【摘要】：鈦合金擁有較為優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨和耐腐蝕性能,是目前應(yīng)用最廣泛的金屬植入材料。然而,目前使用的鈦合金生物植入材料仍存在彈性模量較高、生物活性較差以及部分材料在人體內(nèi)可能會(huì)釋放出有毒元素等不足。因此,本文選擇彈性模量最低的無毒性的β型Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金,通過添加造孔劑NH_4HCO_3制備多孔結(jié)構(gòu)降低彈性模量,通過堿的表面處理或添加HA制備β-Ti基復(fù)合材料增加生物活性,從而制備出低彈性模量、高生物活性、無毒性的人工骨植入材料。本文采用了放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備了不同性能的Ti-35Nb-7Zr-5Ta植入材料,研究了材料的相對(duì)密度、微觀組織、彈性模量、抗壓強(qiáng)度及生物活性。在不同的燒結(jié)溫度下,Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的相對(duì)密度均隨著燒結(jié)溫度的升高而升高。該鈦合金都是由β-Ti和少量的α-Ti、Nb、Ta相組成,并且隨著燒結(jié)溫度的升高元素?cái)U(kuò)散更加均勻,使β-Ti相增加,α-Ti、Nb、Ta相減少。燒結(jié)溫度的升高,材料的彈性模量從43GPa上升到53GPa,高于人骨。其抗壓強(qiáng)度從1563MPa升高至1777MPa。鈦合金在模擬體液(SBF)中浸泡表現(xiàn)出生物惰性,而經(jīng)過不同濃度的NaOH處理的鈦合金均提高了生物活性,其中10mol/L的NaOH處理后的鈦合金生物活性最佳。(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)-HA復(fù)合材料的相對(duì)密度隨著燒結(jié)溫度的升高逐漸增加,隨著HA含量的增加逐漸降低。復(fù)合材料的相均是由β-Ti、α-Ti及新形成的陶瓷相CaZrO_3、CaO、Ti_2O、Ti_5P_3和Ca_3(PO_4)_2組成。復(fù)合材料的彈性模量在30-95GPa范圍變化,略高于人骨,需進(jìn)一步降低。其抗壓強(qiáng)度在593-1978MPa之間變化,抗壓強(qiáng)度滿足植入要求。添加HA的復(fù)合材料均具有一定的生物活性,隨著燒結(jié)溫度的升高,生物活性逐漸降低,隨著HA含量的增加,生物活性逐漸提高。950℃下添加15wt.%HA復(fù)合材料的力學(xué)性能和生物活性滿足植入材料的要求。多孔Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的開孔率隨著燒結(jié)溫度的升高逐漸下降,隨著NH_4HCO_3含量的增加逐漸上升。多孔結(jié)構(gòu)主要由NH_4HCO_3分解留下的大孔和燒結(jié)不致密留下的小孔相互連通而成。多孔鈦合金的相都是由β-Ti、α-Ti、Nb、Ta組成。多孔鈦合金的彈性模量,能在1.1-6.0GPa范圍內(nèi)調(diào)控,與人骨適配。但其抗壓強(qiáng)度在32-160MPa范圍內(nèi)變化,略低于人骨。多孔鈦合金在SBF中浸泡均表現(xiàn)出生物惰性,而經(jīng)過不同濃度的NaOH處理的鈦合金表面展現(xiàn)出了很高的生物性,其中10mol/L的NaOH處理后的鈦合金表面形成多層致密的類骨磷灰石。多孔(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)-HA復(fù)合材料的密度隨著NH_4HCO_3含量的升高逐漸降低,隨著HA含量的升高逐漸升高。該材料的相都是由β-Ti、α-Ti及新形成的陶瓷相Ti_2O、CaZrO_3、CaO、Ti_5P_3組成。多孔復(fù)合材料的彈性模量,在12-52GPa范圍內(nèi)變化,能實(shí)現(xiàn)與人骨匹配。該材料的抗壓強(qiáng)度在255-1696MPa變化,滿足植入要求。因此,多孔復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)相容性。添加HA的多孔復(fù)合材料均具有一定的生物活性,隨著NH_4HCO_3和HA含量的升高,生物活性逐漸提高,但生物活性不如堿處理工藝的效果好,有待進(jìn)一步提高。綜上所述,使用SPS技術(shù)制備的以β-Ti為基體的無毒性多孔(Ti-35Nb-7Zr-5Ta)-HA復(fù)合材料,具有與人體適配的力學(xué)性能,又具有較好的生物活性,是綜合性能優(yōu)異的生物植入材料,具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)合金生物材料的發(fā)展入材料用于人體相對(duì)較早，如圖 1.1 所示。在公已經(jīng)損傷的牙齒，1588 年人類就學(xué)會(huì)了對(duì)破損的字記載患者骨折后醫(yī)生用金屬將其固定[16]。不銹鋼，但人們發(fā)現(xiàn)其摩擦學(xué)特性較差，容易磨損，導(dǎo)致開發(fā)了鈷鉻鉬合金（VitalliumPC），以解決耐磨性物的嘗試可以追溯到 20 世紀(jì) 30 年代后期，醫(yī)生的股骨，，四十年代通過生物實(shí)驗(yàn)學(xué)者開始探究在生研究者已近發(fā)現(xiàn)在生物體內(nèi)金屬材料幾乎不發(fā)生

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文相關(guān)疾病，如皮炎。而動(dòng)物活體試驗(yàn)研究也證明了，Co 具有316L 不銹鋼（200GPa）和 Cr-Co 合金（230GPa）具有比人骨應(yīng)力屏蔽效應(yīng)存在，引發(fā)植入材料失效[22]。合金生物材料的發(fā)展種過渡金屬元素，其最外層電子為 3d24s2，最外層電子未完全固溶體。鈦的熔點(diǎn)較高，達(dá)到 1678℃。金屬鈦的同素異形體方密堆積結(jié)構(gòu)（hcp）的 α 相（見圖 1.2a），當(dāng)溫度升到 882.5構(gòu)（bcc）的 β 相（見圖 1.2b）。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG146.23;R318.08

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本文編號(hào)：2601803