复杂形状金属表面电泳沉积制备HA/BG复合涂层的研究

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用于替换承受较大载荷的人体硬组织的植入材料,不仅应具有良好的骨结合能力,还应具有高的强度和韧性。但目前的生物活性陶瓷和具有一定生物相容性的金属都不能同时满足这些要求。陶瓷的断裂韧性远低于人的皮质骨,且至今也没有一种金属材料能够与人体骨直接结合。在金属表面涂覆生物活性涂层,可兼顾生物活性陶瓷的骨结合能力与金属材料良好的力学性能。本文从涂层的结构设计出发,探索了一种在钛合金表面制备高稳定性生物活性涂层的新工艺。采用电泳沉积工艺,在非线性形状金属表面成功制备出了羟基磷灰石(HA)—生物玻璃(BG)复合涂层。HA-BG复合涂层底层为致密玻璃层,与钛合金基体紧密结合并防止了体液渗入涂层与金属界面。外层为疏松的HA-BG复合层,能够提供与人体硬组织良好结合的条件。 本文采用的生物玻璃是以Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃体系为基础,结合在钛合金表面制备涂层的要求设计的Na2O-CaO-SiO2-P2O5-B2O3-TiO2-CaF2系BG。该BG的热膨胀系数在>320℃时稍大于钛合金Ti6Al4V的热膨胀系数,<320℃时稍小于Ti6Al4V的热膨胀系数;熔化温度较低(<700℃);与基体结合强度高且稳定。电泳沉积工艺采用乙醇体系,BG与HA粉料能够用乙醇制得较稳定悬浮体系。采用离子吸附的方法,反转了BG颗粒在乙醇中的荷电性质,使其与HA颗粒带同种电荷,从而实现了二者的电泳共沉积。本文分别研究了离子浓度、沉积电压、沉积时间和悬浮液固体含量对HA和BG电泳沉积的影响,优化了此体系电泳沉积的工艺参数。采用两步电泳沉积法,先后在钛合金表面沉积BG层和HA-BG复合层。热处理制度采用低温快烧法。 采用粘结拉伸法测定涂层与基体的结合强度,研究了玻璃涂层结合强度与热处理制度的关系和复合涂层结合强度与HA含量的关系,BG涂层结合强度可达35MPa以上,复合涂层结合强度可达25MPa以上。通过测定浸泡玻璃前后溶液离子浓度的变化及不同离子的对比实验,证明了BG颗粒对Ca2+的选择性吸附及其对BGξ-电位的影响。采用SEM,EPMA,EDXA等测试方法,分析了涂层的结构与元素分布情况,证明了涂层具有底层致密,表层疏松的结构。HA颗粒镶嵌于玻璃熔体中,在涂层表层和涂层中孔洞内壁均有HA颗粒露出,增加了HA颗粒与体液的接触面积。实验表明乙醇体系电泳沉积工艺能够实现复杂形状金属表面复合涂层的制备;该涂层兼顾了其力学稳定性、化学稳定性及生物活性,能够解决当前生物涂层稳定性低的问题。
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