鋯基非晶薄膜的制備及其機(jī)械性能與生物相容性研究.pdf

1、作為新一代亞穩(wěn)態(tài)金屬材料，非晶合金表現(xiàn)出諸如高強(qiáng)度/硬度、低彈性模量等優(yōu)異的力學(xué)性能以及優(yōu)異的耐腐蝕、耐摩擦磨損性能和良好的生物相容性。但目前成形極限尺寸較小以及室溫（低溫）脆性這兩個(gè)不利條件嚴(yán)重限制了塊體非晶合金作為生物金屬材料的應(yīng)用。通過(guò)鍍膜的手段將其制成二維薄膜材料，能同時(shí)克服這兩個(gè)缺陷，展示出了非晶材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用的巨大可能性。研究人員已對(duì)非晶薄膜的制備與力學(xué)性能方面進(jìn)行了充分完整的探索，卻鮮有報(bào)道關(guān)于非晶薄膜在功能應(yīng)用，

2、特別是生物領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。本文針對(duì)具有優(yōu)異綜合性能的非晶體系Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3(at.％)，利用直流磁控濺射鍍膜技術(shù)在Ti6Al4V基底上制備了一系列鋯基非晶薄膜。利用X射線衍射分析儀（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（F-SEM）、納米壓痕儀（Nanoindentation）、UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（Friction/Wear Testing Machines）、電化學(xué)工

3、作站（Electrochemical Workstation）、細(xì)胞毒性（Cytotoxicity）、細(xì)胞增殖（Cell Proliferation）等實(shí)驗(yàn)手段系統(tǒng)研究鋯基非晶薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、微動(dòng)摩擦磨損性能、模擬唾液環(huán)境中耐腐蝕性能和生物相容性。
　　本文研究了濺射中基底溫度以及基底負(fù)偏壓對(duì)非晶薄膜微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)基底溫度對(duì)Zr基非晶薄膜的硬度、模量及膜基結(jié)合力的影響有限，而基底偏壓會(huì)顯著提高膜基間結(jié)合力。最優(yōu)

4、的磁控濺射工藝參數(shù)為室溫以及-150V的偏壓。在最優(yōu)工藝條件下，所制備的非晶薄膜結(jié)構(gòu)致密，為單相非晶結(jié)構(gòu)，與Ti6Al4V基材的結(jié)合力達(dá)到250mN，納米壓痕硬度接近7GPa。以氮化硅球作摩擦副，采用微動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)研究了非晶薄膜在干態(tài)和模擬唾液溶液兩種環(huán)境中的耐磨性，并與醫(yī)用Ti6Al4V合金進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比。研究表明，非晶薄膜均表現(xiàn)出極低的磨損速率,在干態(tài)以及模擬唾液環(huán)節(jié)下的磨損速率分別為4.48×10-4mm3N-1m-1，與7.12×

5、10-4mm3N-1m-1。鋯基非晶薄膜的耐磨性均顯著優(yōu)于Ti6Al4V合金及同成分體系的塊體非晶合金。原因在于非晶薄膜表面更容易生成含鋯氧化物覆蓋磨損痕跡，證明非晶薄膜可以顯著提高基底鈦合金耐摩擦磨損性能。鋯基非晶薄膜在兩種摩擦條件（干、濕態(tài)）下的主要磨損機(jī)制均為氧化磨損，這與成分體系中占有較大比例的鋯有關(guān)，較大的氧親和力的鋯，易與摩擦環(huán)境中的氧形成氧化物，這些致密的富Zr氧化物薄膜，不易破裂，能起到良好的保護(hù)作用。
　　在模擬

6、唾液環(huán)境下，采用電化學(xué)方法研究了非晶薄膜的腐蝕性能。動(dòng)電位極化結(jié)果表明，鋯基非晶薄膜在模擬唾液環(huán)境中具有十分優(yōu)異的耐腐蝕性，其點(diǎn)蝕電位高于1V（vs.SCE），且均勻腐蝕速率低于Ti6Al4V合金。恒電位測(cè)試表明非晶薄膜在浸泡初期形成鈍化膜的速率更快，且比Ti6Al4V合金更加穩(wěn)定。因此，快速鈍化能力以及鈍化膜穩(wěn)定性是鋯基非晶薄膜具有優(yōu)異耐腐蝕性能的關(guān)鍵原因。
　　通過(guò)生物毒性實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)比較了非晶薄膜與Ti6Al4V合金的

7、生物相容性。發(fā)現(xiàn)該成分的鋯基非晶薄膜沒(méi)有任何生物毒性，在模擬唾液中浸泡5天，非晶薄膜釋放出的Cu、Al離子量?jī)H為1.17×10-3ug/cm2/5d、4.05×10-3ug/cm2/5d，在人體安全使用范圍之內(nèi)。在非晶薄膜及Ti6Al4V合金表面進(jìn)行人類骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞貼附、增殖及礦化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：鋯基非晶薄膜表面與細(xì)胞產(chǎn)生良好的嵌合，隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞數(shù)目穩(wěn)步增加，并且細(xì)胞產(chǎn)生了正常礦化反應(yīng)。該非晶薄膜與Ti6Al