钛表面HA生物活性梯度涂层的仿生制备研究

摘要

由于Ti及其合金具有优良的力学、生物学等综合性能,正被日益广泛应用于人体硬组织的修复与替代.医用Ti金属表面制备羟基磷灰石(HA)涂层能加速创伤面的骨组织愈合以及植入体的早期固定.仿生法制备Ti表面HA涂层正被普遍认为具有更优良的生物活性.该文采用仿生溶液法,制备Ti金属基体表面以羟基磷灰石为主要成分相的生物活性涂层.通过酸碱处理,预钙化形核处理等前期工艺设置,以及对涂层的化学成分、相组成、生长形态的分析和研究,探讨Ti金属基体表面的活化机理,确定涂层制备的最佳工艺参数,并研究涂层形核与生长的反应机理.涂层的制备工艺流程为,先对Ti基体进行表面酸碱活化处理,随后将试样各进行磷酸根[Na<,2>HPO<,4>]与钙离子[饱和Ca(OH)<,2>]的预吸附处理.最后于仿生溶液内成核生长制备HA涂层结晶相,经6~8天可使Ti基体表面生成一定厚度的HA生物活性陶瓷涂层.酸碱处理过程为后续的预钙化吸附以及磷灰石相形核结晶制备提供形核的位点.而预钙化处理不仅可缩短涂层结晶相的制备时间,还可使涂层结构更为均匀.X射线衍射(XRD)分析显示:涂层相主要成分为羟基磷灰石(HA).在仿生溶液体系内引入聚丙烯酰胺与柠檬酸钠,研究有机分子对HA涂层形核与生长的调控作用,并制备具一定成人梯度结构的涂层.有机成分的引入使涂层的致密度大为提高,结晶体的成熟度亦相应升高,而涂层内有机组分可保持极低的含量.对比研究表明,有机大分子相对于小分子在涂层的形貌以及结晶体的晶相方面具有更好的调控作用.制备完成后需进行热处理.热处理过后的涂层晶体结构趋向于完整的六方结晶相,且涂层与基体的结合强度大大增强.有机分子参与调控生长的HA结晶相涂层最终热处理结果为各晶体轴平衡于Ti试样表面联结生长成片;而非有机分子调控下的涂层晶体相则各晶体轴垂直于基体生长.该文还探讨仿生法制备过程中HA涂层相的生长机理.涂层在生长过程中,涂层结晶相的形貌由不稳定态的球状颗粒到稳定态的六方结晶,厚度的由薄到厚均发生了显著的变化,且靠近Ti基体的涂层结晶相较为完整且紧密,而外层则相对较疏松.紧密的内层涂层能够提高涂层与基体的结合强度,疏松的外层则有利于作为医用植入材料与骨组织的生长.与其它涂层的制备方法相比,仿生法所制备的涂层相具有结构均匀、结晶度好、与基体结合强度高等优点,主要成分为HA,与人体硬组织的主成分相一致.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1生物医用材料

1.1.1概述

1.1.2分类

1.2硬组织修复及替代材料

1.2.1生物医用钛金属

1.2.2羟基磷灰石生物活性陶瓷材料

1.2.3 Ti基HA生物涂层材料

1.2.4 HA涂层材料制备方法

1.3仿生法制备钛基HA生物活性涂层

1.3.1研究进展

1.3.2 HA生物活性涂层发展趋势

1.3.3 HA涂层的性能评价

1.4本文选题目的与主要研究内容

第二章研究原理与方法

2.1仿生矿化原理及模型

2.2实验方案

2.3实验准备

2.3.1实验所用溶液的配制

2.3.2医用钛金属的前期处理与化学处理

2.4 HA涂层仿生法制备工艺

2.4.1涂层的初步制备

2.4.2有机分子的调控

2.4.3梯度结构HA涂层的设计与制备

2.5分析方法

2.6本章小结

第三章HA涂层制备结果分析

3.1相组成分析

3.1.1制备过程钛相变化

3.1.2 HA仿生生长相组成

3.1.3有机分子调控HA生长相组成

3.1.4后续热处理相组成

3.2形貌分析

3.2.1钛表面形貌

3.2.2 HA仿生生长形貌

3.2.3有机分子调控HA生长形貌

3.2.4热处理HA形貌

3.3界面梯度结构与组成分析

3.4 HA涂层与钛基体力学性能分析

3.4.1结合强度

3.4.2热分析

3.5本章小结

第四章HA涂层形成机理探讨

4.1钛基体试样表面活化机理

4.1.1钛的表面钝化

4.1.2酸碱处理的表面活化

4.2钛表面HA相的形核

4.2.1形核条件

4.2.2仿生溶液对形核的影响

4.2.3有机分子调控机制

4.3钛基体表面吸附机理探讨

4.4 Ca-P涂层形成过程

4.4.1化学过程

4.4.2热力学过程

4.4.3生长动力学

4.5 HA涂层生长

4.6本章小结

结 论

参考文献

在读期间发表论文

致 谢