鈦合金表面激光熔覆制備生物陶瓷涂層及其生物活性研究.pdf

1、本工作利用高功率CO2激光器，通過激光熔覆技術(shù)在Ti-6Al-4V合金表面制備了梯度生物活性陶瓷涂層，實(shí)現(xiàn)了鈦合金的生物活化改性處理。通過光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、熒光顯微鏡、X射線衍射儀（XRD）、電子探針（EPMA）、同步熱分析儀（TG—DSC）、電感偶合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）、顯微硬度計(jì)等檢測(cè)手段，主要開展了以下幾方面研究： 首先對(duì)本試驗(yàn)條件下的激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)固定輸出功率P=2．5kW、

2、光斑尺寸D=15mm×1mm，激光熔覆掃描速度為120～160mm/min時(shí)方有可能生成HA。通過顯微組織觀察及顯微硬度測(cè)試，結(jié)合激光熔覆傳熱、傳質(zhì)過程的分析計(jì)算，確定本工作條件下的優(yōu)化工藝參數(shù)為：激光輸出功率P=2．5kW，光斑尺寸D=15mm×1mm，掃描速度V=140mm/min，Ar氣保護(hù)。 其次對(duì)激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：涂層與基材之間實(shí)現(xiàn)了牢固的冶金結(jié)合；由涂層至基體存在成分梯度，鈦含量

3、逐漸減少，磷、鈣含量逐漸增多；涂層由HA、β—TCP、CaTiO3等多種陶瓷相組成，熔覆粉末Ca/P為1．4時(shí)生物活性陶瓷相的生成能力更佳：凹凸不平的涂層表面除了具備典型的粒狀和短桿狀HA形貌特征外還出現(xiàn)了團(tuán)絮狀、蜂窩狀及片狀等多種微觀形貌。多種形貌共存的表面使涂層的微觀表面積大大增加，為新生骨組織的生長提供更多的接觸面，起到更好的生物固定作用；局部出現(xiàn)的微孔（熔覆帶中間區(qū)域孔徑約為1～10μm，兩側(cè)約為100～600μm）通過組織液的

4、微循環(huán)能使宿主骨長入材料并與之相互嵌插連成一體，對(duì)新生骨組織沿著攀附生長十分有利。 本工作還研究了0．2～0．8wt．％稀土氧化物CeO2對(duì)梯度復(fù)合涂層的影響及其催化合成機(jī)理。利用SEM、XRD、TG—DSC和顯微硬度等檢測(cè)手段發(fā)現(xiàn)：添加0．4～0．6wt．％CeO2時(shí)涂層組織均勻，降低了熔覆層的開裂傾向性，對(duì)生成HA和β—TCP等生物活性陶瓷相具有促進(jìn)作用；添加0．6wt．％CeO2激光熔覆涂層中的斷裂韌性值比未添加稀土氧化物

5、試樣略有提高，接近人體致密骨；涂層中添加0．6wt．％CeO2的殘余應(yīng)力比未添加稀土氧化物涂層中的小；結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，提出稀土氧化物CeO2催化生物活性陶瓷相的可能機(jī)理：對(duì)應(yīng)生物活性陶瓷相可能生成的溫度范圍，添加0．6wt．％CeO2體系對(duì)應(yīng)溫度范圍的反應(yīng)活化能比未添加稀土氧化物體系的小，更易使反應(yīng)物分子熱激活成為可以發(fā)生有效碰撞的活化分子，使生物活性陶瓷相能在更大的溫度范圍內(nèi)形成，提高HA和β—TCP的高溫穩(wěn)定性，從而促進(jìn)HA等生

6、物活性相的生成。 最后，通過模擬體液浸泡和體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層的生物活性和細(xì)胞相容性進(jìn)行了測(cè)試。模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)表明，激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層具備生物活性。利用SEM、XRD、EDX、ICP等檢測(cè)手段發(fā)現(xiàn)：隨著在SBF中浸泡時(shí)間的延長，涂層表面團(tuán)絮狀物質(zhì)不斷增多，磷灰石相在其表面形核并不斷長大；表面沉積物以片狀為主，還出現(xiàn)了球狀、毛絨狀及一些密集生長的細(xì)針狀等，局部還發(fā)現(xiàn)了少量HA晶須（直徑約0．3～0．8

7、μm，長徑比約為10～40），這對(duì)增強(qiáng)涂層韌性十分有利。該涂層在SBF中浸泡后磷灰石所對(duì)應(yīng)的衍射峰明顯增強(qiáng)，CaO對(duì)應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度大幅降低，表明該涂層在SBF溶液中具有快速誘導(dǎo)磷灰石沉積的能力。而未處理的基材即使在SBF中浸泡14天后，其表面仍未生成磷灰石相的沉積物，只有殘留的浸泡痕跡及生長的鹽類沉積物。 體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，隨細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間（2d、4d、6d）的延長，激光熔覆生物陶瓷涂層表面的細(xì)胞增殖呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而且其成骨細(xì)