Ti-Nb-Sn-HA生物醫(yī)用復(fù)合材料制備與性能研究.pdf

1、β型Ti-Nb-Sn合金由于其良好的機(jī)械性能、較低的彈性模量而被認(rèn)為是一種在人體骨骼修復(fù)和替換方面有良好應(yīng)用潛力的生物材料。本文首先采用高能機(jī)械球磨的方法制備了不同球磨時(shí)間的Ti-Nb-Sn/HA系列復(fù)合粉末(4小時(shí)、8小時(shí)和12小時(shí)),然后使用脈沖電流活化燒結(jié)的方法制備了Ti-Nb-Sn/HA系列復(fù)合材料塊體,以期將生物陶瓷羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH),HA)的生物活性?xún)?yōu)點(diǎn)與β型Ti-Nb-Sn合金的機(jī)械性能優(yōu)點(diǎn)結(jié)合,得到

2、一種既具有良好機(jī)械性能又具有良好生物活性的生物醫(yī)用金屬-陶瓷復(fù)合材料。對(duì)球磨得到的Ti-Nb-Sn/HA復(fù)合粉末和燒結(jié)的復(fù)合材料塊體的微觀形貌,相組成和復(fù)合粉末的燒結(jié)工藝進(jìn)行研究,并對(duì)復(fù)合材料塊體的機(jī)械性能、摩擦磨損性能、腐蝕性能和生物相容性等進(jìn)行了初步的研究。
　　未經(jīng)球磨的Ti-Nb-Sn/HA混合粉末主要以α-Ti、Nb和HA三相為主,隨著球磨時(shí)間的增加,球磨粉末中的α-Ti逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ti,Nb和Ti也逐漸發(fā)生固溶形成β

3、-Ti(Nb)過(guò)飽和固溶體,最終得到了具有納米結(jié)構(gòu)的β型Ti-Nb-Sn/HA超細(xì)顆粒尺寸復(fù)合粉末。這種超細(xì)顆粒尺寸復(fù)合粉末使得脈沖電流活化燒結(jié)過(guò)程中的燒結(jié)溫度降低到950℃,減少了復(fù)合粉末中HA在燒結(jié)過(guò)程的高溫分解,改善了燒結(jié)復(fù)合材料的生物活性。
　　采用脈沖電流活化燒結(jié)的方法制備了Ti-Nb-Sn/HA復(fù)合材料塊體。在未經(jīng)球磨和4小時(shí)球磨復(fù)合粉末燒結(jié)的復(fù)合材料塊體中仍以α-Ti相為主。而12小時(shí)球磨復(fù)合粉末燒結(jié)的復(fù)合材料中主要

4、由β-Ti、HA、Ca3(PO4)2(TCP)、TiO2、CaTiO3以及 TixPy等相組成。復(fù)合材料塊體的晶粒尺寸隨球磨時(shí)間的增加而變小,最終可以得到具有超細(xì)晶粒的復(fù)合材料塊體。復(fù)合材料塊體具有很高的相對(duì)密度和硬度,而且復(fù)合材料塊體的相對(duì)密度和硬度均隨著球磨時(shí)間的增加而增加。復(fù)合材料塊體的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Ti-Nb-Sn/HA復(fù)合材料均發(fā)生脆性斷裂行為。復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度隨著粉末球磨時(shí)間的增加而逐漸增加,而壓縮彈性模量變化不明顯。壓

5、縮強(qiáng)度最高(877MPa)的復(fù)合材料塊體彈性模量可以達(dá)到22GPa,具有較好的生物機(jī)械性能。
　　摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明球磨時(shí)間和HA含量可以影響燒結(jié)復(fù)合材料塊體的摩擦性能:Ti-Nb-Sn/HA復(fù)合材料塊體在Hank’s模擬體液潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)隨著復(fù)合粉末的球磨時(shí)間增加和HA含量的增加而逐漸降低,復(fù)合材料塊體的最小摩擦系數(shù)為0.12。本實(shí)驗(yàn)中復(fù)合材料塊體的磨損形式為微動(dòng)磨損,但隨著球磨時(shí)間的變化,復(fù)合材料塊體的具體磨損機(jī)理發(fā)生

6、明顯變化:其中未經(jīng)球磨和4小時(shí)球磨的復(fù)合材料塊體的微動(dòng)磨損中占支配地位的是磨粒磨損和黏著磨損,并伴隨疲勞磨損和腐蝕磨損。而8小時(shí)和12小時(shí)球磨的復(fù)合材料塊體的微動(dòng)磨損中以磨粒磨損為主。這種磨損機(jī)理的變化主要是受到復(fù)合材料塊體的硬度和壓縮屈服強(qiáng)度變化影響。12小時(shí)球磨的Ti-35Nb-2.5Sn/15HA復(fù)合材料塊體表現(xiàn)出良好的耐腐損能力,磨損量?jī)H為2.85×10-4mm3N-1m-1。
　　Ti-Nb-Sn/HA復(fù)合材料塊體在Ha

7、nk’s模擬體液中的耐腐蝕性能隨著復(fù)合粉末球磨時(shí)間的增加和HA含量的增加而提高。耐腐蝕性能最好的Ti-35Nb-2.5Sn/15HA復(fù)合材料塊體的腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為-0.261V和0.18μA/cm2,接近Ti-6Al-4V生物醫(yī)用合金在Hank’s體液中的腐蝕電流密度(0.16μA/cm2),且這種復(fù)合材料塊體發(fā)生鈍化后較穩(wěn)定,具有很寬的鈍化區(qū)間。
　　球磨的Ti-35Nb-2.5Sn/15HA復(fù)合粉末及其復(fù)合材料塊體

8、的溶血率均隨著球磨時(shí)間的增加而降低,而且復(fù)合材料塊體的溶血率(0.87％)明顯低于復(fù)合粉末的溶血率(3.2%)。在不同球磨粉末燒結(jié)得到的Ti-35Nb-2.5Sn/15HA復(fù)合材料塊體表面培養(yǎng)的 MC-3T3成骨細(xì)胞形態(tài)、增殖和活性研究中發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料塊體對(duì)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)無(wú)毒副作用和抑制作用。與CP Ti相比,成骨細(xì)胞在12小時(shí)球磨粉末燒結(jié)的Ti-35Nb-2.5Sn/15HA復(fù)合材料塊體表面的附著率、增殖能力和生物活性更高,而且成骨細(xì)