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钛(Ti)及其合金(Ti6Al4V)由于具有一定生物相容性,已被广泛应用于骨的植入替代物,但它不能直接诱导骨组织的生长。因此很多学者都对钛及其合金进行了表面改性来改善生物活性。采用羟基磷灰石在钛合金表面涂覆,是一种较为有效改善生物活性的方法。但是由于羟基磷灰石在体内溶解速度过快,引发了种植体在体内失效的问题,同时金属离子如Al,V和Ti等溶出情况加重,γ-TiAl金属间化合物不仅具备优良的耐腐蚀性,而且与Ti基体和磷灰石外涂层之间具有良好的物化匹配性,成为理想的过渡层材料之一。含氟羟基磷灰石(FHA)由于氟离子(F<->)取代部分羟基(OH<->)可以改善磷灰石的溶解性,从而显著提高生物涂层在生理液中的稳定性,进一步促进磷酸钙在成骨过程中的生物矿化和骨组织中磷灰石晶体的形成。制备具有Ti/γ-TiAl/FHA预期结构的生物复合涂层材料可以有效的解决离子溶出及涂层结合力、溶解度问题,有望应用于牙科、骨科的修复、替代及骨组织工程等领域。
在经过深入的文献查询及前期工作基础上,以Al粉为原料,在Ti基体上采用真空烧结漫渗得到以γ-TiAl为主的金属间化合物过渡层。以Ca(NO<,3>)<,2>·4H<,2>O-P<,2>O<,5>-NH<,4>F-乙醇体系为前驱液经过陈化、回流等操作得到含氟磷灰石熔胶涂敷液,采用浸渍提拉法在具有过渡层的Ti基体上制备一定厚度,不同含氟量的含氟羟基磷灰石涂层。
运用XRD、SEM、FTIR、ICP-AES及电子拉力试验等技术对所制备的样品进行分析和研究,得到如下的结果:采用真空烧结可获得γ-TiAl过渡层,通过调节Al含量(即涂敷厚度),可以获得主成分为γ-TiAl且厚度不同的金属间化合物过渡层。
以Ca(NO<,3>)<,2>·4H<,2>O-P<,2>O<,5>-NH<,4>F-乙醇体系为前驱液,能够制备出纯度较高的含氟羟基磷灰石粉体,通过浸渍提拉法可以得到不同厚度的FHA涂层。通过调整体系中NH4F的含量,即可获得含氟量不同的FHA涂层。经10次涂敷可获得表面平整,开裂少的FHA涂层。
试样在SBF溶液中的浸泡实验结果表明,含氟羟基磷灰石涂层比羟基磷灰石涂层溶解度小,且随着NH<,4>F加入量的增加,溶解度减小。所有的试样均能够诱导HA的形成,只是HA生成量不同,说明所有试样均具有生物活性。具有Ti/γ-TiAl/FHA结构的试样,其Al、Ti及V离子溶出较其它试样要小得多。尤其是Ti离子,经过6个月的浸泡仅为0.303μg/L,Al离子仅为4.58μg/L,而不含过渡层的Ti离子溶出为25.39μg/L,Al离子为47.6μg/L。
涂层与基体的结合力测试表明,含氟羟基磷灰石涂层与基体的结合力明显高于HA与基体的结合力,具有Ti/γ-TiAl/FHA结构的试样具有最高的结合力,达到20MPa,比单独采用HA作为涂层有了很大提高。
本工作采用漫渗烧结和溶胶·凝胶法能够有效控制过渡层及生物外涂层厚度,FHA涂层中F含量,从而控制FHA涂层的溶解度、热膨胀系数等参数。本工作中得到的Ti/γ-TiAl/FHA表现出良好的生物活性、结合力及良好的耐腐蚀性,稳定性和附着力。结果对于研制具有高生物活性、长效性的磷灰石涂层的钛合金植入体,在理论及实际应用方面都有较高的参考价值。