钛表面钙磷生物活性涂层的制备方法及机理探讨

摘要

钛因其密度小、比强度高、极好的生物相容性和耐腐蚀性，已经广泛应用于硬组织(如骨、关节、牙等)的修复和替换材料，并成为首选的金属医用材料；但其存在生物活性差、与骨结合时间长、在生理环境中向肌体游离金属离子等问题，限制了它在某些领域的应用。 微弧氧化法是一种新技术。它采用较高的能量密度，通过等离子体化学、电化学和热化学的共同作用，在Al、Mg、Ti等阀金属表面原位形成陶瓷膜层。具有工艺简单、效率高、无污染、处理工件能力强等特点。微弧氧化处理后的样品再经过水热处理后，能将微弧氧化膜层中的磷酸钙相转化为硬组织的主要无机成分－羟基磷灰石(HA)。 本文采用微弧氧化法和水热法在钛基上制备了含羟基磷灰石的钙、磷生物活性涂层。结合文献，通过对比实验，确定了电解液选取及配方。主要摸索了电压、处理时间、频率、占空比等工艺参数对改性结果的影响，最终选取了工作参数。并评定了膜层的结合强度、硬度、耐腐蚀性能。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)等手段，研究了微弧氧化膜层相结构以及水热处理前后膜层的性能变化。探讨了微弧氧化过程电解液中钙、磷成分掺杂进入陶瓷层的机理。研究表明： 经微弧氧化处理后，膜层的硬度有所提高。膜层主要由金红石型TiO2、锐钛矿型TiO2和少量非晶相组成，同时有磷酸钙(Ca3(PO4)2)和焦磷酸钙(Ca2P2O7)生成。 负向脉冲的加入，可能抑制了金红石相TiO2的生成。而负向脉冲对膜层钙、磷含量的影响尚不能确定。 XPS及SEM检测表明，微弧氧化膜层经水热处理后，表面有生物活性物质－羟基磷灰石(HA)的产生。 这些实验成果将对实际工程应用具有一定的指导作用。