微弧氧化制备Zr基非晶合金表面涂层及其生物相容性研究

摘要

本课题选用Zr46(Cu4.5/5.5Ag1/5.5)46Al8(at.％)(ZrCuAlAg)非晶合金为研究对象，利用微弧氧化表面改性技术对其处理，在其表面制备了出具有生物活性的涂层，通过改变微弧氧化电压参数和时间参数探讨了非晶合金表面涂层的形成机理，通过电化学腐蚀实验、血液相容性试验、口腔黏膜刺激试验和动物皮下植入试验等系列试验，综合评价了微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金的生物相容性。
　　对ZrCuAlAg非晶合金进行了表面改性处理，优化设计了微弧氧化电解液的成分比例，在不同微弧氧化电压条件下制备了ZrCuAlAg非晶合金的表面涂层，观察分析了微弧氧化电压对涂层表面显微形貌和元素成分含量的影响，研究发现，涂层表面形貌为多孔状结构，涂层中含有基体合金和电解液的组成元素，涂层中的Cu和Al元素的含量显著低于铸态非晶合金，其中350 V电压时涂层中Ca/P值达到1.65左右，Cu和Al元素分别为13.38%(wt.%)和2.62%(wt.%)。XRD分析发现，表面涂层中存在ZrO2、SiO2和羟基磷灰石(HA)等物相，HA的出现表明微弧氧化制备的非晶合金涂层具有良好的生物活性。在350 V电压下，通过研究不同微弧氧化时间对 ZrCuAlAg非晶合金表面涂层厚度的变化规律，探讨了微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金表面涂层的形成机理。
　　对不同电压条件下微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金进行了电化学腐蚀实验，结合电极化曲线和相应的电化学参数，评价其耐腐蚀性能。研究发现，在0.9%NaCl溶液、0.5 mol/LH2SO4溶液和PBS溶液中，微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金的腐蚀倾向性均低于铸态非晶合金和Ti-6Al-4V合金，即微弧氧化后ZrCuAlAg非晶合金具有更好的耐腐蚀性，且350 V条件下微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金的耐腐蚀性能最佳。通过对电化学腐蚀后各种合金试样在PBS溶液中析出离子的含量进行测试分析，微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金有毒元素(如Al和Cu)的析出量小于铸态非晶合金，这表明，微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金具有更好的生物安全性。
　　对不同电压条件下微弧氧化 ZrCuAlAg非晶合金进行了溶血率、凝血酶原时间、部分凝血酶原时间、体外动态凝血时间和血小板黏附数量等试验，结果表明，微弧氧化能够显著提高 ZrCuAlAg非晶合金抗凝血性和抗血栓性，微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金具有良好的血液相容性。
　　对不同电压条件下微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金进行了体内生物相容性评价，动物口腔黏膜试验评定结果显示，微弧氧化 ZrCuAlAg非晶合金对口腔黏膜的刺激反应评级为无和轻度反应，适宜于作为生物医用金属材料。皮下植入试验的研究发现，微弧氧化ZrCuAlAg非晶合金在皮下植入12周后，皮下组织细胞恢复正常，从而表现出良好的生物相容性。

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第1章 绪 论

1.1 前言

1.2 Zr基非晶合金的发展概况与性能

1.3 Zr基非晶合金生物相容性的研究现状

1.4 表面处理Zr基非晶合金生物相容性的研究现状

1.5 本课题的研究意义及研究内容

第2章 材料制备与研究方法

2.1 材料制备

2.2 材料分析测试与研究方法

第3章 Zr基非晶合金微观结构与微弧氧化表面改性

3.1 前言

3.2 Zr基非晶合金的热分析

3.3 Zr基非晶合金的显微组织分析

3.4 Zr基非晶合金的微弧氧化表面改性

3.5 本章小结

第4章 微弧氧化Zr基非晶合金的体外生物相容性

4.1 前言

4.2 微弧氧化Zr基非晶合金的生物腐蚀行为

4.3 血液相容性

4.4 本章小结

第5章 微弧氧化Zr基非晶合金的体内生物相容性

5.1 前言

5.2 动物口腔黏膜刺激试验

5.3 动物皮下植入试验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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