医用金属材料表面Zr及ZrO2合金层的腐蚀、摩擦学及细胞行为研究

摘要

医用金属材料（如316L不锈钢、Ti-6Al-4V）由于其优良的耐蚀性、生物相容性及力学性能而广泛应用于硬组织修复、医疗器械等。在临床医用中，这些医用金属材料仍存在诸多问题。例如，316L不锈钢和 Ti-6Al-4V在人体组织液中容易被腐蚀而释放出有害的金属离子（Ni、Al、V），且其较差的耐磨性会导致离子加速释放，这些离子会引发组织病变或癌变，导致植入失效。此外，这些材料的生物活性不足，与骨之间不能形成牢固的化学骨整合，这些缺点严重限制了医用金属材料的应用和发展。因此，制备具有良好耐磨性、耐蚀性及生物活性的316L不锈钢及Ti-6Al-4V对医用金属材料在临床中的应用具有重要意义。 本课题拟采用等离子表面合金化技术在316L不锈钢及Ti-6Al-4V表面进行合金化处理制备出Zr合金层，再通过氧化处理制得均匀致密的ZrO2合金层，并研究了合金层的耐磨性、耐蚀性及细胞行为。具体研究内容及结果如下： 1. 利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、接触角测试仪、激光共聚焦扫描电子显微镜（CLSM）对316L不锈钢表面的Zr及ZrO2合金层形貌、相组成、接触角及粗糙度进行表征，并研究了合金层的耐磨性、耐蚀性及成骨细胞的粘附及铺展状况。结果表明，在316L不锈钢表面制得了均匀连续致密的Zr及ZrO2合金层。Zr合金层厚度为38 μm，并改善了316L不锈钢的耐蚀性，ZrO2合金层厚度为18μm，表现了良好的耐磨性。与316L不锈钢相比，Zr及ZrO2合金层均有利于成骨细胞的粘附及增殖。 2. 采用SEM、XRD、X射线光电子谱（XPS）、接触角测试仪、CLSM对Ti-6Al-4V表面的Zr及ZrO2合金层表面形貌、截面形貌、相组成、接触角及粗糙度进行表征，并研究了合金层的耐蚀性、耐磨性及成骨和内皮细胞的粘附、铺展及增殖。结果表明，Zr 合金层具有优异的耐蚀性，促进了成骨及内皮细胞的粘附、增殖及铺展。ZrO2合金层提高了Ti-6Al-4V的耐蚀性及耐磨性，对成骨细胞和内皮细胞未表现出毒性，但抑制了细胞的粘附及铺展。

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