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医用钛基金属表面纳米结构的构建及性能研究

发布时间:2020-10-22 21:24
   钛基金属因具有较高的强度和较低的弹性模量,在医学上被广泛用作硬组织替代材料。但是,钛基金属也存在许多临床问题。主要表现在钛基金属属于惰性材料,无法与周围组织直接形成良好的骨结合,因此生物活性差。同时钛基金属耐腐蚀性、耐磨损性较差,易导致机体炎症。通过表面改性技术可提高钛基金属的生物活性和生物相容性。实验采用水热-等离子喷涂复合法制备Ti/Ti O2/Ta复合梯度材料。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及能谱仪、激光共聚焦显微镜、接触角测试仪等对复合梯度材料的晶体结构、微观形貌、表面粗糙度、表面润湿性进行表征。实验对钛表面进行酸处理法提高其表面粗糙度,最终获得了同向排列的微米台阶结构,最佳工艺参数为酸处理温度25℃、以0.53 mol/L HF和0.29 mol/L HNO3体积比为1:1的混合酸处理10 min。采用水热法在具有微米台阶的钛表面原位生长Ti O2纳米棒,其最佳参数为Na OH浓度5 M、水热温度130℃、热处理温度450℃,形成的纳米棒与钛基底结合牢固,由锐钛矿Ti O2和金红石Ti O2构成。采用等离子喷涂法在具有Ti O2纳米棒的钛表面喷涂钽粉末,制备的钽涂层的最佳工艺参数为喷涂电压60 V、喷涂距离150 mm,钽涂层有效厚度达75μm。最终形成Ti/Ti O2/Ta复合梯度材料。形成的复合梯度材料是钽、钛元素梯度分布。钽涂层与钛基体结合良好,结合力为66 N。复合梯度材料的硬度为4554 MPa,接近人体骨硬度,一定程度增加了材料的耐磨损性。复合梯度材料的腐蚀速度为0.547×10-6 A/cm2,只有钛基体的17%,耐腐蚀性得到明显的提高。复合梯度材料的表面能为63.4 m J/m2,改善了材料的润湿性。试样在模拟体液(SBF)中浸泡14d后,普通钛金属表面没有新物质生成。复合梯度材料表面羟基磷灰石(HA)的沉积量远大于钛基金属,表现出优异的生物活性。细胞毒性实验显示医用钛金属、微米台阶试样、Ti O2纳米棒试样、复合梯度材料四组试样均无细胞毒性。
【学位单位】:华北理工大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TG178;TB383.1
【部分图文】:

照片,钛表面,碱处理,热处理温度


图 1 不同热处理温度下碱处理钛表面的 FESEM 照片[22]Fig.1 FESEM images of titanium treated by NaOH at different heat treatment temperatur 电化学法电化学法是在含有钙磷成分的溶液中,通过调节阴极/溶液界面化学环境液中的钙磷成分在阴极表面相对高的 pH 环境下达到一定过饱和,进而从结晶析出,沉积在金属电极表面。电化学法主要包括阳极氧化法、微弧电泳沉积法等。阳极氧化法[25]是将金属片作为阳极进行电解,在金属片的表面生成金属其氧化层又立刻和电解质溶液中某种离子反应而产生化学溶解的过程。该涂层与基体的结合强度高,但涂层较薄,制备成本较高,不适用大规模的产。通常采用阳极氧化法在钛表面制备纳米管状的二氧化钛,Kodarna[26阳极氧化法在钛表面制备了 TiO2纳米管,见图 2。模拟体液浸泡实验表改性的二氧化钛纳米管能够迅速地诱导羟基磷灰石在其表面沉积。

SEM图,阳极氧化,铝基材,生物涂层


图 2 阳极氧化制备的 TiO2纳米管 SEM 图片[26]Fig.2 SEM images of the TiO2nanotube layers formed by anodization 复合改性技术材料与生物体的作用是错综复杂的,为了让植入体材料更好的适应人体环需要多种技术的综合[30]。吴振军[31]等人利用阳极氧化法制备具有多孔结3、再通过电沉积法在铝基材上制备 HA/Al2O3复合生物涂层,见图 3,该高,力学性能优良,且在 SBF 中呈现出优良的稳定性并能诱导类骨磷灰。邓飞龙[32]等人通过微弧氧化法(MAO)制备了蜂窝状的多孔结构,后的钛表面生成更多晶体,结果显示其表面有更多 HA 的生成,且钙磷比与,具有良好的生物活性,见图 4。

示意图,复合梯度,材料结构,示意图


(a)MAO 后的表面 SEM 形貌(b)水热处理的表面 SEM 形貌图 4 微弧氧化和水热处理后的钛表面扫描电镜图[32]Fig.4 SEM images of Ti surface after MAO and hydrothermal treatme水热法和等离子喷涂的优点,实验采用水热-等离子喷Ti/TiO2/Ta 复合梯度材料,以期提高材料的表面润湿性和和生物性能。材料结构示意图见图 5。
【参考文献】

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本文编号:2852113

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