HA生物活性梯度涂层的制备和性能研究

摘要

钛合金（Ti-6Al-4V）基体上附着具有生物活性的羟基磷灰石（HA）涂层，综合利用基体的强度和HA 涂层的生物活性，被认为是最具应用前景的承重骨替换材料。金属基体和HA 物理和化学性能的差别，造成的涂层和基体结合强度低，是影响这类材料广泛应用的主要原因。 本研究在钛合金基体上等离子喷涂制备HA 生物活性梯度涂层，利用X 射线衍射(XRD )、扫描电子显微镜(SEM )、EDS 和拉伸实验等技术对生物活性梯度涂层的结构、化学成分、结合强度性能进行深入研究；应用红外光谱，EDS 和SEM 研究涂层在模拟体液（SBF）浸泡以后表面的生成物化学组成和形貌，最终制得了具有生物活性和良好结合力的HA 梯度涂层。 采用有限元方法对等离子制备的单层和不同梯度涂层中残余应力的分布进行了计算机模拟，结果发现梯度设计可以降低涂层界面和表面残余应力，残余应力随着涂层厚度的增加而增加，喷涂的温度对涂层残余应力影响不大。 在模拟优化设计的基础上，成功地制备了力学性能和生物活性都很好的梯度涂层。多层梯度的涂层之间的界面结合良好；梯度涂层的过渡层截面上元素分布是Ca、O、P和Ti元素交替变化，HA和Ti颗粒交替出现在过渡层中，形成网状结构，有利于提高涂层内部粘结强度；梯度涂层结合强度达到32.17MPa，远远高于由单一涂层的20.80MPa；Ti底层致密，过渡层和顶层孔隙度增加，这种梯度结构有利于涂层在体内的长期稳定性和生物活性。 研究了梯度涂层在SBF 溶液中的行为，评价其生物活性。结果发现浸泡2 周以后涂层的表面被零散的类骨碳酸磷灰石(Ca10-x(PO4)6-x(CO3)x(OH)2)覆盖，4 周以后类骨碳酸磷灰石完全覆盖了涂层表面，显示出梯度涂层具有良好的生物相容性；800℃ 晶化处理可以提高涂层的中HA 晶体的含量，并且使涂层的表面裂纹增加，涂层表面生成HA 颗粒，这些变化对涂层在模拟体液（SBF）中的行为产生重要影响，晶化处理后涂层表面的类骨碳酸磷灰石是呈颗粒状的，而没有晶化的是层状的。