（材料加工工程专业论文）微弧氧化制备Ti6Al4V生物薄膜的工艺研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文对t i 6 a 1 4 v 生物薄膜的微弧氧化( m a o ) 制备工艺进行了研究，在前 人研究的基础上，通过大量的试验对微弧氧化表面处理工艺参数的设定进行了有 益的探索，研究了在d 甘油磷酸钠和醋酸钙组成的电解液体系中，以不同的工艺 参数如电流密度、占空比、频率、氧化时间进行微弧氧化处理，对t i 6 a 1 4 v 表面 所生成的薄膜厚度、形貌、相组成等的影响。通过水热处理的手段诱发了膜层羟 基磷灰石的生成，并进行了模拟体液浸泡试验及抗凝血试验，检测了膜层生物活 性及生物相容性。 研究结果表明：在恒流模式下，t i 6 a 1 4 v 微弧氧化所采用的电流密度、占空 比及氧化时间等工艺参数对氧化膜的生长与组织结构有显著的影响，但脉冲频率 影响较小。合金表面生成的微孔数目大小均受上述四个因素的影响。总的影响效 果为，随电流密度的增大，占空比的增加，氧化时间的延长，微孔数目减少，尺 寸增加，与脉冲频率增加的情形相反。x r d 分析表明，t i 6 a 1 4 v 微弧氧化生物薄膜 主要由锐钛矿型t i 0 2 和金红石型t i 0 2 组成。随电流密度的增大，金红石相t i 0 2 的含量逐渐增加，溶液中的c a 、p 元素进入到膜层形成非晶相。氧化时间，占空 比对微弧氧化膜生长与组织结构的影响与电流密度相类似。随着脉冲频率的增 大，氧化膜的厚度降低、表面微孔尺寸减小，表面微孔数目增加。当频率在5 0 0 h z 至9 0 0 h z 时，对氧化膜中两种晶型t i 0 2 的相对含量没有影响。划痕试验表明，膜 层与基体间的结合力随电流密度、占空比的增加而减小，随脉冲频率、氧化时间 的增加而增大。水热处理试验表明，经水热合成处理后的氧化钛膜层表面的无定 形物质能转变为结晶态羟基磷灰石( h a ) 。随着水热处理条件的变化，生成的 h a 的数量，颗粒大小，分布均会有所不同。模拟体液浸泡试验结果表明，经水 热处理的微弧氧化试样可以在模拟体液中生成羟基磷灰石，随着浸泡时问的延 长，生成的羟基磷灰石的量不断增加，表明其具有较好的生物活性。血液相容性 试验表明：m a o 生物膜层表面的血液凝固特性弱，凝血时间较长，m a o 膜层的 血小板粘附量明显少于t i 6 a 1 4 v 合金，血液相容性显著提高。 关键词：钛合金，微弧氧化，水热处理，生物活性，生物相容性 江苏大学硕士学位论文 b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h et e c h n i c so fb i o a c t i v e o x i d a t i o no nt i 6 a 1 4 vb ym i c r o - a r co x i d a t i o n t h e t h et h e s i si sa b o u tm i c r o - a r c o x i d a t i o no ft i 6 a 1 4 v ，b a s e do nl o t so fe x p e r i m e n t sa p p l y i n gm i c r o a r co x i d a t i o n p a r a m e t e ru n d e r c o n s t a n tc u r r e n tc o n d i t i o n i n f l u e n c eo fe l e c t r o n i c p a r a m e t e r s ( c u r r e n td e n s i t y ，d u t yc y c l e ，f r e q u e n c ya n dt i m e ) a l es t u d i e do nt i 6 a 1 4 vc o a t i n g t h i c k n e s s ，s u r f a c ea n dc o m p o s i t i o no fp h a s ei nt h eb - c 3 h 7 n a 20 6 1 5 h 2 04 + ( c h 3 c 0 0 ) 2 c a h 2 0s o l u t i o n b i o a c t i v i t ya n db i o c o m p a t i b f l i t yp r o p e r t yo ft h ef i l m a f t e rt r e a t m e n to fd i f f e r e n te l e c t r o n i cp a r a m e t e r sw a sa n a l y z e db ys o a ki ti n t o s i m u l a t eb o d yf l u i da n db ya n t i c o a g u l a t i o ne v a l u a t i o na n dt h e g e n e r a t i o n o f h y d r o x y a p a t i t ew a si n d u c e db yh y d r o t h e r m a ls y n t h e s i s t h er e s u l ts h o w e d ，t h e g r o w t ha n ds t r u c t u r eo ft ia l l o yo x i d a t i o nc o a t i n g c a l lb e a f f e c t e do b v i o u s l yb yc u r r e n td e n s i t y ，d u t y c y c l ew i t hc o n s t a n tc u r r e n ta n do x i d a t i o n t i m e ，b u tn o tb yf r e q u e n c y 。t h en u m b e ra n ds i z eo fm i c r o p o r ea r ea f f e c t e db yt h e a b o v ef o u rf a c t o r sa tt h es a m et i m e w i t ht h ei n c r e a s i n go fo x i d a t i o nt i m e ，d u t yc y c l e a n dc u r r e n td e n s i t y ，t h en u m b e ro fm i c r o p o r ed e c r e a s e s ，t h es i z eo fm i c r o p o r e i n c r e a s e s t h i si so p p o s i t ew i t hf r e q u e n c y x r ds h o w e dt h eo x i d a t i o nc o a t i n gi s m a i n l yc o m p o s e do fa n a t a s ea n dr u t i l et i 0 2 t h el a t t e ri n c r e s e s 、析t i lt h ei n c r e a s eo f t h ec u r r e n td e n s i t y ，a m o r p h o u sp h a s ef o r m e da st h ee n t r a n c eo fc aa n dpi n t ot h e c o a t i n g d u t yc y c l ea n do x i d a t i o nt i m eh a v eas i m i l a ri n f l u e n c et ot h et h eg r o w t ha n d c o m p o s i t i o no fm i c r o a r co x i d a t i o n w i mt h ei n c r e a s eo ft h ei m p u l s ef r e q u e n c y ， t h i c k n e s st u r n sl o w e r ，s i z eo fm i c r o p o r eo nt h ec o a t i n gs u f a c eb e c o m e sl e s s ，b u t n u m b e r sg r a d u a l l yi n c r e a s e w h e nf r e q u e n c yi sb e t w e e n5 0 0 h za n d9 0 0h z ， i n f l u e n c eo fi m p u l s ef r e q u e n c yi sn o ts oo b v i o u st ot h er e l a t i v ec o n t e n to fa n a t a s e a n dr u t i l et i 0 2 t h es c r a t c ha d h e s i o nt e s ts h o w e d ：b o n db e t w e e nc o a t i n ga n d m a t r i xd e c r e a s e sw i t hd u t yc y c l ei n c r e a s e sa n dc u r r e n td e n s i t yi n c r e a s e s w h i l e g r a d u a l l yi n c r e a s ew i t hi n c r e a s eo ff r e q u e n c yu n d e rc o n s t a n tc u r r e n tc o n d i t i o n h y d r o t h e r m a ls y n t h e s i s ( h s ) s h o w e d ，d i f f e r e n tm e d i u m ，t e m p e r a t u r ea n dd i s p o s e d t i m ea f f e c tt h em o r p h o l o g y ，t h eq u a n t i t y ，d i s t r i b u t i o na n dt h er i m ee x t e n to ft h eh a 江苏大学硕士学位论文 a m o r p h o u ss u b s t a n c eo nt h es u r f a c ei st r a n s f o r m e di n t ot h ec r y s t a lh a s t i m u l a t e d b o d yf l u i di m m e r s i o ne x p e r i m e n t ss h o w e d ：t ia l l o yi n d u c e sf o r m i n gh a i nt h es b f a f t e rt r e a t e dw i mm a o - h s t h e q u a n t i t yo fh a i n c r e a s e sw i t he x t e n s i o no ft i m ea n d t h ec o a t i n gh a sg o o db i o a c t i v i t y h a e m o c o m p a t i b i l i t ye x p e r i m e n tf i n d st h a tt h eb l o o d d o t t i n gt i m eo ft h ec o a t i n gi sm u c hl o n g e rt h a nt h a to ft ia l l o y ：a n dt h ep l a t e l e t s t i c k i n gn u m b e ro nt h ec o a t i n gi so b v i o u s l yl e s st h a nt h o s eo nt h et ia l l o y t h e s e i n d i c a t et h a tt h eh a e m o c o m p a t i b i l i t yo ft h ec o a t i n gi sr e m a r k a b l ys u p e r i o rt ot h et i a l l o y k e yw o r d s ：t ia l l o y ，m i c r o - a r eo x i d a t i o n ，h y d r o t h e r m a ls y n t h e s i s ，b i o a c t i v i t y ， b i o c o m p a t i b i l i t y m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密眵。 学位论文作者签名：孑k 笮里 铆护7 年岁月弘e t 指导教师签名： f 月彳。日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孙藿望 日期：哆。口罗年厂月夕e t 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 生物材料简介 生物材料( b i o m a t e r i a l s ) 有时也称为生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) ，一般 是指具有特殊性能、特种功能，能用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、 检查、治疗疾患等医疗和保健领域，而对人体组织和体液无不良影响的材料【1 。2 1 。 人类利用生物材料的历史与人类历史一样漫长，依据其发展历史和材料本身的特 点，可分为：2 0 世纪初第一次世界大战以前所使用的生物材料可归于第一代生 物材料，代表材料有石膏、金属、橡胶以及棉花等；到2 0 世纪8 0 年代中期，第 二代生物材料出现，其发展是以医学、材料科学、生物化学和物理学为基础，目 的是“能够与替换组织相匹配，在母体内具有最小的毒性，实现与身体机能一致 ， 代表材料有生物活性玻璃、纤维蛋白等：目前已经出现了第三代生物材料，它们 一般由具有生理活性的组元和控制载体的非活性组元构成，具有比较理想的修复 再生功效，通过材料之间的复合，材料与活细胞的融合，活体材料和人工材料的 杂交等手段，赋予材料特异的靶向修复、治疗和促进作用，从而达到病变组织部 分甚至全部由健康的再生组织所取代。代表材料为细胞和基因活化材料【3 】。 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s1 可以按以下标准进行分类m ：材料属性、 材料生物功能性、临床用途等。 按材料属性分为生物医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材料、生物 衍生材料及生物医学复合材料。 按材料生物化学反应水平，又可分为生物惰性材料、生物活性材料、可生物 降解和吸收的生物材料。 按用途可分为硬组织修复替换材料、软组织修复替换材料、与血液、体液及 组织接触材料、医用膜材料、药物释放载体材料及临床诊断生物传感器等。 与其他各类生物材料相比，生物医用金属材料，又称外科用金属材料( s u 哂c a l m e t a l1 ，具有良好的生物力学性能，是临床应用最广泛的承力植入材料，涉及硬 组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。已经用于临床的医用金属 材料主要有3 1 6 l 不锈钢、钛基及钛基合金等。 生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会发展具有十分重要的意义。 近三十年来，生物医用材料的研究与开发取得了令人瞩目的成就，使得数以 江苏大学硕士学位论文 百万计的患者获得康复，大大提高了人类的生命质量。随着科学技术的发展和人 口老龄化，以及工业、交通、体育等导致的创伤增加，人们对生物医用材料及其 制品的需求越来越大【7 】。硬组织材料是生物医用材料的重要组成部分，在人体硬 组织( 骨、牙等) 的缺损修复及重建已丧失的生理功能方面起着重要的作用。1 9 9 9 年，全球生物材料及其制品销售额达1 0 0 0 亿美元，其中硬组织生物材料占1 5 。 我国骨缺损患者近3 0 0 万，牙缺损患者人数达总人数的1 3 到1 5 。以人工关节 为例，目前国内人工关节置换手术3 5 力例年，年销售额2 5 亿元人民币。随着 经济的稳定发展健康观念的更新进步，关节置换率将以每年约1 5 - - 2 0 的速率 递增，最终达到1 0 0 万例年的水平【羽。由此可见，硬组织替代和修复材料市场前 景广阔。因此硬组织修复材料研究一直是生物医学材料领域的热点【9 - 1 1 1 。 临床已经证明，白体骨移植是治疗骨缺损的最好方法，但其来源有限，取骨 区有一定的并发症。异体骨具有自体骨的一些优越的组织特点，但其存在免疫排 斥反应，并有感染h i v 和肝炎等病毒的可能，而且制样、处理和存贮的成本很 高，所以其应用受到很大限制【1 2 d 3 1 为了克服这些局限，人们研究了用作骨替代物 的人工材料。为了制备和研究骨修复材料，了解人体骨组织的物理、化学及力学 性能非常重要。就根本而言，替代材料的各方面性能应该尽量接近人体自身固有 硬组织的性能指标，才能更好地满足人体的需要。 1 2 骨替代材料的分类和现状 骨替换材料也即骨修复材料，是替代人体硬组织( 骨骼、牙齿等) 的生物材料， 是重要的生物医用材料之一。由于在使用过程中与人体生理环境相接触，因而与 其它功能材料相比，植骨生物材料还必须具备某些特殊要求。一般来说，植骨生 物医用材料应满足如下基本要求【1 4 1 ： 1 尽可能小的人体排异性，即植入人体后，无不良刺激、无过敏、不引起感染等 症状。 2 足够的强度和韧性。 3 稳定的理化特性。 4 优良的生物活性。 作为骨修复材料，除了具备必需的理化特性外，还需要满足在生理环境中工 作的生理学要求，包括生物安全性、生物相容性及生物功能性。 2 江苏大学硕士学位论文 现有的骨修复材料主要分为以下四种：医用金属材料、生物陶瓷材料、医用 高分子材料和生物复合材料。 1 2 1 医用金属材料 生物医用金属材料是最早被采用的生物材料，也是目前最常用的骨替换材 料之一，主要用于整形外科和牙科领域。医用金属材料具有较高的强度和韧性 常作为受力器件植入体内，如人工关节、人工椎体、骨折内固定钢板、骨钉、 牙种植体等。引起的生物反应最小是金属骨替换材料的选择标准。由于力学和 环境的共同要求，用于骨和关节重建的金属主要有不锈钢( 铁基) 、钴基合金 和钛基材料。其中钛及其合金具有优良的机械性能和良好的生物相容性，得到 最为广泛的应用【1 5 l 。尽管医用金属材料具有一定的生物相容性，但因其结构和 性质与骨相差很大，缺乏生物活性，难以与骨组织发生键性结合，仅形成一层致 密的纤维包膜，所以其应用具有一定的局限性。此外，绝大多数医用金属材料弹 性模量较骨过高，易造成骨应力吸收，引起种植体松动、脱落、失败。因此，金 属材料很少单独使用，其研究和应用主要集中在与其他材料复合使用方面【1 6 1 。 1 2 2 生物陶瓷材料 陶瓷是指由金属离子和非金属离子两部分以离子键结合的一类晶体材料，按 照其生物活性分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷。 生物惰性陶瓷是指化学性能稳定并与机体组织生物相容性好的陶瓷材料。 从材料的结构来看，其化学键较强，具有较高的机械强度和耐磨损性能，可以 应用于各种人工关节、人工骨和人工齿根。目前应用和研究的生物惰性陶瓷主 要有多晶氧化铝、单晶氧化铝、氧化锆、热解碳等材料。这类材料的特点是机 械强度良好，但是不具有生物活性，与体内组织之间主要依靠形态结合，种植 体与生物基体间往往形成一定厚度的纤维组织。 生物活性陶瓷材料是指能与活体骨组织、活体软组织形成化学键合的陶瓷 材料。对于硬组织替换材料，这种键合主要通过羟基磷灰石在界面处的沉积来 实现。界面结合强度随时间增长而增强，与骨折愈合的情形相似【1 7 1 。“生物活性” 这一概念是ll h e n c h 于1 9 6 9 年首次发现生物玻璃与骨的键合现象后提出的， 是指“植入体与机体组织之间不会形成纤维组织包裹，不被机体排斥，与宿主组 织直接结合的性质【1 8 1 。 3 江苏大学硕士学位论文 生物活性陶瓷研究和应用中，以钙磷陶瓷为主，包括羟基磷灰石 ( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 和磷酸三钙( t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ，t c p ) 1 1 9 l 。它们的主 要成分为钙、磷离子，与骨无机质相似，骨修复作用主要体现在骨传导性方面， 可以为新骨的形成提供支架。 h a 是目前研究较多的一种生物活性材料【刎。它是人体骨骼组织的主要无机 成分，含有人体组织所必需的钙和磷元素。植入体内后，在体液的作用下，钙和 磷会游离出材料表面，被机体组织所吸收，并形成新的组织。世界各国都对h a 材料进行了广泛的基础和临床应用研究。有报道称，在狗股骨中植入粒状h a ， 进行了长达8 年的x 线及组织学观察，尚未发现炎症及不良反应。b r u d e r 2 1 】将 骨髓基质细胞 o n em a r r o ws t r o m a lc e l l s ，b m s c ) 接种于多孔的圆柱状陶瓷上， 修复了骨缺损，试验中没有出现异常反应。由珊瑚得到的多孔h a 具有与松质骨 相似的结构，通过动物模型和临床试验证实，微血管可以侵入种植块，然后转化 为成熟骨板，其生长过程与自体修复中所观察到的现象基本相同。目i j ，珊瑚 h a 植入体已成功地应用于网状干骺端的修复，但还尚未用于骨干损伤修复【2 2 1 。 t c p 具有非常高的生物相容性，在骨移植基质研究中也受到普遍重视【2 3 1 。 大孔的t c p 被骨组织工程用作干骨重建的骨架。b a k s h 等【刎用聚氨酯海绵方法 编织出具有三维网络结构的新型多孔聚磷酸钙骨架材料( c p p ) ，并进行了离体研 究，发现多孔的c p p 骨架能促进骨生长。1 3 - t c p 属可吸收生物陶瓷，在体内可 逐渐被降解和吸收，新骨可逐渐替换植入体，但其降解和吸收速度与骨形成速度 难以达到一致，且强度较低，不适于人体承力部位的骨修复，主要用于矫正小的 骨缺损，如骨缺损腔填充，牙槽脊增高等【2 5 - 2 7 1 。 1 2 3 医用高分子材料 医用高分子材料是指在生理环境中使用的高分子材料。用于硬组织修复的高 分子材料可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两类。天然高分子包括胶 原( c o l l a g e n ) 、纤维蛋白( f i b r i n ) 、几丁质( c h i t i n ) 和藻酸盐( a l g i n a t e ) 等。这 些天然材料生物相容性好，利于细胞粘附、增殖和分化，但其力学性能差，力学 强度与降解性能间存在反对应关系，导致降解速度慢，难于满足组织构建的速度 要求。因此，天然高分子生物材料一般不单独用作骨修复材料。人工合成高分子 材料可分为不可降解聚合物和可降解聚合物两类。不可降解的聚合物有聚乙烯、 4 江苏大学硕士学位论文 尼龙等，可降解聚合物主要有聚乳酸( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) ，聚偶磷氮( p o l y p h o p h a z e n e s ) 、聚原酸酯( p o l y o r t h o d e s t e r ，p o e ) 、聚已内酯( p o l y c a p r o l a c t o n e ， p c l ) 、聚酯尿烷( p o l y e s t e r u r e t h a n e ) 、聚酸酐亚胺共聚物、聚羟丁酯( p h b ) 等。 聚乳酸( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) 以及它们的共聚物( p l g a ) 是目前应用最广的 可降解高分子材料。p l a 是一种具有一定机械强度和良好加工性能的生物降解 材料，p g a 在体内无毒，无积蓄，在缝线材料方面的应用已证实其具有良好的 生物相容性。m i k o s 进行了大量的研究，采用层压技术成功地制成了具有三维多 孔结构的聚合物泡沫，层压的微孔彼此相通，空隙率达9 0 。这种多孔结构为细 胞提供了较大的粘附面，有利于细胞的粘附，并且允许血管向内生长，从而加速 了移植部位的骨重型捌。b o u n m e e s t e r 用含p e 0 6 0 、p b t 4 0 的p o l y a c t i v e t m 共 聚物来填充兔子小梁骨和股骨皮质的缺损，半定量地测定了这两个部位的成骨 量，发现该材料可以选择吸收移植部位附近的钙，具有生物活性，可以刺激新骨 形成，是一种很有前途的骨移植替代物【冽。 p l a 、p g a 在应用过程中也存在一些缺点：( 1 ) 机械强度不足，尤其是抗 压强度不足；( 2 ) 降解速度过快，容易引起材料结构失去支撑作用；( 3 ) 引起无 菌性炎症，这可能与聚合物降解过程中产生的酸性物质有关；( 4 ) 亲水性差，细 胞吸附力弱【3 0 。1 1 。 以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥( p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t ec e m e n t ，p m m a c ) 为 代表的传统丙烯酸酯类骨水泥是一种由粉剂和液剂组成的室温自凝粘固剂。 p m m a c 在面团期具有可任意塑形的特性和良好的粘固作用，并且在固化后具有 较强的机械强度【3 2 1 。但p m m a c 属于生物惰性材料，不能与宿主骨组织形成有 机的化学界面结合【鲫，另外凝固聚合过程中产生热量、单体的细胞毒性作用、 可操作时间有限等不足也限制其临床应用【3 q 。 1 2 4 生物复合材料 没有一种单一组分能完全满足理想骨替代材料的要求，鉴于骨组织复杂的组 织结构及相应的功能，研究和开发复合材料成为一种方向。复合材料是将两种或 两种以上的生物材料相结合，使复合后的材料具有多种特性，以提高骨组织修复 功能。从结构组成方面来看，骨组织本身就是由骨基质和细胞成分两大部分构成 的复合物，骨基质又由无机矿物质与胶原等有机成分组成。因此，为了最大限度 5 江苏大学硕士学位论文 地恢复骨组织的形态和功能，可采用复合方法，取长补短、集几种材料的优点于 一体，发挥更好的修复重建效果l 鲫。复合材料的种类主要包括以下几种【蛔： ( 1 ) 有机有机复合生物材料 该类复合材料的研究主要集中在可降解高分子材料之间的复合上，包括天然 高分子材料、生物合成聚酯、人工合成聚酯和聚酸酐等。通过对不同组分复合之 后材料的相容性以及结构和性能的考察，筛选具有最佳综合性能的复合生物材 料。 ( 2 ) 有机无机复合生物材料 主要用途在于修复和重建人体的硬组织，作为骨修复或骨固定材料，有机 无机复合生物材料结合了有机组分的韧性和无机组分的刚性，充分利用了无机组 分或部分有机组分的生物活性或降解性能，形成了具有综合使用性能的骨修复复 合材料，但其工艺复杂，制作困难。 ( 3 ) 金属无机复合生物材料 用于人体硬组织修复的金属材料具有优良的力学性能，但生物相容性较差。 通过一些物理或化学手段( 等离子喷涂，电化学沉积法等) 在金属材料表面形成一 层磷酸钙盐，能大大改善金属材料表面的生物相容性，并与周围的骨组织形成良 好的骨性结合。与其它两类复合材料相比，金属无机复合生物材料是应用研究 最为广泛和深入的一类。一般来说，具有降解特性或贯通孔洞的复合材料能够被 人体较好地利用，新生骨组织可以长入到材料内部，并与周围组织形成牢靠的结 合。 复合材料不仅兼具各组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的 新性能，特别是生物活性无机材料和金属钛基材料所形成的复合材料，模仿了自 然骨的组成和结构。这种复合材料的出现和发展，为获得结构和性质类似于人体 组织的生物医学材料开辟了广阔的途径，为人工器官和人工修复材料的开发与应 用带来了新的希望f 3 7 1 。钛及其合金的种植体就是其典型代表。 钛与钛合金凭借其较好的生物相容性、耐腐蚀性和综合力学性能现已被用作 人工骨和口腔种植牙。其发展大概可分为三个时代【3 8 - 3 9 ，第一个时代以纯钛和 t i 6 a 1 4 v 为代表，第二个时代是以t i s a l 2 s f e 和t i 6 a 1 7 n b 为代表的新型0 【+ d 型 合金，第三个时代则是一个开发与研制更好生物相容性和更低弹性模量钛合金的 6 江苏大学硕士学位论文 时代。 钛与钛合金具有出色的生物相容性主要归功于其表面的t i 0 2 氧化层，t i 0 2 在水等溶剂中的溶解度很低，m 的氧化物与生物分子的反应活性很低，接近化学 惰性。但是，随着钛与钛合金的广泛应用，许多问题呈现出来【加】，( 1 ) 缺少生物 活性。钛与钛合金是一种生物惰性材料，其结构和性质与骨组织相差很大( 见表 1 1 1 ，通常不能象生物活性材料那样与宿主骨形成化学键性结合即新生骨直接在 种植体表面形成随后直接长入种植体内。( 2 ) 生物力学相容性较差，钛与钛合金 与骨组织的弹性模量相差悬殊，植入体内后易产生应力集中和骨吸收等不良后 果。( 3 ) 耐磨损性能相对较低。与不锈钢等其他金属材料相比，钛合金的摩擦因 数大，耐磨性能差，这使得其植入组织后产生大量的、v 等碎屑，从而引起无 菌松动，导致植入失败。( 4 ) 耐腐蚀性能需要进一步提高。正常条件下，钛合金 的表面会生成稳定牢固的氧化物钝化膜，但是在人体环境下，由于体液和外力的 浸蚀，表面膜会被剥离溶解。 为了解决钛与钛合金在种植过程中所出现的问题，近年来人们进行了许多探 索。一方面是从材料本体入手，研究开发具有更佳综合性能的医用钛合金。二是 从材料的表面入手，采用各种表面处理的方法对钛与钛合金进行处理。 表1 1 金属生物材料的部分力学性能 t a b l e l 1t h ep a r tm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fm e t a lb i o m a t e r i a l s 到目前为止，没有一种材料能够完全满足临床使用要求，在应用过程中仍然 存在着各种各样的问题人们逐渐认识到，单一材料很难满足现代医学的需求， 必须综合各种材料的优势，取长补短，走多种材料组合或复合的发展道路，制备 出符合临床需要的材料【4 1 】。根据目i i 的研究现状，开发新型医用金属合金难度 大、周期长、成本高 4 2 - 4 3 相对而言，由于植入物与组织间的相互作用仅在表面几 个原子层，表面改性处理可以实现上述要求，因此表面改性在生物医用器械研究 与开发中有着较为广阔的前景。针对医用金属材料的特点，国内外学者进行了大 7 江苏大学硕士学位论文 量的研究i 删。 1 3 提高钛及其合金的生物活性的表面改性技术 表面改性主要包括三个方面的内容：表面形貌改性、表面化学成分改性和表 面膜层。目前，在金属基生物医用材料中研究较多的膜层技术是在钛与钛合金表 面涂覆羟基磷灰石，另外还可以通过涂覆钛酸钾、生成多孔钛和二氧化钛膜层来 提高钛与钛合金的表面生物活性。 近年来，金属生物材料研究的重点是利用表面改性技术赋予其生物功能性、 提高表面稳定性和耐磨性。为获得更好的生物学性能，通常采用的技术是通过在 材料表面涂覆h a 或其他磷酸盐生物陶瓷膜层，或进行金属表面氧化物的活化处 理。钛基表面生物陶瓷膜层的几种制备方法介绍如下【4 5 1 。 ( 1 ) 等离子喷涂等离子喷涂是近年来应用和研究较多的一种膜层方法。它 以等离子焰流为热源，利用等离子枪的等离子流将粉末加热和加速，在熔融或接 近熔融的状态下粉术被喷向基材表面形成膜层。喷涂后一般要进行热处理以降低 残余应力，优点：喷涂时间短，工艺成熟。缺点：等离子喷涂是线型工艺，用于 多孔或形状复杂的基底时膜层难以均匀一致；高温过程( 近万摄氏度) 易使h a 分 解；高温冷却后基材与膜层界面会存在很高的残余应力；膜层致密度较低( 气孔 率常大于5 1 ，植入体内易被体液渗入基底和界面腐蚀造成膜层剥落；原始材料 要用高纯度的h a 粉末，价格昂贵；膜层与基材主要为机械结合，界面结合强度 及其稳定性令人担忧。对于羟基磷灰石而言，形成的h a 膜层仍是非晶态，稳定 性差，需后续热处理。而热处理又有可能减损基体与膜层及膜层与骨组织之间的 结合力，而且，原始材料需用的足高纯度的h a 粉末，从经济角度来说较为昂贵。 王迎军等【懈7 】采用等离子喷涂法制备钛合金为基材的生物活性梯度膜层，对膜层 与界面显微结构进行了研究。从膜层横截面s e m 可见，梯度喷涂粉料样品膜层 底部与凹凸不平的金属基材表面紧密结合，膜层结构致密，膜层中各过渡层之间 也没有明显界面且结合紧密，基材与膜层问的界面区域厚度约为2 9 m 5 岬，厚 薄不均。对该区域的能谱成分分析表明，界面区既有膜层中的c a ，p ，z r ，也 有基材中的。 因此，此区域内存在膜层与基材组分的相互扩散和化学反应，产生微区的冶 金结合组织，对提高膜层与基材的附着强度具有一定意义。而纯h a 粉料样品膜 8 江苏大学硕士学位论丈 层与基材的结合以机械嵌合为主，界面明显，结构较疏松，膜层与基材之间有气 孔存在，而且膜层内部开裂严重，裂纹分布明显。造成两样品差异的主要原因是 纯h a 膜层与基材的热膨胀系数相差太大，冷却时两者产生明显的不一致收缩所 致。 ( 2 ) 涂覆一烧结法该方法将涂料制成浆料涂在金属基底表面，干燥后在高 温下热处理，粉料与基材间通过热扩散和固相反应形成膜层。优点：通过工艺控 制可获得多孔膜层也可以获得致密膜层。缺点：高温会造成h a 的分解，同时由 于金属基底和陶瓷膜层之间的热物理性能差异导致膜层内部产生热应力而降低 结合强度，甚至使膜层产生微裂纹和剥落。刘金强等【钙】通过球磨混合h a 和面 粉末、冷压成形及真空烧结，制得不同配比的h a 和的复合材料。试验发现 h a 与之间虽有一定程度的晶格失配，但仍有良好的界面结合。h a 与的界 面有平缓的过渡区域，表明h a 与之间有原子间的互扩散，并且互扩散程度 随烧结温度而提高。因此可以实现h a 与钛基材界面问的原子结合。 ( 3 ) 溶胶一凝胶法在钛酸酯( 钛酸甲酯、钛酸乙酯或钛酸t 酯) f l q 醇溶液中加入 少量水，酯水解并聚合形成胶体。将膜层配料制成溶胶，均匀覆盖在基底表面， 由于溶剂迅速挥发，配料发生缩聚反应胶化，再经干燥和热处理获得膜层。优点： 通过改变热处理温度、保温时间以及膜层溶液中的有机添加剂可以很容易改变膜 层中的结晶度、相种类、孔隙大小等，也易得到纳米晶膜层。缺点：界面结合强 度较低。 ( 4 ) 仿生溶液生长法该方法基于异相形核原理，将金属基材预处理形成活性 金属氧化物表层后浸入模拟体液中，在仿生物环境下金属表面上自发生长出h a 膜层，膜层具有柱状组织，与人体骨组织相似，生物活性较好。1 9 9 0 年k o k u b o 首次报道了能在生物活性玻璃表面促进磷灰石形成的类似于人体血浆的模拟体 液f ( s i m u l a t e db o d yf l u i ds b f ) 4 9 1 。近年来用这种模拟体液对各种生物材料进行体 外生物性能研究，结果表明其体外模拟结果与体内结果具有很好的吻合性，因此 被广泛应用于研究生物材料的生物活性。项艳凡等人【5 0 】采用该法对商用纯钛进 行表面处理，经过处理的样品表面形成一层薄的钙磷膜层，s e m 和e d s 分析表 明，膜层晶体构型均一，x r d 和f t i r 分析晶体组成主要为碳酸羟基磷灰石。采 用成骨细胞体外培养方法，探讨仿生矿化膜层对于细胞初期附着、增殖的影响。 9 江苏大学硕士学位论文 认为钙磷膜层可以提高成骨细胞的初期附着率，而对于细胞的增殖行为影响不 大。而仿生法得到的膜层比其它方法具有更高的骨结合能力，不受基材形状限制， 可控制微观结构，可以和生物活性分子同时沉积，工艺简单。但金属表面预处理 方法、浸泡介质以及膜层与金属的结合强度需要进一步研究。 ( 5 ) 微弧氧化( m i c r o a r co x i d a t i o nm a o ) 法微弧氧化技术作为一种新兴的表 面处理技术，正日益受到人们的重视。其能生成陶瓷膜的特点决定了它在军工、 航空、航天、机械、纺织、汽车、医疗，电子、装饰等许多领域中有着广泛的应 用前景，见表1 2 。可根据不同的需要，制备防蚀、防腐、耐磨、装饰、电防护、 光学、其它功能性等膜层。 表1 - 2 微弧氧化陶瓷层的应用领域1 5 1 1 t a b l e1 - 2t h ea p p l i e df i e l do fm i c r o - a r ko x i d a t i o nc e r a m i cc o a t i n g 应用领域应用实例所用性能 航天、航空、机械、汽车轴、气动原件、密封环耐磨性 石油、化工、造船、医疗管道、阀门、人工关节耐磨性、耐蚀性 纺织机械纺杯、压掌、滚筒耐磨性 电器电容器线圈绝缘性 兵器、汽车贮药仓、喷嘴耐热性 建材、r 用品 装饰材料、电慰斗耐磨、耐蚀、色彩 微弧氧化又称微等离子体氧化或阳极火花沉积，是一种比较新颖的电化学工 艺，关于这一方法最先报道出现在2 0 世纪4 0 年代【5 2 1 ，7 0 年代研究发展较快。 微弧氧化是将金属或其合金放在电解质溶液中，利用电化学方法在材料表面产生 火花放电斑点，在热化学、等离子化学和电化学的共同作用下引起阳极上微等离 子体击穿，直接在金属表面原位生成氧化物陶瓷膜层的技术【5 3 硼。它由阳极氧化 发展而来，但施加了几百伏的高电压，突破了阳极氧化对电压的限制。击穿时在 阳极上可以看到大量不同强度的火花。击穿区( 在电解质水溶液中) 的局部温度可 达几千度，而电弧的显微容积内的压力可达到1 0 0 m p a 。除此之外，还有局部高 电场强度。因此，不仅电极的化学元素而且电解质的成分都可以参与在阳极表面 的成膜反应。通过改变工艺条件和电解液中组成元素可以调整膜层的微观结构和 形貌，实现膜的功能设计。该法工艺简单、可以处理形状各异的零件，最先应用 在铝表面生成氧化陶瓷膜。国外已经有l e es u h e e 5 踟，l i a n gb o j i a n l 5 9 1 ， s u l y o u n g t a e g 6 0 1 ，l i t 6 1 】等人开始将该技术用于医用钛与钛合金的表面改性，改善 钛合金的生物相容性。国内也有单位开始用于医用钛与钛合金改性，如西安交通 1 0 江苏大学硕士学位论文 大学1 6 2 - 6 4 1 、第四军医大学厂腔医学院1 6 5 - 6 6 1 、哈尔滨工业大学1 6 7 侧等。在含磷酸 根和钙离子的电解液中对钛与钛合金表面进行微弧氧化处理，可以获得多孔且富 含钙、磷的二氧化钛膜层，可望有效提高生物相容性和骨诱导性。 在对钛与钛合会进行微弧氧化时，主要控制电压、电流、占空比、反应时间、 频率、材料以及电解液配方等参数，改变材料表面 r i 0 2 膜层以及膜层的组成、 结构、形貌、力学性能及生物功能。王亚明等人【7 0 】得出的不同占空比对面膜层 有很大影响，在常压方式下随着占空比的增大，膜层的生长率增加且变得粗糙， 同时n 0 2 膜层的主晶相会由锐钛矿型逐渐转变为金红石型，这与电压的升高时其 晶相的变化趋势是一致的。薛文斌1 7 1 7 2 】等人通过对微弧氧化膜层的显微硬度和弹 性模量进行分析，发现不同深度金红石t i 0 2 和t t a l 0 2 相的相对含量决定了硬度 和弹性模量的变化。周慧【7 3 】对钛合金进行微弧氧化后发现钛的抗高温氧化性能 显著提高。 微弧氧化工艺虽然是表面处理中一种比较理想的方法，但是仍然存在不少问 题：( 1 ) 钛合金表面微弧氧化后形成t i 0 2 氧化膜层，其生物活性还有待提高；( 2 ) 膜层钛材结合强度与微弧氧化工艺参数的关系还不太清楚，还有待深入研究； ( 3 ) 氧化膜层厚度与生物活性及膜层钛材结合强度的关系还有待探讨；( 4 ) 膜层为 多孔状态，其摩擦磨损特性还有待进一步研究；( 5 ) 膜层晶型结构( 金红石型和锐 钛矿型、对生物活性的影响规律尚有争议等。 1 4 本课题研究的内容和意义 钛合金在医用材料上具有很重要的地位，尤其是作为表面改性使用的医用金 属材料，目前还是以钛和钛合金为主。尽管人们采用了各种各样的方法对钛合金 进行了表面处理，但还是存在诸如钛表面的羟基磷灰石结合强度不够，骨细胞的 附着生长条件有待提高等问题。钛合金表面的生物活化膜的制备工艺仍需要进一 步的完善，其中包括已经投入临床应用的等离子喷涂法制备的钛基h a 膜层牙种 植体和骨科材料等。因此，寻求新的表面改性和涂覆方法以制备更加理想的种植 体仍然是一个迫切需要解决的课题。 微弧氧化技术是新近发展起来的一种表面改性新技术，特别适用于钛、铝、 镁等金属的表面改性处理。其氧化产物是一种多孔的、与基质结合牢固的、具有 陶瓷特性的氧化物，这层氧化物与材料基质本身相比，其耐磨、耐蚀、电绝缘等 江苏大学硕士学位论文 性能得到明显的改善。 本文的主要研究内容如下： 1 研究微弧氧化工艺参数对钛表面生物氧化膜层组织、成分和性能的影响，探讨 氧化膜层形成机制，测试钛基膜层复合材料与基体的力学性能。 2 研究水热合成处理工艺参数对t i 6 a 1 4 v 微弧氧化膜层诱发生成羟基磷灰石的影 响 3 通过模拟