医用钛基合金的表面改性及生物相容性研究

摘要

医用钛基合金Ti6A14V合金(TC4)以及TiNi形状记忆合金(SMA)在医学领域的使用在提高人类生活质量方面发挥了巨大的作用。然而，钛合金植入人体后，在体液中不可避免地会发生腐蚀。腐蚀不仅会降低金属材料的力学和机械性能，甚至会导致值入失效，而且，溶入体液的Al、V、Ni离子对周围组织会产生一定的副作用，严重的则引发组织病变或癌变。因此，医用材料的耐蚀性研究对于保障其在人体的安全使用具有十分重要的现实意义。 本文通过对医用钛合金TC4和TiNi SMA用物理气相沉积(PVD)方法和电化学方法对其表面改性，针对改性后材料的不同用途，考察其在模拟生理环境中的抗磨损性能、耐腐蚀行为和生物相容性等性能，来探讨改性后材料作为生物材料的可能性，和改性方法的实际可行性。 1．在TC4表面通过基于非平衡磁控溅射的H．I．P(High Ionic Pulsetechnology)工艺制备新型涂层AlTiN。通过在模拟生理环境中的摩擦磨损、电化学腐蚀、Al、V离子溶出等试验，初步研究了该种陶瓷涂层作为一种具有潜在应用前景的耐磨性生物材料的可能性，并初步得到其具有更优异的摩擦磨损性能，摩擦系数仅为0.007，和更好耐腐蚀性能，并降低Al、V离子溶出，增加其长期植入的安全性。 2．采用三电极体系，用阳极氧化法，在铵盐体系溶液中对近似等原子比的TiNi形状记忆合金(SMA)表面进行阳极氧化，在其表面形成氧化膜，对氧化膜的表面形貌、耐蚀性及氧化膜中Ni含量进行考察，在一定程度上降低了表面Ni含量，Ti：Ni为2.5。还通过在模拟生理环境中的电化学腐蚀及血液相容性等实验，得到了阳极氧化后更加优异的耐腐蚀性能和血液相容性，为其能作为性能更优异的口腔内生物材料奠定了良好的基础。 3．本文通过阴极电沉积法在近似等原子比的TiNi SMA 表面，用Ti(SO<,4>)<,2>作为电解液沉积得到了富含OH<'->的Ti-O膜，其颗粒大小在几十到几百纳米。并通过在模拟生理环境中的电化学腐蚀、生物活性评价及血液相容性等试验，检验阴极电沉积法所制备Ti-O膜的性能，并探讨工艺参数对Ti-O膜的影响，找到最佳工艺。最终TiNi SMA材料阴极电沉积在最佳工艺参数：在PH1.2的电解液中加入0.2M NO<,3><'->、电流密度．5mA/cm<'2>沉积4min，得到了最为均匀且具有生物活性的Ti-O膜，同时具有很优异的耐腐蚀性能和血液相容性。为其作为TiNi SMA氧化脱Ni后表面舒松氧化层的后期处理工艺奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1生物材料的概述

1.1.1生物材料的发展概况

1.1.2生物材料的性能要求

1.1.3生物材料的分类

1.2表面改性在生物材料研究中的应用及进展

1.2.1常用的表面改性技术

1.2.2生物相容性薄膜的研究进展

1.3医用钛基合金的性能特点

1.3.1医用钛基合金的性能优点

1.3.2医用钛基合金的性能不足

1.4本文的课题背景及主要研究工作

第二章Ti6Al4V合金表面AlTiN涂层的制备及性能研究

2.1引言

2.2实验方法

2.2.1实验材料及介质

2.2.2实验方法

2.3实验结果和讨论

2.3.1 AlTiN陶瓷涂层的制备

2.3.2结合强度、厚度、显微硬度的测试

2.3.3 AlTiN陶瓷涂层的表面分析

2.3.4模拟生理润滑液下摩擦磨损测试

2.3.5模拟生理环境中动电位阳极极化测试

2.3.6模拟生理环境中Al、V离子溶出测试

2.4本章小结

第三章TiNi形状记忆合金的组织结构及其腐蚀行为研究

3.1引言

3.2实验方法

3.2.1实验材料及介质

3.2.2实验方法

3.3结果与讨论

3.3.1 TiNi形状记忆合金的表面性质及显微组织

3.3.2 TiNi形状记忆合金的XRD分析

3.3.3模拟生理环境中材料的腐蚀电位测试

3.3.4模拟生理环境中材料的动电位阳极极化测试

3.3.5 TiNi形状记忆合金孔蚀机理

3.4本章小结

第四章TiNi形状记忆合金阳极氧化法制备氧化膜

4.1引言

4.2实验方法

4.2.1实验材料及介质

4.2.2实验方法

4.3实验结果与讨论

4.3.1不同介质溶液体系中的阳极极化曲线测试

4.3.2电位对阳极氧化膜厚度的影响

4.3.3电位对阳极氧化膜颜色的影响

4.3.4电位对阳极氧化膜中Ni含量的影响

4.3.5阳极氧化膜的制备

4.3.6阳极氧化膜的形貌

4.3.7模拟生理环境中材料的腐蚀电位测试

4.3.8模拟生理环境中材料的动电位阳极极化测试

4.4本章小结

第五章TiNi形状记忆合金阴极电沉积Ti-O膜

5.1引言

5.2实验方法

5.2.1实验材料及介质

5.2.2实验方法

5.3实验结果与讨论

5.3.1 Ti-O膜的阴极电沉积

5.3.2 Ti-O膜的成分分析

5.3.3模拟生理环境中材料的腐蚀电位测试

5.3.4模拟生理环境中材料的动电位阳极极化测试

5.3.5电流密度对膜的表面形貌及耐蚀性的影响

5.3.6晶化处理对膜表面形貌及耐蚀性的影响

5.3.7阴极电沉积时间对膜表面形貌的影响

5.3.8电解液PH值和NO3-浓度对阴极电沉积的影响

5.4本章小结

第六章TiNi形状记忆合金表面改性后的生物活性及血液相容性评价

6.1引言

6.2实验方法

6.2.1实验材料及介质

6.2.2实验方法

6.3实验结果与讨论

6.3.1 TiNi SMA表面改性后生物活性评价

6.3.2 TiNi SMA表面改性后溶血率的测试

6.3.3 TiNi SMA表面改性后动态凝血时间测试

6.4本章小节

第七章全文结论与展望

7.1全文结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录