富氧氣氛下鈦合金加工表面氧化膜形成及其生物相容性研究.pdf

1、醫(yī)用鈦合金因具有良好的力學、物理、化學性能及出色的生物相容性，成為了人造關節(jié)，牙植入體及骨創(chuàng)傷產(chǎn)品等硬組織替代物及修復物的首選材料。鈦及鈦合金植入體在植入之前需要進行表面改性，以提高其耐腐蝕性及生物活性。目前國內(nèi)外鈦合金植入體的表面改性方法均是在機械加工成形之后，其缺點是工藝鏈長、工藝設備復雜、效率低、成本高。鑒于此，本研究提出了一種切削加工成形與表面改性于一體的鈦合金植入體制備新方法;利用切削加工產(chǎn)生的切削熱進行表面氧化改性，提高其耐

2、腐蝕性;利用切削加工形成的特定表面形貌提高其生物活性。從可持續(xù)發(fā)展的角度開發(fā)出一種針對鈦合金植入體的新型綠色切削加工制備方法，對縮短工藝鏈、提高效率、降低成本、保護環(huán)境、提高鈦合金植入體制造技術水平和產(chǎn)品競爭力有重要作用。主要研究工作如下:
　　首先，基于氧化熱力學研究鈦合金氧化膜產(chǎn)生的機理，確定形成致密二氧化鈦膜的條件。基于物理化學理論，分析鈦合金氧化過程中鈦離子和氧離子的運動規(guī)律，揭示鈦合金氧化速度的主要控制因素。研究結果表明

3、:形成致密二氧化鈦氧化膜的最佳溫度范圍為600-900℃，此溫度范圍內(nèi)鈦合金氧化速度的主要控制因素為氧離子通過氧化膜的擴散速度。
　　其次，基于菲克第一定律及阿列紐斯公式建立鈦合金氧化動力學模型，研究影響氧化速度的主要因素。采用MATLAB對鈦合金氧化動力學模型進行計算，分析各因素對氧化速度的影響規(guī)律。研究結果表明:影響鈦合金氧化速度的主要因素為氧化溫度、富氧濃度及富氧壓力、晶粒細化程度及氧化膜厚度;提高氧化溫度、富氧濃度及富氧壓

4、力、晶粒細化程度可加速鈦合金的氧化，但氧化膜厚度的增加會降低鈦合金氧化速度。
　　然后，搭建富氧氣氛下切削加工工藝試驗平臺，采用Deform3D有限元仿真軟件對切削參數(shù)進行優(yōu)化，將切削溫度控制在最佳氧化溫度范圍。進行不同切削參數(shù)及不同富氧氣氛下切削加工試驗，對鈦合金加工表面氧化膜成分和厚度，表面形貌及表層晶粒進行表征，分析切削溫度，富氧濃度和晶粒細化程度等因素對氧化速度的影響規(guī)律。將試驗結果與理論結果對比，富氧氣氛下切削加工能夠顯

5、著提高鈦合金加工表面氧化膜的厚度及致密性，驗證了氧化動力學模型的正確性。
　　最后，對富氧氣氛下切削加工表面進行耐腐蝕性及生物活性評價。通過模擬體液浸泡試驗及電化學腐蝕試驗，研究富氧氣氛下切削鈦合金表面的腐蝕機理和主要影響因素。通過體外細胞培養(yǎng)，觀測細胞的黏附、鋪展、增殖、分化及礦化等細胞行為，研究加工表面的生物活性，分析加工表面對細胞行為的調控機理。研究結果表明:富氧氣氛下切削加工生成的氧化膜能夠顯著提高鈦合金的耐腐蝕性，而且表