HA-多孔TiO-,2--Ti生物復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

1、鈦合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，但生物活性和成骨誘導(dǎo)性差，且在其植入人體后，長期與體液接觸，發(fā)生侵蝕而導(dǎo)致毒性離子如Al、V釋放進入人體。羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HA)具有良好的生物相容性和成骨誘導(dǎo)性，但是HA脆性大，強度低。將HA涂覆在鈦合金表面上，得到的HA/Ti生物復(fù)合材料既具有鈦合金的強度和韌性，又具有HA生物陶瓷的優(yōu)良生物活性。但由于鈦合金和HA的物理性能(如彈性模量、熱膨脹系數(shù)等)差別較大，HA涂層與Ti基

2、體的界面結(jié)合強度低，限制了它在醫(yī)學(xué)上的使用。本文首先采用共沉淀法制備了納米Ca10(PO4)6(OH)2粉末；其次用鈦合金板為陽極，分別用酸性電解液和堿性鹽水溶液為電解液進行微弧氧化得到多孔氧化膜；最后采用電泳沉積和電化學(xué)沉積結(jié)合水熱處理得到HA涂層，成功制備出HA/多孔TiO2/Ti生物復(fù)合材料。運用掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀、光電子能譜、透射電子顯微鏡等手段，觀察分析了納米羥基磷灰石粉末、微弧氧化過的多孔氧化膜、羥基磷灰石涂層等

3、的物質(zhì)組成、相結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和形貌等，利用萬能電子拉伸試驗機測定了HA/多孔TiO2/Ti生物復(fù)合材料的剪切結(jié)合強度和抗拉結(jié)合強度。探討了各個階段的材料的形成機理。
　　 在用Ca(NO3)2,(NH4)2HPO4共沉淀法制備納米級的羥基磷灰石反應(yīng)體系中，隨著氨水加入量的增加，反應(yīng)產(chǎn)物依次為CaHPO4，β-Ca3(PO4)2,Ca10(PO4)6(OH)2。氨水的加入量為7.5ml/250ml，即反應(yīng)前pH為11.3，反應(yīng)后p

4、n為9.4最合適，HA粉體的形貌為針片狀。在實驗溫度(25℃-75℃)和反應(yīng)物濃度(0.25 M-0.75 M)范圍內(nèi)，對產(chǎn)物Ca10(PO4)6(OH)2粉體的純度，晶粒大小，顆粒大小和形貌，影響不大。800℃熱處理，HA粉體的相組成沒有變化，晶粒尺寸增大，形貌為球形，當(dāng)熱處理溫度達(dá)到900℃時，HA粉體發(fā)生分解，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ca3(PO4)2。
　　 以10％的H3PO4為電解液，微弧氧化的起始電壓為180V，多孔氧化膜

5、的孔口大小為400-800nm，組成為金紅石型和銳鈦礦型TiO2共存。以10％H2SO4為電解液，微弧氧化的起始電壓為80V，表面形貌同樣為火山口狀，孔口大小為100-200nm。90V時氧化膜組成亦為金紅石型和銳鈦礦型TiO2共存。120V時，以金紅石型為主。以0.2％的HF為電解液，微弧氧化的起始電壓為80V，表面形貌為高低不平、大小為100-200nm的小淺坑。隨著氧化電壓的升高，鈦板表面氧化膜的厚度逐漸增大。
　　 以磷

6、酸二氫鈉為電解液，通過微弧氧化的方法，能在鈦合金基體表面獲得TiO2多孔膜，孔徑在1-6μm之間。多孔氧化膜的結(jié)構(gòu)為無定形結(jié)構(gòu)，即非晶態(tài)。最佳工藝參數(shù)：電解液濃度為0.3M，微弧氧化電壓為280V，氧化時間300s，電解液初始溫度為10℃。
　　 以正丁醇作為分散介質(zhì)，陰陽兩極的間距為15mm，常溫常壓下進行電泳沉積，得到均勻、致密涂層的最佳工藝參數(shù)為：HA懸浮液濃度為15.0g/L，沉積電壓為250V，沉積時間為180s。隨著

7、燒結(jié)熱處理溫度的提高，涂層與基體的剪切結(jié)合強度也隨之增大，800℃時獲得的涂層最佳，超過800℃，涂層中Ca10(PO4)6(OH)2.開始發(fā)生分解。與相同工藝參數(shù)下電泳沉積的HA/Ti復(fù)合材料相比，單一HA涂層經(jīng)800℃燒結(jié)熱處理后的剪切結(jié)合強度為4.67MPa，而HA/TiO2/Ti復(fù)合涂層可達(dá)到7.42MPa。
　　 電化學(xué)沉積得不到純的HA涂層，低電壓時為CaHPO4·2 H2O和少量的HA，高于15V，電沉積得到涂層組

8、成物為Ca(OH)2。通過在200℃、0.1M的NaOH溶液中進行水熱處理10h，低電壓下電沉積制備的CaHPO4·2H2O涂層全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃a10(PO4)6(OH)2(即HA)涂層，而高電壓下制備的Ca(OH)2水熱處理后組成和相結(jié)構(gòu)幾乎沒有改變。最佳電沉積工藝參數(shù)為沉積電壓為8V，沉積時間為120min，電解液(NH4)2HPO4和Ca(NO3)2的濃度皆為0.05M。經(jīng)過800℃燒結(jié)熱處理，由于沒有燒結(jié)相的產(chǎn)生，涂層與基體的剪切結(jié)