钛合金表面TiO-BG-HA生物活性涂层的制备及性能研究

摘要

在钛合金表面涂覆羟基磷灰石(HA)生物涂层,综合了钛基体良好的机械性能与HA良好的生物相容性能,是目前人工骨种植体研究的热点之一。但是由于单一HA涂层与常用钛合金基体之间热膨胀系数相差较大,导致结合强度低,同时其耐磨耐蚀性较差,在摩擦力较大的部位很容易脱落,造成植入材料的失效。为了解决该问题,本课题采用溶胶-凝胶工艺在经过微弧氧化预处理的钛合金基体表面制备TiO2-BG-HA生物活性涂层。在钛合金表面进行微弧氧化预处理可以获得一个结合力优秀的TiO2层,在HA层与TiO2层之间添加一个成分可控的生物玻璃涂层(BG),用于减小HA层与基体的热膨胀系数的差异。这种结构设计可以通过改变生物玻璃的成分来解决钛合金与HA之间的结合问题,降低各涂层间内应力,同时其良好的强度和耐磨性解决了涂层材料的植入问题。 本实验重点研究了溶胶-凝胶工艺参数对涂层性能的影响,实验结果表明：溶胶体系中醇脂比EtOH/TEOS=5左右,玻璃成分为BG2,P2O5-乙醇溶液的浓度为1mol/L,Ca(NO3)2·4H2O-乙醇溶液的浓度为2mol/L,热处理温度为800℃时,可以得到性能良好的生物涂层。通过理论分析和实验验证,在制备溶胶过程中需添加适量的络合剂,并进行不小于24h的陈化,可以保证溶胶的稳定性；浸渍提拉法成膜时提拉速度控制在4～10cm/min,溶胶粘度控制在(1.0～5.0)mPa·S,可以保证溶胶的均匀性。 本实验利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和能量分散谱仪(EDS)分析了涂层的形貌、相结构及其化学组成,采用划痕法测定了复合涂层与基体的界面结合强度。结果表明：复合涂层表面均匀致密,并存在100～200nm的晶粒和30～40nm的微孔,并且从基体到最外层的孔径由大到小,呈梯度变化,形成涂基间的机械锁合,热处理后涂层表面生成的Ca2SiO4和PaTi5两种稳定相形成了化学冶金结合,使涂基结合力进一步增加,结合力达到45N左右,较单一HA涂层结合力有了很大的提高。 本课题与第四军医大学合作完成了生物溶解性实验,并进行了测试。结果显示：复合涂层溶解性能适中,浸泡后有生物体主要无机成分HA和HCA物质的产生,满足生物体对植入材料的要求,延长了材料的植入寿命。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题背景

1.2生物材料的分类

1.3硬组织修复和骨组织功能材料

1.4生物医用钛合金研究现状

1.4.1生物医用钛合金在应用中的优缺点

1.4.2生物医用钛合金的表面改性

1.5钛合金基体生物活性陶瓷涂层材料

1.5.1羟基磷灰石涂层

1.5.2生物玻璃涂层

1.5.3生物陶瓷涂层制备技术

1.5.4钛合金生物陶瓷复合材料的发展展望

1.5.5复合涂层结构设计

1.6选题目的及研究意义

1.6.1选题背景及意义

1.6.2课题研究目的

1.6.3课题主要内容

2实验材料与方法

2.1复合涂层成分设计

2.2溶胶-凝胶体系的选择

2.3制备工艺

2.3.1实验原料及设备

2.3.2钛基体的预处理

2.3.3制备工艺

2.4复合涂层的性能检测

2.4.1.复合涂层的XRD分析

2.4.2复合涂层的SEM分析

2.4.3复合涂层的EDS分析

2.4.4涂层的厚度测试

2.4.5复合涂层的结合强度测试

2.4.6复合涂层的体外溶解性试验

2.5本章小结

3实验工艺参数对涂层性能的影响及原理分析

3.1实验工艺参数对溶胶体系和涂层的影响

3.1.1醇脂比对溶胶性能的影响

3.1.2溶胶浓度对涂层的影响

3.1.3不同硅成分对合成BG涂层的影响

3.1.4温度对合成BG涂层性能的影响

3.2影响生物玻璃溶胶稳定性的因素

3.2.1陈化时间对溶胶稳定性的影响

3.2.2络合剂对溶胶稳定性的影响

3.3影响生物玻璃涂层均匀性的因素

3.3.1成膜方式对涂层均匀性的影响

3.3.2提拉速度对涂层均匀性的影响

3.3.3溶胶粘度对涂层均匀性的影响

3.4本章小结

4 TiO2-BG-HA生物复合涂层的组织性能研究

4.1涂层的XRD分析

4.1.1 HA涂层与BG涂层的XRD分析

4.1.2 TiO2-BG-HA复合涂层的XRD分析

4.2涂层的EDS分析

4.2.1 HA涂层的EDS分析

4.2.2 Ti02-BG-HA复合涂层的EDS分析

4.3涂层的SEM分析

4.3.1预处理后的钛合金表面形貌分析

4.3.2 HA涂层与复合涂层表面形貌分析

4.3.3TiO2-BG-HA复合涂层的截面形貌分析

4.4涂基结合强度测试与分析

4.4.1实验结果分析

4.4.2涂基结合力原理分析

4.5复合涂层成分分布特征

4.6涂层生物溶解性分析

4.7本章小结

5结论

致 谢

参考文献

在校期间发表的论文