生物医用超细晶TiNi合金电化学抛光和阳极氧化表面改性研究

摘要

TiNi合金以其形状记忆效应、超弹性、良好的生物相容性、耐磨性及耐腐蚀性而在临床和医疗器械等方面得到了广泛关注,已被广泛用于牙科、骨科和介入治疗等领域。与现有的TiNi合金相比,通过大塑性变形法制备的超细晶TiNi合金具有更高的超弹性、更低的弹性模量等性能,是一种很有应用前景的生物医用金属材料。本文围绕着超细晶TiNi合金生物相容性表面改性和揭示超细晶对表面改性的效应,所开展的工作和取得的创新性成果如下:
　　 研究了常规TiNi合金和超细晶TiNi合金电化学抛光表面的形貌、耐腐蚀性能、微动摩擦磨损性能和生物活性。结果表明:与常规TiNi合金电化学抛光表面相比,超细晶TiNi合金电化学抛光表面具有更多小尺寸(纳米尺度)蚀坑,更高的抗模拟体液电化学腐蚀性能(后者的腐蚀速率是前者的1/5),更低的摩擦系数、更高的耐磨性,以及更高的生物活性(后者在模拟体液中Ca-P层的生长速率是前者的2.8倍)。
　　 研究了电化学抛光时间(1min,3min)对常规和超细晶TiNi合金表面形貌与生物活性的影响。结果表明:电化学抛光时间从1min增加到3min时,常规TiNi合金表面纳米尺度蚀坑数量增多,但仅轻微提高了其生物活性(模拟体液中Ca-P层的生长速率),而超细晶TiNi合金表面纳米尺度蚀坑数量大幅减少,生物活性虽大幅降低,但仍显著高于常规TiNi合金。这一结果说明,除了增加纳米尺度蚀坑形貌外,组织超细化也是提高生物活性的一个有效方法。
　　 研究了常规TiNi合金和超细晶TiNi合金阳极氧化表面的形貌、耐腐蚀性能、微动摩擦磨损性能和生物活性。结果表明:与常规TiNi合金表面氧化膜相比,超细晶TiNi合金表面氧化膜具有数量略多的微米尺度沟壑,更高的抗模拟体液电化学腐蚀性能(后者的腐蚀速率是前者的1/30),更低的摩擦系数(0.3vs0.1)、更高的耐磨性,以及较高的生物活性(模拟体液中Ca-P层的生长速率)。
　　 研究了阳极氧化处理时间(3min,9min)对常规TiNi合金和超细晶TiNi合金表面形貌与生物活性的影响。结果表明:与常规TiNi合金阳极氧化表面相比,超细晶TiNi合金阳极氧化表面含有数量略多的微米尺度沟壑,生物活性亦较高;氧化时间从3min增加到9min时,合金的氧化程度增加,常规TiNi合金的生物活性(模拟体液中Ca-P层的生长速率)显著增加,而超细晶TiNi合金的生物活性仅轻微增加,Ca/P比都出现明显下降(分别从1.68到1.44,1.62到1.43)。
　　 本文的研究结果首次发现,TiNi合金的组织超细化能大幅度提高TiNi合金表面改性层(电化学抛光、阳极氧化)的抗腐蚀性能、微动摩擦磨损性能和生物活性。