鉭涂層對生物醫(yī)用鈦合金抗腐蝕性能影響的實驗研究.pdf

1、20世紀70年代以來，隨著生物醫(yī)學材料學的發(fā)展及冶金鑄造技術(shù)的提高，醫(yī)用鈦合金以其優(yōu)良的生物相容性、密度小和彈性模量低等特點作為人體植入材料而被應用于關(guān)節(jié)外科、矯形外科及創(chuàng)傷外科等骨科學領(lǐng)域，其中以Ti-6Al-4V合金（TC4）和NiTi形狀記憶合金(NiTiSAM)最為常見，以其為基材制成的人工關(guān)節(jié)假體、骨折內(nèi)固定器及矯形器械在臨床上被大量使用，成為最具代表性的生物醫(yī)用金屬材料。然而，長期的臨床應用發(fā)現(xiàn)這二種合金材料的抗腐蝕性能并未

2、達到理想水平，植入人體后，在體液中會發(fā)生腐蝕反應，不僅降低了其力學和機械性能，產(chǎn)生植入體斷裂、松動等問題以致植入失效，而且溶入體液的Al、V、Ni等離子對周圍組織會產(chǎn)生一定的毒副作用。因此，醫(yī)用鈦合金的抗腐蝕性能研究對于保障其在人體的安全使用具有十分重要的現(xiàn)實意義。近年來，金屬鉭以其優(yōu)良的抗腐蝕性能、穩(wěn)定的生物學特性和獨特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)引起生物醫(yī)學界的廣泛關(guān)注，鉭制人工骨小梁、顱骨修復體、心臟起搏器等已經(jīng)在臨床應用中獲得成功，如果將鉭作為涂

3、層材料噴涂于鈦合金表面制成生物醫(yī)用復合材料，
　　從而彌補鈦合金抗腐蝕、耐磨損能力差的缺點，就會大大提高鈦合金植入體的長期生物穩(wěn)定性。本文通過等離子噴涂技術(shù)在Ti-6Al-4V合金和NiTi形狀記憶合金試件表面形成鉭涂層，對涂層前后的合金試件采用模擬生理環(huán)境中的電化學腐蝕測試方法，對比分析抗腐蝕性能的變化情況，為鉭涂層鈦合金醫(yī)用復合材料進入臨床應用提供實驗依據(jù)。
　　研究內(nèi)容與方法:
　　1.運用等離子噴涂的方法在Ti

4、-6Al-4V合金表面形成鉭涂層，通過硬度計測量涂層材料與合金基體之間的結(jié)合強度，然后采用電化學腐蝕測試法在37℃模擬體液環(huán)境中測量Ti-6Al-4V合金表面噴涂鉭涂層前后的自腐蝕電位（Ecorr）和塔菲爾曲線。初步驗證金屬鉭是否具有提高醫(yī)用鈦合金抗腐蝕性能的作用及成為醫(yī)用金屬涂層材料的可行性。
　　2.通過等離子噴涂技術(shù)在NiTi形狀記憶合金表面形成鉭涂層，采用掃描電子顯微鏡和EDS能譜分析儀檢測涂層表面微形貌及元素組成，用X-

5、射線衍射儀對涂層的晶相結(jié)構(gòu)進行檢測；分別在中性和酸性模擬體液環(huán)境中通過動電位極化法測量NiTi形狀記憶合金表面噴涂鉭涂層前后的陽極極化曲線及鉭涂層與NiTi合金基底之間的電偶電流密度值。通過上述實驗深入研究鉭涂層的理化性質(zhì)及在復雜生理環(huán)境中的抗腐蝕性能，為金屬鉭成為新一代醫(yī)用金屬涂層材料奠定實驗基礎(chǔ)。
　　研究結(jié)果:
　　1.通過等離子噴涂技術(shù)可以在Ti-6Al-4V合金試樣表面涂覆一層厚度為500μm，均勻致密的鉭涂層，經(jīng)

6、硬度計測量可知涂層與合金基體之間的結(jié)合強度達到HF1。涂層后Ta/Ti-6Al-4V復合體在中性模擬體液中的自腐蝕電位為+16mV，比Ti-6Al-4V合金的自腐蝕電位（-108mV）高124mV。塔菲爾曲線顯示涂層后Ta/Ti-6Al-4V復合體的鈍化區(qū)間較Ti-6Al-4V合金變長，維鈍電流降低，破鈍電位增大。
　　2.NiTi形狀記憶合金試樣表面鉭涂層厚度為400μm，掃描電子顯微鏡觀察顯示涂層與基體結(jié)合緊密，表面光潔呈微晶

7、狀，經(jīng)EDS能譜儀測量可知涂層主要組成元素為Ta及來自基底材料的Ti和Ni，還有少量材料氧化生成的O元素；XRD分析可知合金表面的相組成主要為呈立方晶的單體α-Ta、B2結(jié)構(gòu)NiTi以及Ta涂層氧化生成的Ta2O和Ta2O5。陽極極化曲線顯示在中性及酸性模擬體液環(huán)境中NiTiSMA經(jīng)Ta涂層處理后均表現(xiàn)為自腐蝕電位升高，維鈍電流密度降低，而極化電阻及破鈍化電位增大，實驗參數(shù)經(jīng)統(tǒng)計分析顯示：NiTiSMA經(jīng)Ta涂層處理前后的Ecorr、I

8、p、Rp、Etp值差別顯著（P<0.01）。Ta涂層與NiTiSMA基底之間的電偶電流-時間曲線顯示電偶電流密度值微小，穩(wěn)定于μA（10-6A/cm2）級。
　　結(jié)論:
　　1.通過等離子噴涂的方法可以在Ti-6Al-4V合金表面涂覆一層厚度為500μm，與基底結(jié)合緊密的鉭涂層。經(jīng)電化學測量法測試，鉭涂層表面改性處理能有效提高Ti-6Al-4V合金的抗腐蝕性能，為解決生物醫(yī)用鈦合金植入體無菌性松動的問題提供了實驗依據(jù)。