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，實現(xiàn)了鈦合金的生物活化改性處理。通過光學顯微鏡（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）、顯微硬度計等檢測手段，主要開展了以下幾方面研究： 首先對本試驗條件下的激光熔覆工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。當固定輸出功率P=2．5kW、

2、光斑尺寸D=15mm×1mm，激光熔覆掃描速度為120～160mm/min時方有可能生成HA。通過顯微組織觀察及顯微硬度測試，結(jié)合激光熔覆傳熱、傳質(zhì)過程的分析計算，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。 其次對激光熔覆生物陶瓷復合涂層的組織結(jié)構(gòu)進行了研究。結(jié)果表明：涂層與基材之間實現(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對梯度復合涂層的影響及其催化合成機理。利用SEM、XRD、TG—DSC和顯微硬度等檢測手段發(fā)現(xiàn)：添加0．4～0．6wt．％CeO2時涂層組織均勻，降低了熔覆層的開裂傾向性，對生成HA和β—TCP等生物活性陶瓷相具有促進作用；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的殘余應力比未添加稀土氧化物涂層中的?。唤Y(jié)合反應動力學計算，提出稀土氧化物CeO2催化生物活性陶瓷相的可能機理：對應生物活性陶瓷相可能生成的溫度范圍，添加0．6wt．％CeO2體系對應溫度范圍的反應活化能比未添加稀土氧化物體系的小，更易使反應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胞培養(yǎng)實驗對激光熔覆生物陶瓷復合涂層的生物活性和細胞相容性進行了測試。模擬體液浸泡實驗表明，激光熔覆生物陶瓷復合涂層具備生物活性。利用SEM、XRD、EDX、ICP等檢測手段發(fā)現(xiàn)：隨著在SBF中浸泡時間的延長，涂層表面團絮狀物質(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），這對增強涂層韌性十分有利。該涂層在SBF中浸泡后磷灰石所對應的衍射峰明顯增強，CaO對應的衍射峰強度大幅降低，表明該涂層在SBF溶液中具有快速誘導磷灰石沉積的能力。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。 體外細胞培養(yǎng)實驗表明，隨細胞培養(yǎng)時間（2d、4d、6d）的延長，激光熔覆生物陶瓷涂層表面的細胞增殖呈現(xiàn)上升趨勢，而且其成骨細