钛合金表面纳米钽涂层:制备、微区结构及生物相容性

摘要

研究背景和目的:钛合金因其良好的生物相容性及理化特性成为临床应用最广泛的植入材料，用于人工关节、骨科植入及牙种植体等，但其亦存在生物活性差、缺乏骨诱导作用、与周围组织无强有力的化学结合、愈合时间长等缺点，不能满足临床愈合快、骨结合强度高等要求。目前钛合金表面羟基磷灰石涂层尽管可以促进界面骨整合，但是界面非冶金结合，存在涂层脱落及化学稳定性不足的缺点。多孔钽具有良好生物相容性及化学稳定性，其弹性模量介乎皮质骨与松质骨之间，可以促进界面骨整合，已应用于股骨头坏死、人工关节、骨重建治疗等，但是价格极为高昂。本项目采用表面改性技术，通过先进的激光快速成形技术与纳米技术相结合，于医用钛合金表面激光熔覆纳米钽，形成具有多孔纳米钽涂层结构的钛合金，实现纳米钽涂层与基体钛合金的合金化结合，并通过界面微区组织结构分析、体外细胞生物相容性研究，初步明确表面多孔纳米钽涂层对界面骨整合的影响，为开发具有知识产权的、高科技含量的表面多孔纳米钽涂层钛合金骨科植入物奠定基础。 方法:以医用钛合金棒（Ti-6Al-4V）为基材，采用精密机床于Ti-6Al-4V合金棒两侧分别开出呈180°对称的纵行凹槽（深:1.5mm，宽:2.5mm），砂纸逐级打磨去掉机械加工所不可避免的表面氧化层，超声清洗后烘干备用。在钛合金棒的纵形凹槽内预敷混合粉末涂层，混合粉末以平均粒径80nm的纳米级钽金属粉末为主，其中混入质量分数0.02％的TiH2粉末以增加孔隙率。利用先进的激光快速成型技术，在氩气保护下于钛合金棒两侧的对称凹槽中熔覆纳米级钽金属粉末梯度涂层。熔覆完成后超声清洗并吹干。采用PHILIPS公司的x'pertpro型X射线衍射仪（实验条件为:Cu-Ka·入辐射，入=1.5406nm，管电压40kV，管电流150mA，扫描速度8°/min）对纳米钽涂层及纳米Ta-Ti合金化层进行成分分析。由广东省有色金属研究院测试中心提供显微维氏硬度计来测量Ti合金基体、纳米Ti-Ta合金化层和凹槽内纳米Ta涂层的显微硬度。配备X射线能谱仪(INCA ENERGY350)和电子背散射衍射仪(INCA Synergy EBSD)的扫描电镜由广东省有色金属研究院测试中心提供，用以观察纳米Ta涂层表面及Ti-Ta合金化层的表面形貌并分析涂层及合金化层的成分，工作电压为20kV，扫描前用碳吸收表面电子，尽可能减少样品表面电子对观察结果的影响。通过Image J图像分析软件计算求得纳米钽涂层的孔隙率，其分析过程主要包括图像导入、图像预处理以消除干扰和减噪、设定灰度、图像二值化、数据处理和测定结果等步骤，以孔隙占据整个涂层面积的比例反映涂层的孔隙率。将Ta-Ti合金棒以普通线性切割机分成规格为15.0mm×5.0mm的小型试件，以凹槽内没有通过激光熔覆获得纳米Ta的Ti合金试件为Ⅱ组，熔覆有纳米Ta涂层的Ti合金试件为Ⅰ组，砂纸逐级打磨去掉表面氧化层，超声清洗后烘干。应用线性精密切割机（广东省华南理工大学材料平台提供）将其切割为规格为2.0mm×5.0mm的圆片型试件以备试验（两组皆n=6）。将两组试件与MC3T3-E1细胞（小鼠前体成骨细胞）于24孔板中共同培养，加设孔内只有细胞培养液的为空白对照组（无试件）。扫描电镜(SEM)下观察1h和3h后试件表面细胞的粘附状态及数目，CCK-8试剂盒检测1d、3d、7d时MC3T3-E1细胞的增殖能力，将接种细胞的两种试件放于诱导培养基中，诱导培养7d、14d、21d后通过检测碱性磷酸酶(ALP)的活性来分析细胞向成骨细胞的分化情况。用SPSS20.0软件进行两样本t检验，检验标准为α=0.05。 结果:扫描电镜下涂层表面呈粗糙多孔状，这种结构为组织液在涂层表面存留和细胞粘附生长提供了有利条件。涂层表面有明显的高温熔融烧结痕迹，孔隙为按照预设的纳米Ta金属粉末空间排列进行激光熔覆所形成的，混合在纳米Ta金属粉末中的TiH2在熔覆过程中分解成H2逸出亦增加了孔隙率。孔隙直径在100-200um之间。整个截面分为基体、合金化层及Ta金属层三个层次，合金化层厚度约为300um，在组织结构上分为熔化区、结合区、热影响区。能谱仪分析结果与XRD物相分析结果相吻合，纳米Ta层主要成分是Ta,纳米Ta-Ti合金化层主要成分则为生物金属Ta和医用钛合金Ti-6Al-4V两者的结合，基体则主要为Ti合金(Ti-6Al-4V)。由于涂层中不同部位成分、温度及冷却速度不同使初生相呈树枝状、块状、花瓣状及颗粒状等多种形态，实现了涂层与基体良好的冶金结合。扫描电镜下观察到纳米Ta涂层MC3T3-E1细胞是以大小不一的多个突触样结构粘附于试件表面，而Ti合金试件表面黏附细胞则呈球形;接种1h后，在未激光熔覆的钛合金试件和纳米钽柱嵌入式钛合金试件上所黏附的细胞数相近;3h后在纳米钽柱嵌入式钛合金试件上的细胞数显著增加。MC3T3-E1细胞数量在所有试件上都随时间而有所增长。培养后1d，两组试件相较于空白对照组无明显差异。细胞在培养3d后呈快速增殖状态，两组细胞相较于对照组开始有统计学差异(P＜0.05)，但Ⅰ组与Ⅱ组相比差异不明显。7d后细胞增殖趋于平缓，新型纳米钽-钛合金试件对细胞增殖的促进作用明显优于纯钛合金试件组(P＜0.05)。ALP检测结果显示，7d时虽然Ⅰ组较Ⅱ组ALP活性有所提高，但并无统计学差异(P＞0.05);14d和21d后，Ⅱ组ALP活性明显高于Ⅰ组(P＜0.05)。 结论:采用激光熔覆技术成功地实现了生物金属钽和医用钛合金的冶金结合，并使其拥有良好的表面结构和性能。纳米钽柱嵌入式钛合金比单纯医用钛合金对MC3T3-E1对小鼠胚胎前体成骨细胞的黏附、增殖、分化有更为显著的促进作用，表明与单纯医用钛合金相比，纳米钽柱嵌入式钛合金有更好的生物相容性。为进一步研究纳米钽柱嵌入式钛合金的界面骨整合性能提供了良好的前提。

目录

摘要

1 前言

2 激光熔覆钛合金表面多孔纳米钽涂层的制备

2．1 材料和仪器设备

2．2 方法

2．3 结果

3 纳米钽柱嵌入式钛合金界面金相性能研究

3．1 材料和仪器设备

3．2 方法

3．3 结果

4 钛合金纳米钽涂层对小鼠成骨细胞生物相容性的影响

4．1 材料和仪器设备

4．2 方法

4．3 结果

5 讨论

6 全文总结

参考文献

缩写词简表

攻读学位期间的成果

致谢

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