HA-316L不銹鋼生物功能梯度材料研究.pdf

1、羥基磷灰石(HA)具有優(yōu)良的生物相容性，作為人工骨已廣泛應(yīng)用于骨缺損的修復(fù)，但其力學(xué)性能較差，限制了其作為承重骨的使用；而臨床上普遍應(yīng)用的力學(xué)性能優(yōu)越的金屬植入體316L不銹鋼(以下簡(jiǎn)稱(chēng)316L)因其生物相容性較差而導(dǎo)致炎癥等不良反應(yīng)。制備兼具二者性能優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料已成為當(dāng)今生物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本論文圍繞這一重要課題，采用粉末冶金法制備了HA/316L生物復(fù)合材料；并針對(duì)HA/316L兩相熱應(yīng)力不匹配的問(wèn)題，制備了熱應(yīng)力緩和的H

2、A/316L生物功能梯度材料(FGM)，對(duì)其力學(xué)性能、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及生物相容性評(píng)價(jià)進(jìn)行了較系統(tǒng)深入的研究。 首先制備了HA和ZrO2(CaO)納米粉末。結(jié)果表明：隨著HA前驅(qū)體煅燒溫度的逐漸升高，HA晶化程度越來(lái)越高，其最佳制備工藝為以5℃·min-1升溫速率升至750℃后保溫2h。通過(guò)對(duì)HA晶粒尺寸和煅燒溫度的相關(guān)計(jì)算求得HA的生長(zhǎng)活化能為24.8kJ·mol-1，并提出HA晶粒長(zhǎng)大主要為界面擴(kuò)散控制機(jī)制。采用化學(xué)共沉

3、淀與共沸蒸餾相結(jié)合在600℃至1100℃溫度范圍內(nèi)熱處理后可得到摻雜5mol％CaO的四方相ZrO2(CaO)納米粉末，該納米粉末由四方相向單斜相轉(zhuǎn)變的臨界溫度為1234.5℃，高于純氧化鋯納米粉的轉(zhuǎn)變溫度，初步推斷是由于穩(wěn)定劑氧化鈣的存在所致。 通過(guò)真空燒結(jié)制備了HA/316L粉、HA/316L纖維和HA-ZrO2(CaO)/316L纖維系列生物復(fù)合材料，綜合力學(xué)性能順序?yàn)镠A/316L粉系＜HA/316L纖維系＜HA-ZrO

4、2(CaO)/316L纖維系。三個(gè)體系復(fù)合材料微觀組織均隨成分變化呈規(guī)律變化，HA/316L粉(或HA/316L纖維)界面結(jié)合緊密，兩相融合程度高。HA/316L粉系中兩相之間發(fā)生了一定量的成分互擴(kuò)散，且基體元素Ca、P的擴(kuò)散能力強(qiáng)于增強(qiáng)相元素Fe；而HA/316L纖維和HA-ZrO2(CaO)/316L纖維系僅存在316L纖維中Fe元素向HA基體的單向擴(kuò)散行為。 首次研究了316L纖維的長(zhǎng)度、直徑與含量對(duì)HA-ZrO2(CaO

5、)/316L纖維生物復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：纖維直徑為40μm的復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)于纖維直徑為50μm的復(fù)合材料；纖維長(zhǎng)度為0.8～1.2mm的復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)于纖維長(zhǎng)度為2～3mm的復(fù)合材料；隨著纖維體積分?jǐn)?shù)增大，纖維之間相互接觸而導(dǎo)致在復(fù)合材料中形成的微孔增多，并成為微裂紋源，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。含20vol％直徑為40μm、長(zhǎng)度為0.8～1.2mm的316L纖維的HA-ZrO2(CaO)/316L纖維生物復(fù)合材

6、料的綜合性能最佳，其抗彎強(qiáng)度、楊氏模量、斷裂韌度和相對(duì)密度分別為140.1MPa、117.8GPa、5.81MPa·m1/2和87.1％。采用熱等靜壓方法在1100℃下首次制備了HA-ZrO2(CaO)/316L纖維對(duì)稱(chēng)與非對(duì)稱(chēng)生物FGM。FGM宏觀上未發(fā)生整體變形，表面亦無(wú)微裂紋存在；微觀上表現(xiàn)為316L纖維在FGM中呈均勻分布狀態(tài)。316L纖維包裹于HA-ZrO2(CaO)基體中，兩者結(jié)合非常緊密，界面凹凸不平；316L纖維與HA-

7、ZrO2(CaO)基體緊緊的咬合在一起，其結(jié)合主要靠基體對(duì)316L纖維的物理附著力所致。隨著HA含量增加，HA-ZrO2(CaO)/316L纖維生物FGM各梯度層的斷裂韌度和彈性模量逐漸減小，體現(xiàn)了FGM中生物活性與力學(xué)性能的緩和設(shè)計(jì)。HA-ZrO2(CaO)/316L纖維FGM中，增韌機(jī)理主要為纖維拔出增韌和層間裂紋偏轉(zhuǎn)增韌。 采用熱壓工藝首次制備了HA/316L粉對(duì)稱(chēng)與非對(duì)稱(chēng)生物FGM，HA/316L粉生物FGM在宏觀上呈現(xiàn)

8、明顯的梯度，微觀上則表現(xiàn)出成分連續(xù)變化，各梯度層之間界面結(jié)合緊密。316L粉的加入從根本上改變了HA/316L粉生物FGM各梯度層的斷裂方式，從而提高了材料的力學(xué)性能。HA/316L粉生物FGM增韌機(jī)制主要為層間裂紋偏轉(zhuǎn)增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌和裂紋橋聯(lián)增韌。 HA/316L粉生物FGM中HA含量隨梯度層的變化呈規(guī)律變化，這與所設(shè)計(jì)的梯度材料的成分變化相符。隨著HA含量減少，316L晶粒逐漸長(zhǎng)大，說(shuō)明HA在FGM中對(duì)316L晶粒長(zhǎng)大有

9、抑制作用。HA/316L粉生物FGM中316L組元的亞結(jié)構(gòu)以位錯(cuò)和層錯(cuò)為主，沒(méi)有出現(xiàn)孿晶亞結(jié)構(gòu)。HA/316L粉兩相界面結(jié)合狀況良好，存在約20nm左右的界面過(guò)渡區(qū)，HA和316L兩相在熱壓過(guò)程中發(fā)生了不同程度的固溶，其結(jié)合機(jī)理表現(xiàn)為固溶強(qiáng)化行為。 對(duì)HA/316L粉生物FGM進(jìn)行了急性毒性試驗(yàn)、亞急性毒性試驗(yàn)、熱源試驗(yàn)、抑菌試驗(yàn)、溶血試驗(yàn)、皮內(nèi)試驗(yàn)、Ames試驗(yàn)、細(xì)胞毒性試驗(yàn)等生物相容性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：HA/316L粉FGM生