【摘要】：隨著人口老齡化的加劇及創(chuàng)傷的增多,人們對(duì)生物醫(yī)用材料的需求越來(lái)越多,生物醫(yī)用材料的研究與開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)研究的重點(diǎn)之一。醫(yī)用鈦合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性,在醫(yī)用植入領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而,由于鈦合金是生物惰性金屬,不能和骨組織形成化學(xué)鍵合。羥基磷灰石(HA)生物活性高,是目前臨床上應(yīng)用最廣泛的種植體材料之一,但是其強(qiáng)度低和脆性大的缺點(diǎn)對(duì)它的臨床應(yīng)用有一定的限制。HA/金屬基復(fù)合涂層結(jié)合了金屬材料良好的力學(xué)性能和生物陶瓷良好的生物學(xué)性能,但在熱膨脹系數(shù)方面,涂層和基體相差很大,容易導(dǎo)致涂層在基體表面剝離。硅灰石具有良好的生物活性,其熱膨脹系數(shù)與鈦合金相近,是鈦合金表面理想的涂層材料。激光熔覆技術(shù)因制備的涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高,涂層厚度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),在生物復(fù)合涂層的制備領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。為了解決鈦合金不能和骨組織形成化學(xué)鍵合及生物陶瓷強(qiáng)度低不能用于承載結(jié)構(gòu)的問(wèn)題,本文首先采用溶膠凝膠法制備了硅灰石及摻雜Na2O, MgO, ZnO, ZrO2的硅灰石,然后,以自制硅灰石基陶瓷為涂層材料,采用激光熔覆技術(shù),在鈦合金表面成功制備了生物陶瓷涂層,實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈦合金的表面改性處理,并研究了工藝參數(shù)、稀土氧化物CeO2, Y2O3及金屬氧化物Na2O, MgO, ZnO, ZrO2的添加對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)及性能的影響,并對(duì)熔覆層的生物活性及生物相容性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。自制硅灰石的主要物相是單斜硅灰石β-CaSiO3,10mol%的Na2O, MgO, ZnO,ZrO2的加入沒(méi)有改變硅灰石的主要物相。當(dāng)MgO的添加量增加到15mol%時(shí),試樣的主要物相是Ca3Mg(Si04)2和CaMgSi2O6。硅灰石中加入ZrO2后,有四方氧化鋯(t-ZrO2)和假硅灰石(a-CaSiO3)相析出,a-CaSiO3是硅灰石的高溫相,ZrO2的加入降低了a-CaSiO3的析晶溫度。隨著ZrO2添加量的增多,t-ZrO2的衍射峰強(qiáng)度越來(lái)越大。硅灰石的生物活性及生物降解性與硅灰石和模擬體液(SBF)或Tris-HCl緩沖溶液的離子交換速率的快慢有一定的關(guān)系。10mol%的Na2O加入后破壞了硅灰石結(jié)構(gòu)的完整性,加快了硅灰石與SBF,Tris-HCl緩沖溶液的離子交換速率,提高了在SBF中硅灰石表面磷灰石的沉積速率及硅灰石在Tris-HCl溶液中的降解速率。10mol%的MgO, ZnO, ZrO2的加入使硅氧網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密,導(dǎo)致硅灰石與溶液的離子交換速率變慢,進(jìn)而降低了磷灰石的沉積速率及硅灰石在Tris-HCl溶液中的降解速率。利用激光熔覆技術(shù),以自制的硅灰石為涂層材料在Ti-6A1-4V表面成功制備了生物陶瓷涂層,陶瓷層與基體之間存在一個(gè)過(guò)渡層。本試驗(yàn)中,激光光斑直徑固定為3mm,當(dāng)輸出功率為500W,掃描速度為2.5mn·s-1,5.0mm·s-1及功率為600W,掃描速度為7.5mm·s-1時(shí),陶瓷層和過(guò)渡層及過(guò)渡層和基體的結(jié)合界面處沒(méi)有明顯缺陷。但當(dāng)輸出功率為500W,掃描速度為2.5mm·s-1時(shí),陶瓷層所占比例很小。顯微硬度值從陶瓷層到基體基本呈先增大后降低的趨勢(shì),最大值位于過(guò)渡區(qū),基體的硬度最低。輸出功率為500W,掃描速度為2.5mn·s-1,5mm·s-1及輸出功率為600W,掃描速度為5mm·s-1條件下制備的熔覆層表現(xiàn)出較高的硬度及耐磨性。綜合分析涂層與基體的界面結(jié)合狀態(tài)及熔覆層的性能,本試驗(yàn)優(yōu)化的工藝參數(shù)為：激光輸出功率P=500W,掃描速度V=5mm·s-1,光斑直徑D=3mm。最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的熔覆層表面粗糙不平,出現(xiàn)網(wǎng)狀、珊瑚狀、花瓣?duì)�、蜂窩狀等多種形貌,局部有明顯的細(xì)小孔洞。熔覆過(guò)程中,受熔池內(nèi)溫度梯度和凝固速率的影響,熔覆層截面由下到上由胞晶,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘�、枝晶和部分等軸晶,并且下部組織致密,上部組織疏松。涂層和基體之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散,陶瓷層主要包括CaTiO3, CaO, a-Ca2(Si04), SiO2和Ti02等物相。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)溫度高于1200℃時(shí),生成CaTiO3的吉布斯自由能低于生成CaSiO3的吉布斯自由能,反應(yīng)更傾向于生成CaTiO3,這與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。Ce02和Y203的加入沒(méi)有改變?nèi)鄹矊拥闹饕锵?Y203的加入抑制了熔覆層中細(xì)胞毒性化合物CaO的形成,利于細(xì)胞的增殖分化。加入Ce02和Y203后,陶瓷層上部組織明顯細(xì)化,尤其是Y203加入后,組織更加細(xì)小致密。Ce和Y是表面活性元素,能降低臨界形核半徑,增大晶核的數(shù)量,進(jìn)而在非自發(fā)形核的過(guò)程中細(xì)化組織。Ce02和Y203的加入增大了陶瓷層的平均硬度,提高了耐磨性,降低了熔覆層在Tris-HCl緩沖溶液中的失重率,提高了耐蝕性。添加10mo1%的Na2O, MgO, ZnO, Zr2O的陶瓷層中主要物相都是CaTiO3,加入MgO, ZnO, Zr2O后,還有其它新相析出。加入Zr02的熔覆層中析出斜方氧化鋯(o-ZrO2),CaZrO3和β-Ca2(Si04)相。o-ZrO2為ZrO2的高壓相,是四方相和周圍相之間應(yīng)力不匹配發(fā)生t-ZrO2到o-ZrO2的相變產(chǎn)生的。加入Na2O后,熔覆層組織變化不明顯,MgO和ZnO的加入細(xì)化了陶瓷層的組織,加入ZrO2后,陶瓷層組織變粗。Na2O的加入提高了熔覆層的耐磨性,對(duì)陶瓷層平均硬度的提高不明顯。MgO和ZnO加入后,由于陶瓷層中CaTiO3相對(duì)含量的降低,陶瓷層的平均硬度有所降低,耐磨性下降。含ZrO2的熔覆層由于發(fā)生了t-ZrO2到o-ZrO2的相變,硬度明顯增大,耐磨性顯著提高。隨著ZrO2添加量的增加,陶瓷層的平均硬度越來(lái)越大,耐磨性能逐漸提高。不同組分的熔覆層在SBF中浸泡21天后,表面基本被磷灰石層覆蓋,說(shuō)明熔覆層具有誘導(dǎo)磷灰石生成的能力。浸泡初期,SBF通過(guò)表面缺陷進(jìn)入熔覆層,熔覆層與SBF進(jìn)行離子交換,表面形成帶負(fù)電荷的富硅層,導(dǎo)致堿金屬離子吸附在表面,進(jìn)而引起SBF中HPO42-, PO43等離子向表面移動(dòng),形成無(wú)定形的磷灰石,磷灰石晶核形成后,便可依靠SBF中的Ca2+, HPO42-, PO43-,OH及CO32-等離子自身長(zhǎng)大。WC-10Mg熔覆層體外溶血率為0.32%,低于溶血率合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)(5%)。熔覆層在棉籽油和0.9wt.%的NaCl溶液中浸提后分別采取腹腔和靜脈注射方式注射到小鼠體內(nèi),72小時(shí)內(nèi),動(dòng)物體重增長(zhǎng)良好,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的中毒癥狀。L929小鼠成纖維細(xì)胞在熔覆層浸提稀釋液中浸泡24h后,細(xì)胞相對(duì)增殖率在97.20%,細(xì)胞飽滿,形態(tài)較好,有少部分呈圓形。溶血試驗(yàn)、急性毒性試驗(yàn)及細(xì)胞毒性試驗(yàn)表明,熔覆層具有良好的生物相容性。
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【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG174.4;TQ174.75
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本文編號(hào)：2292056