電泳沉積納米羥基磷灰石-碳納米管復(fù)合涂層及其表征.pdf

1、羥基磷灰石(HA)是人體骨骼和牙齒的主要無機(jī)成分，人工合成的HA具有良好的生物相容性和生物活性，但是HA脆性大、強(qiáng)度低，抗折強(qiáng)度和斷裂韌性指標(biāo)均低于人工致密骨的特性，從而限制了它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。為此人們發(fā)展了各種HA的復(fù)合材料，期望HA保持生物活性的同時具有良好的力學(xué)性能。其中在醫(yī)用金屬鈦表面涂覆HA活性涂層是目前復(fù)合生物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 目前發(fā)展了多種在醫(yī)用金屬鈦表面涂覆HA活性涂層的方法，但是有各自的缺點(diǎn)。電泳

2、沉積結(jié)合后續(xù)處理(燒結(jié))因其操作方便、形貌厚度可控、不受基體形貌的限制而倍受歡迎。但是由于HA和金屬Ti熱膨脹系數(shù)的差異，在燒結(jié)降溫的過程中，HA涂層與基體之間產(chǎn)生拉伸的殘余應(yīng)力導(dǎo)致二者的結(jié)合力下降，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。為了解決該問題同時保持復(fù)合材料良好的生物相容性，考慮到多壁碳納米管(Multi-walledCarbonNanotube,簡稱MWCNTs)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，能起到增韌補(bǔ)強(qiáng)的作用。ZrO2是生物惰性材料，具有介于H

3、A和Ti的熱膨脹系數(shù)，可用作梯度材料或復(fù)合材料，提高涂層與基體的結(jié)合力。本文采用電泳沉積的方法在醫(yī)用金屬鈦表面制備HA的復(fù)合涂層，并對復(fù)合涂層的性質(zhì)進(jìn)行表征。 主要研究內(nèi)容包括：1)制備納米級HA晶體；2)電泳沉積法制備HA/MWCNTs復(fù)合涂層，探索條件以得到均勻無龜裂的HA和MWCNTs復(fù)合涂層；3)對復(fù)合涂層的性質(zhì)進(jìn)行表征，包括：形貌、成分、生物學(xué)能、機(jī)械性能等的表征；4)電泳沉積法制備HA/ZrO2復(fù)合涂層以及對復(fù)合涂層

4、的表征。主要研究結(jié)果如下： 1.采用共沉淀法結(jié)合水熱處理，以NH4H2PO4、Ca(NO3)2為原料，合成了納米級HA晶體?？刂艭a/P比為1.67，攪拌條件下向Ca(NO3)2中逐漸滴加NH4H2PO4，并控制二者的pH值為10～11之間，水熱處理12h后，得到的HA為棒狀晶體，成分與人體骨類似(部分CO32-取代了PO43-)晶粒尺寸為20-30nm，且納米HA粉末分散良好，無團(tuán)聚現(xiàn)象。 2.首次采用電泳沉積的方法在

5、鈦基體表面獲得HA/MWCNTs復(fù)合涂層。電泳沉積的分散劑為乙醇，向懸浮液中加入少量的酸(濃HNO3)調(diào)節(jié)pH值為4-5，30V恒電壓條件下陰極電泳沉積50s，得到均勻無龜裂的厚度約為10μm的復(fù)合涂層。Ti基體在電泳沉積之前進(jìn)行堿刻蝕。以外徑為50mm的不銹鋼圓環(huán)作為對電極。首次采用相對較低的燒結(jié)溫度(700℃)，在高純氬氣的氣氛下得到了均勻致密的涂層。該復(fù)合涂層的主要表征結(jié)果如下：(1)SEM結(jié)果顯示，HA/MWCNTs復(fù)合涂層中H

6、A和MWCNTs分散均勻，無團(tuán)聚現(xiàn)象。燒結(jié)之后碳納米管保持其良好的管狀結(jié)構(gòu)，HA仍然保持良好的棒狀晶體結(jié)構(gòu)；(2)XRD結(jié)果指出高溫沒有導(dǎo)致HA的分解或MWCNTs的氧化；(3)TGA結(jié)果表明，隨著懸浮液中MWCNTs含量由20％上升到30％，涂層中MWCNTs的含量也相應(yīng)有所增加。高溫?zé)Y(jié)導(dǎo)致了涂層中MWCNTs的少量的氧化，總體上涂層中MWCNTs的含量為0-8％之間。(4)體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)胞與HA/MWCNTs復(fù)合材料的表

7、面接觸良好，復(fù)合材料具有良好的生物相容性。MWCNTs的摻雜增加了涂層的生物相容性；(5)MTT結(jié)果表明，MWCNTs含量為20％的懸浮液得到的復(fù)合涂層，在燒結(jié)之后生物相容性最好。(6)粘結(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)表明，MWCNTs的摻雜使燒結(jié)之后的涂層與基體的結(jié)合力大幅度提高：20％MWCNTs含量涂層的結(jié)合力為34.94MPa，30％MWCNTs含量的涂層結(jié)合力為35.44MPa，而純HA涂層的結(jié)合力為20.62MPa。表明該復(fù)合涂層可望成為一種綜

8、合性能良好的硬組織生物材料。 3.采用電泳沉積的方法在鈦基體上得到HA/ZrO2復(fù)合涂層。電泳沉積的分散劑為乙醇，向懸浮液中加入少量的酸(濃HNO3)調(diào)節(jié)pH值為4-5，30V恒電壓條件下陰極電泳沉積條件下得到均勻無龜裂的厚度為15μm的復(fù)合涂層，Ti基體在電泳沉積之前進(jìn)行堿刻蝕。采用的燒結(jié)溫度為800℃，同時保持高純氬氣的氣氛，得到較為致密、均勻的涂層。XRD、EDS結(jié)果表明該復(fù)合涂層中的主要成分為HA和ZrO2；SEM結(jié)果顯