纯钛基体表面电泳沉积羟基磷灰石涂层的研究

摘要

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，简称HA或HAP)广泛存在于人类的骨和牙中，具有良好的生物相容性和生物活性，引起了生物医学材料研究者的广泛兴趣。由于人工合成的羟基磷灰石的强度和韧性差，因此不能直接应用于承载的部位。为了得到一种具有生物活性的种植体，人们利用涂层技术把HA涂覆在钛及其合金表面制备出生物活性涂层材料，这样既满足了种植体的生物活性和生物相容性，同时其机械强度也能满足承载条件下的需要。但是HA涂层与钛及其合金的膨胀系数差异较大，涂层中产生的张力容易引起涂层的脱落。 生物玻璃(Bioglass，简称BG)是一种成分可以调节的生物活性材料，可以通过调节成分改变其膨胀系数，使之与钛及其合金的膨胀系数接近。这样在HA层与钛及其合金之间以BG为过渡层，可以提高涂层与基体的结合强度。目前制备生物活性涂层的技术主要有等离子喷涂、电化学沉积、溶胶．凝胶法、离子束溅射等。但是这些传统方法制备的HA涂层取得了一定的成功，但也存在以下缺点：涂层表面不均匀、结晶度低、涂层与基体结合强度差等。因此研究一种可以精确控制涂层成分和结晶度的制备生物活性涂层的方法具有重要的现实意义。本文采电泳沉积制备HA涂层以及HA/BG复合涂层，综合利用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X-射线衍射(XRD)、傅立叶转换红外光谱(FT-IR)等对沉积的涂层进行表征。 实验结果表明，电泳沉积制备生物活性涂层受沉积电压、沉积时间、悬浮液陈化时间等因素的影响。当沉积电压为200V左右时，沉积后的涂层比较致密均匀，表面没有明显缺陷。热处理之后，涂层中羟基磷灰石结晶度很高，另外还有少量碳羟基磷灰石存在。基体表面氧化产生了TiO<,2>，它的存在可能起到减缓涂层和基体之间的热应力，提高结合强度的作用。电压过大容易使涂层表面存在过多大尺寸羟基磷灰石颗粒，影响涂层均匀性，这些大尺寸颗粒也容易脱落从而在涂层表面留下孔洞，使涂层失效，影响涂层使用寿命。虽然通过延长沉积时间可以改善这一问题，但是沉积时间越长，涂层厚度越大，这样涂层材料在生理环境内的溶解过于缓慢，不利于基体与人体组织形成良好的结合。当沉积时间较短时，涂层的溶解则过于迅速，也不利于基体与人体组织的结合。 在沉积电压较低的电泳过程中，颗粒所获得的驱动力不足，单位时间内沉积的羟基磷灰石颗粒的数量比较少，形成的涂层脆性较大，容易脱落。虽然低电压下，进行长时间沉积可以达到一定的沉积量，获得较厚的涂层，但是这样所获得的涂层，其表面不均匀，热处理后的粒子烧结度不高，而且生物活性不够好。悬浮液陈化时间对于涂层也有很大影响。当悬浮液陈化时间为一天时，悬浮液存在较多大颗粒，沉积之后制备的涂层在干燥处理之后就发生龟裂而脱落。陈化三天，七天时，所制得的涂层未发现龟裂现象。悬浮液陈化七天后制备的涂层表面的颗粒尺寸比较均匀，烧结度比较高。 BG与HA复合涂层可以改善单一HA涂层内部出现应力导致涂层脱落的问题。添加了BG过渡层的复合涂层的表层形貌与单一涂层没有明显区别。X射线衍射和红外光谱结果显示涂层中HA和BG成分结晶度都很高。划痕测试显示，添加了生物玻璃过渡层的涂层的临界载荷高于单一HA．涂层，这说明BG过渡层有利于提高HA涂层与金属基体的结合力，而且BG涂层具有一定的塑性变形能力，这也有利于提高涂层的力学性能。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2羟基磷灰石生物陶瓷材料的性质

1.3生物涂层材料的制备方法

1.3.1等离子喷涂法

1.3.2脉冲激光沉积

1.3.3溶胶凝胶法

1.3.4电泳沉积

1.4存在的问题

1.5本文的主要研究内容

第2章实验材料与方法

2.1羟基磷灰石粉末的制备

2.2生物玻璃粉末的制备

2.3生物活性涂层的制备

2.4分析测试方法

2.4.1 X射线衍射分析(XRD)

2.4.2红外光谱分析(FT-IR)

2.4.3电子探针分析(EPMA)

2.4.4扫描电镜(SEM)

2.4.5划痕测试

2.4.6粒度分析

第3章电泳沉积羟基磷灰石涂层

3.1电泳沉积羟基磷灰石涂层的组织结构

3.1.1粉末粒度分析

3.1.2涂层形貌分析

3.1.3涂层的相分析

3.1.4涂层的基团特征

3.1.5热处理后涂层粒子的烧结度

3.2沉积电压对涂层的影响

3.2.1沉积电压对涂层形貌的影响

3.2.2沉积电压对涂层基团的影响

3.2.3沉积电压对涂层烧结度的影响

3.3沉积时间对涂层的影响

3.3.1沉积时间对涂层形貌的影响

3.3.2沉积时间对涂层基团的影响

3.3.3沉积时间对涂层烧结度的影响

3.4悬浮液陈化时间对涂层的影响

3.5生物玻璃过渡层对涂层的影响

3.5.1生物玻璃过渡层对涂层形貌的影响

3.5.2生物玻璃过渡层对涂层相组成的影响

3.5.3生物玻璃过渡层对涂层基团的影响

3.5.4过渡层对涂层结合力的影响

第四章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间撰写和发表的论文