ31的表面形态、元素成分及晶相结构等进行表征。采用划痕法测试MAO/HA涂层对AZ31的附着强度，用表面轮廓仪测定表面粗糙度，通过PDP极化曲线和EIS阻抗谱对其耐腐蚀性能进行研究。
　　结果：AZ31镁合金表面成功制备了MAO/HA复合涂层。微弧氧化电流密度0.5A/cm2时，表面可见大量均匀覆盖微孔的涂层，钙磷比1.79，厚度约5μm，结晶性良好。膜基结合力6.91 N，粗糙度为1.03±0.05μm。HA复合涂层在3.5％NaCl溶液中的动电位极化曲线和 EIS阻抗谱结果显示，三组试样中MAO-HA-AZ31的腐蚀电位(-1.4166 Vvs. Ag/AgCl)最高且腐蚀电流密度(2.92×10-8 A/cm2)最低。与AZ31基底相比，MAO-HA-AZ31的腐蚀电位正移约120 mV，腐蚀电流密度值降低了36倍。
　　结论：通过微弧氧化预处理结合磁控溅射法在AZ31镁合金表面成功制备了羟基磷灰石复合涂层，改性镁合金的耐腐蚀性能明显增强。
　　2．考察了AZ31镁合金表面磁控溅射法制备掺银羟基磷灰石涂层的微观结构、晶相组成、耐腐蚀性能、抗菌性以及生物相容性。
　　目的：通过磁控溅射法在镁合金表面制备掺银羟基磷灰石涂层，以改善AZ31镁合金的耐蚀性、抗菌性及生物相容性。
　　方法：采用射频磁控溅射方法制备掺银和不掺银HA涂层，利用冷场发射型扫描电镜，X射线衍射仪，及FT-IR对AZ31镁合金的表面形貌、元素组成及晶相结构等进行表征。通过 PDP极化曲线对其耐腐蚀性能进行研究。使用MC3T3-E1成骨细胞对HA涂层的镁合金进行生物相容性研究。采用金黄色葡萄球菌对各组样本进行抗菌性研究。
　　结果：成功制备了掺银HA涂层的AZ31镁合金。复合涂层表面见大量球形银颗粒分布的均一、致密的HA涂层，钙磷比为1.94，结晶性良好。掺银HA涂层的弹性模量为33.75±2.98 GPa，硬度为2.02±0.89 GPa。PDP极化曲线显示，掺银HA涂层组有最高的腐蚀电势和最低的腐蚀电流密度。MTT实验表明，掺银HA组无细胞毒性且能促进细胞增殖，MC3T3-E1细胞形态为树突状，无核分裂像。茜素红染色显示钙化结节融合且染色较深，ALP活性较基底组增强。抗菌实验显示，Ag掺杂提高了涂层的抗菌性。
　　结论：通过磁控溅射法成功制备了掺银羟基磷灰石涂层的AZ31镁合金，并显著提高了弹性模量和硬度、耐腐蚀性、抗菌性和细胞相容性，为体内生物相容性研究奠定了基础。

目录

声明

缩略语表

第一章 绪论

1.1镁及镁合金的性能与应用

1.2 磁控溅射技术概述

1.3 HA复合涂层的研究进展

1.4 选题依据与研究内容

第二章 微弧氧化/磁控溅射制备镁基羟基磷灰石涂层的研究

2.1 AZ31镁合金上MAO预处理磁控溅射HA涂层的制备及表征

2.2 AZ31上MAO预处理磁控溅射HA涂层的粗糙度及结合力研究

2.3 AZ31镁合金上MAO预处理磁控溅射HA涂层的耐腐蚀性能研究

第三章 AZ31表面掺银羟基磷灰石涂层的研究

3.1 掺银HA涂层的制备及表征

3.2 掺银HA涂层的耐腐蚀性能研究

3.3 掺银HA涂层的体外生物相容性研究

3.4 AZ31镁基掺银HA涂层的抗菌性能研究

第四章 结论与展望

4.1 主要结论

4.2 研究展望

参考文献

在学期间的研究成果

在学期间的病例汇报

致谢