316L不锈钢纳米化表面生物改性薄膜研究

摘要

目前,临床用于骨科植入的生物医用金属材料主要有不锈钢、钛合金和钴基合金等,医用不锈钢以其良好的力学性能及相对低廉的价格成为关节置换、整形外科等常用的骨科植入材料之一,但是不锈钢的表面生物活性、摩擦性能等仍需进一步提高。因此,开发新一代生物性能更优异的骨科置换材料成为研究热点。近年,表面纳米化316L不锈钢屈服强度和疲劳寿命高,比一般不锈钢更能满足植入材料对力学性能的要求,在人工关节领域具有较好的应用前景。研究证实TiO2薄膜生物活性优异。因此,在表面纳米化316L不锈钢基体上构建TiO2薄膜,这种复合材料有望成为新型骨科置换材料。
　　 本文采用射频反应磁控溅射技术在表面纳米化316L表层制备TiO2薄膜和掺Ta-TiO2复合薄膜,系统研究了薄膜的微结构、生物活性和摩擦学性能。
　　 在本底真空度5.5×10-5pa,溅射功率150W,溅射时间3h,总气压1.5Pa,氧分压0.375Pa,衬底温度为室温,靶基距70mm条件下,采用射频反应磁控溅射法在表面纳米化316L不锈钢(SNG-316L)表层制备的TiO2薄膜成膜质量较好,表面平整,致密度较高。
　　 采用射频反应磁控溅射技术在CG-316L和SNG-316L不锈钢表面制备TiO2薄膜。316L不锈钢表面纳米化后,SNG-316L对表层TiO2薄膜具有显著“诱导TiO2形核效应”;SNG-316L显著改善表层TiO2薄膜的沉积速率、亲水性、生物活性、摩擦性能和膜/基界面结合力,平均摩擦系数由0.572降到0.311,并且膜/基界面结合力由19N提高到23N。
　　 掺杂适量的钽能够细化SNG-316L基TiO2薄膜晶粒;随着钽含量的增加,薄膜趋向于TiO2和Ta2O稳定结构;掺钽后TiO2薄膜的亲水性能提高,随着钽含量的增加TiO2薄膜的表面自由能由42.7dyn.cm-1增加到72.8dyn.cm-1;掺钽后SNG-316L基TiO2薄膜的生物活性和摩擦性能显著改善,其抗腐蚀性能有一定提高。随钽含量的增加,TiO2薄膜在SBF溶液中吸附的磷灰石形貌可由球状团簇结构逐步转变为多孔密集网状结构;含钽36%的TiO2薄膜的生物活性最优异,含钽23%的TiO2薄膜摩擦系数最低(0.147),抗磨性能最佳;当钽含量在23%到36%范围内时,SNG-316L基掺钽TiO2复合薄膜同时具备优异的生物活性和良好摩擦学性能。