医用钛合金表面生物陶瓷膜制备及性能的研究

摘要

钛合金作为人体植入用材料己经得到广泛的应用,为了提高其生物活性,需对其表面进行处理,比较几种钛合金表面改性方法,利用微弧氧化(micro-arc oxidation,简记为MAO)工艺方法可在钛合金表面生长一层多微孔、具有一定厚度和基体结合力强的氧化物,这层氧化物可以改善钛合金的生物相容性。目前对钛合金微弧氧化生物陶瓷层的研究逐步开展起来,但由于微弧氧化工艺方法对于陶瓷膜层生长的影响因素很多,因此对于微弧氧化机理和工艺方法需要开展广泛深入的研究。
　　本文通过对钛合金微弧氧化放电过程、膜层厚度增长过程和微弧放电能量效应三方面的探讨,解释了微弧氧化制备钛合金氧化膜层的生成过程,建立了含钙、磷元素微弧氧化钛合金生物膜层形成机制模型,揭示了电参数、工作液等工艺参数对钙磷膜层生长的影响规律。
　　通过改变微弧氧化工艺参数,研究钛合金表面制备含羟基磷灰石(HA)和双相钙磷(HA/β-TCP,BCP)生物陶瓷膜层的工艺方法,并制备了含羟基磷灰石、羟基磷灰石/氧化锆和不同HA/β-TCP比值的钛合金生物膜层,利用扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDS)和 X射线衍射仪(XRD),分析并研究了钛合金微弧氧化电流密度、占空比、工作液配比、微弧氧化时间等参数对膜层表面形貌、化学元素和成分相组成的影响。利用摩擦磨损试验机研究了膜层的摩擦磨损性能。并分析了膜层耐腐蚀性能。
　　为了研究膜层材料生物活性,对钛合金含羟基磷灰石和双相钙磷膜层材料进行了体外模拟体液浸泡试验,观察膜层材料表面变化状况,并对双相钙磷膜层材料还进行了动物体内植入实验,观测了生物体植入处基体生长情况,分析了该材料生物组织相容性能。研究结果表明,实验材料与植入处组织同时具有溶解、沉淀的生长特点,并且对于BCP膜层材料,当其具有不同HA/β-TCP比例时,试样与植入处组织的生物性能存在差异,在其比例为HA/β-TCP=55％:45%时达到最优生物相容状态。
　　对膜层材料的抗压强度、弹性模量、断裂韧性进行测试,分析了工艺参数对力学性能的影响规律,进而提出氧化锆增韧羟基磷灰石的增韧机制,即引入相增韧、相变增韧、微裂纹增韧;为了获得膜层断裂力学的理论支持,建立了适于多孔微裂纹膜层材料的断裂力学数学模型,用理论结合实验的方法研究了该种材料的断裂力学性能。
　　为了研究膜层材料的生物相容性,采用溶血实验、MTT细胞毒性实验、体外溶解实验、皮肤刺激实验等,对钛合金表面含 BCP生物膜层的生物安全性进行了研究和评价。研究结果表明,钛合金生物膜层溶血程度为达到了生物相容性要求,具有比较良好的血液相容性;细胞毒性实验评价了生物材料对细胞毒性影响级别为零级,无明显的细胞毒性作用;在去离子水溶解实验过程中,通过分析钙离子浓度变化来评判膜层材料的溶解性,其整体趋势是:先升后降,最后几乎达到稳定程度;膜层材料浸提液对于生物体皮肤的刺激性非常微弱,对比于生物材料植入生物基体的排斥反应可忽略不计,可知膜层材料浸提液无皮肤刺激性。因此,可认为微弧氧化制备的含生物膜层的钛合金是理想的生物植入材料。

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第1章 绪 论

1.1课题研究背景

1.2医用钛合金

1.3含钙磷生物材料生物学性能

1.4实现医用钛合金生物膜活性方法

1.5微弧氧化钛合金制备生物陶瓷膜层研究现状

1.6课题研究目的及意义

1.7本论文主要研究内容

第2章 医用钛合金表面生物膜形成机制

2.1引言

2.2微弧氧化机理研究的发展过程

2.3钛合金微弧氧化膜层生长过程

2.4钛合金微弧氧化生物膜层组织结构分析

2.5钛合金微弧氧化两极化学反应分析

2.6钛合金微弧氧化生物膜层钙磷相形成机制

2.7微弧氧化生成钙磷生物膜层工艺规律

2.8本章小结

第3章 钛合金生物膜制备工艺及性能

3.1引言

3.2生物膜制备试验及研究方法

3.3工艺参数对生物膜层生长过程影响

3.4钛合金羟基磷灰石膜层组成及性能

3.5钛合金含双相钙磷陶瓷膜层性能

3.6本章小结

第4章 氧化锆增强羟基磷灰石膜层力学性能研究

4.1引言

4.2 HA与ZrO2/HA膜层元素及相组成分析

4.3 ZrO2增强膜层生物力学研究

4.4本章小结

第5章 BCP膜层材料生物安全性能研究

5.1引言

5.2生物安全性分析

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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