钛合金表面改性及仿生法生物活性涂层的制备

摘要

为提高Ti6Al4V合金的耐磨性和耐蚀性能,降低有害离子Al和V的释放对人体产生的副作用,利用激光气体氮化技术在Ti6Al4V合金表面制备TiN枝晶表层,并用化学仿生法制备羟基磷灰石(HA)生物活性涂层。运用扫描电镜、能谱分析和X射线衍射等分析手段对涂层的表面形貌、表面元素含量和相组成进行了研究。得到的主要结论如下:采用激光气体氮化技术可在Ti6Al4V合金表面制备出TiN枝晶表层。与Ti6Al4V合金基体相比,激光气体氮化Ti6Al4V合金同等条件下,磨损量比基体少得多,耐磨性有很大提高;电化学腐蚀试验表明,激光气体氮化样品具有较高的腐蚀电位和较小的腐蚀电流,极化电阻是基体的4倍,耐腐蚀性能明显优于基体。碱热处理可以使Ti6Al4V合金表面活性增强,这主要是由于碱热处理使Ti6Al4V合金表面生成了具有诱导作用的Ti-OH基团。实验结果表明:通过模拟体液的培养,5天后能够在其表面制备出羟基磷灰石,并且随着试样在模拟体液中培养时间的增加,沉积层逐渐增厚。Ca、P元素含量随着培养天数的增加而增多,Ca/P也随培养天数的不同而改变。碱热处理可以改善激光气体氮化Ti6Al4V合金表面的生物活性,在激光气体氮化后的样品表面也成功制备出了羟基磷灰石生物活性涂层。但与Ti6Al4V合金相比,需要较长的生长时间。由于激光气体氮化样品表面三维TiN枝晶结构的存在,涂层与基体能够产生牢固的机械锁合,有利于提高涂层与基体界面结合强度,以及延长植入体的使用寿命。预钙化处理可以在Ti6Al4V合金表面引入Ca、P离子,但后续的生长实验表明预钙化并没有起到诱导HA形核的作用,未达到预期的效果,其原因仍在进一步探究中。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 生物材料概述

1.1.1 生物材料的定义

1.1.2 生物材料的发展过程

1.1.3 生物医用材料的应用及分类

1.2 生物相容性概述

1.2.1 生物相容性的概念

1.2.2 生物相容性陶瓷涂层

1.2.3 生物相容性的分类及评价

1.3 医用钛及钛合金

1.3.1 钛及钛合金的性能特征

1.3.2 医用钛合金的开发进展

1.3.3 钛及钛合金的表面活化及各种方法

1.3.4 钛及钛合金的生物相容性

1.4 课题背景及创新

1.5 主要工作内容

第二章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.1.1 基体原材料

2.1.2 试验所用试剂

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.3.1 激光气体氮化

2.3.2 碱热处理

2.3.3 预钙化处理

2.3.4 模拟体液的生长实验

2.4 分析测试方法

2.4.1 组织结构观察

2.4.2 涂层的成分分析

2.4.3 X-射线衍射分析

2.4.4 显微硬度测试

2.4.5 耐磨性测试

2.4.6 腐蚀性测试

2.4.7 SBF 溶液的pH 值变化规律的实验

第三章 激光气体氮化处理对Ti6A14V 合金组织和性能的影响

3.1 引言

3.2 激光气体氮化层的组织与性能分析

3.2.1 激光气体氮化层的宏观和微观组织分析

3.2.2 激光气体氮化后的物相分析

3.2.3 TiN 的反应机理探讨

3.3 激光气体氮化对Ti6A14V 合金硬度的影响

3.4 激光气体氮化对Ti6A14V 合金耐磨性的影响

3.4.1 磨损量

3.4.2 磨损表面形貌分析

3.5 激光气体氮化对Ti6A14V 合金耐蚀性的影响

3.5.1 极化曲线分析

3.5.2 阻抗图谱分析

3.6 本章小结

第四章 碱热处理对Ti6A14V 合金表层组织结构和生物活性的影响

4.1 引言

4.2 酸腐蚀

4.3 碱热处理对Ti6A14V 合金组织结构的影响

4.3.1 碱热处理后Ti6A14V 合金的组织分析

4.3.2 碱热处理后Ti6A14V 合金的物相分析

4.4 碱热处理对Ti6A14V 合金生物活性的影响

4.4.1 模拟体液培养后试样的表面形貌

4.4.2 试样涂层的物相分析

4.4.3 试样表面涂层的化学成分分析

4.4.4 试样培养期间模拟体液pH 值变化分析

4.5 分析讨论

4.6 本章小结

第五章 激光气体氮化Ti6A14V 合金表面生物活性的研究

5.1 引言

5.2 碱热处理对激光气体氮化Ti6A14V 合金表面生物活性的影响

5.2.1 碱热处理对激光气体氮化Ti6A14V 合金组织结构的影响

5.2.2 模拟体液浸泡后激光气体氮化Ti6A14V 合金试样表面形貌

5.2.3 试样表面沉积物的物相分析

5.2.4 试样表面沉积物的化学成分分析

5.2.5 HA 的形成机理探讨

5.3 激光气体氮化Ti6A14V 与Ti6A14V 基体的对比

5.3.1 耐磨性

5.3.2 耐腐蚀性

5.3.3 生物相容性

5.3.4 涂层与基体的结合方式

5.3.5 骨结合

5.4 本章小结

第六章 预钙化处理对Ti6A14V 合金表层组织结构和生物活性的影响

6.1 预钙化处理的目的

6.2 预钙化处理对表层组织结构的影响

6.2.1 预钙化后试样的微观形貌

6.2.2 预钙化后的物相分析

6.2.3 预钙化对试样表面化学成分的影响

6.3 预钙化处理对生物活性的影响

6.3.1 模拟体液浸泡后试样表面的变化

6.3.2 试样表面的物相分析

6.3.3 试样表面的化学成分分析

6.4 分析讨论

6.5 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

在读期间取得的科研成果

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