鋯基非晶薄膜的制備及其機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)出諸如高強度/硬度、低彈性模量等優(yōu)異的力學性能以及優(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）脆性這兩個不利條件嚴重限制了塊體非晶合金作為生物金屬材料的應(yīng)用。通過鍍膜的手段將其制成二維薄膜材料，能同時克服這兩個缺陷，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。研究人員已對非晶薄膜的制備與力學性能方面進行了充分完整的探索，卻鮮有報道關(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摩擦磨損試驗機（Friction/Wear Testing Machines）、電化學工

3、作站（Electrochemical Workstation）、細胞毒性（Cytotoxicity）、細胞增殖（Cell Proliferation）等實驗手段系統(tǒng)研究鋯基非晶薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、微動摩擦磨損性能、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偏壓對非晶薄膜微觀結(jié)構(gòu)與力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)基底溫度對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)合力達到250mN，納米壓痕硬度接近7GPa。以氮化硅球作摩擦副，采用微動摩擦實驗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合金進行了系統(tǒng)對比。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，能起到良好的保護作用。
　　在模擬

6、唾液環(huán)境下，采用電化學方法研究了非晶薄膜的腐蝕性能。動電位極化結(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，其點蝕電位高于1V（vs.SCE），且均勻腐蝕速率低于Ti6Al4V合金。恒電位測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。
　　通過生物毒性實驗和細胞培養(yǎng)試驗比較了非晶薄膜與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離子量僅為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合金表面進行人類骨髓間充質(zhì)干細胞細胞培養(yǎng)，細胞貼附、增殖及礦化實驗的結(jié)果表明：鋯基非晶薄膜表面與細胞產(chǎn)生良好的嵌合，隨浸泡時間的延長，細胞數(shù)目穩(wěn)步增加，并且細胞產(chǎn)生了正常礦化反應(yīng)。該非晶薄膜與Ti6Al