鈦合金表面激光合成與熔覆稀土生物陶瓷復(fù)合涂層的研究.pdf

1、在鈦合金基體上涂覆以羥基磷灰石(HA)為主的生物陶瓷涂層制成的復(fù)合生物材料，既有優(yōu)良的力學(xué)性能，又有優(yōu)良的生物相容性，被認(rèn)為是最有希望的新型生物骨替換材料之一，因此成為近年來生物材料領(lǐng)域研究最為活躍的方向之一。本文依據(jù)HA可以通過適當(dāng)?shù)暮}、磷鹽的混合物在燒結(jié)過程中反應(yīng)合成，以及激光技術(shù)已廣泛用于涂層制備的事實，提出通過激光處理在鈦合金表面同步合成及熔覆以HA為主的生物陶瓷復(fù)合涂層，可以節(jié)約成本，并縮短生產(chǎn)周期。同時，在涂層中添加了少量

2、Y2O3，獲得了良好的效果。 試驗證明，在經(jīng)過激光重熔預(yù)處理的TC4表面，預(yù)涂敷80％CaHPO4·2H2O、20％CaCO3以及另加1％Y2O3的混合粉末，以較低的功率密度(13～15W/mm2)和較高的掃描速度(630mm/min)進(jìn)行激光處理，實現(xiàn)了HA的同步合成與熔覆，獲得的稀土生物陶瓷復(fù)合涂層的物相組成為：Ca10(PO4)6(OH)2(HA)、β-Ca3(PO4)2(β-TCP)、α-Ca3(PO4)2、Ca2P2O

3、7、Ca2Y2O4和CaT4O7。該涂層晶粒細(xì)小、表面呈多孔狀，形貌與自然骨十分相似，并且其成分、組織和性能都具有梯度分布。涂層復(fù)合材料具有良好的綜合力學(xué)性能，其強度和硬度高于自然骨，并具有一定的塑性和韌性，由于涂層的彈性模量介于基體與自然骨之間，所以植入體的生物力學(xué)相容性也能得到改善。 生物學(xué)試驗表明，涂層材料對肌肉、紅系細(xì)胞及成纖維細(xì)胞均無毒副作用，大劑量地注入動物體內(nèi)也未引起明顯的急性毒性反應(yīng)，表明其具有較好的血液相容性和

4、組織相容性。動物植入試驗證實，鈦合金與涂層在生物體內(nèi)均有良好的生物相容性。但鈦合金屬生物惰性材料，植入較長時間后，被纖維組織包裹而與活體硬組織隔離；稀土生物陶瓷復(fù)合涂層則具有一定的生物活性，它不影響破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的活性，在體內(nèi)有細(xì)胞介導(dǎo)的降解，植入60天后，新骨生長直接發(fā)生于涂層表面，表現(xiàn)出較好的骨傳導(dǎo)性。 稀土元素可以顯著改善涂層的相組成、組織和性能。溫度場計算表明，在激光加熱過程中，Y2O3并未完全熔化，又因為其密度較大

5、，所以傾向于下沉，使釔元素富集于界面，這一點也為成分分析所證實。富集于界面的釔阻礙了基體元素向涂層的遷移，降低了涂層的稀釋度，有利于HA等生物陶瓷相的合成。同時，熱分析試驗證明，Y2O3對HA的合成具有催化作用，并且釔可以提高HA和β-TCP的高溫穩(wěn)定性，所以涂層中產(chǎn)生了較多的生物活性陶瓷相。殘留于涂層中的釔多具有細(xì)化晶粒的作用，可以提高其力學(xué)性能。含稀土的涂層與基體的界面結(jié)合強度為42.76MPa，比不含稀土者提高了兩倍以上；同時，釔