AZ31鎂合金表面含羥基磷灰石涂層的制備及腐蝕行為研究.pdf

1、鎂及鎂合金材料具有良好的生物相容性、并與人體骨非常匹配的力學性能,且可以在人體內(nèi)降解,是一種很有潛力的醫(yī)用植入材料。然而,鎂及其合金在人體生理環(huán)境中腐蝕速度較快,在受損組織還沒有完全愈合時,其已經(jīng)失去了固有的力學性能,不能對受損組織形成良好的保護。且鎂合金作為金屬材料植入材料,其結(jié)構(gòu)和化學組成和骨組織相差較大、生物活性較差,不能和骨組織形成骨性結(jié)合,延緩了組織愈合的時間。因此,如何有效控制醫(yī)用鎂合金的降解速率,提高其生物活性成為目前國內(nèi)

2、外研究的一個熱點問題。
　　本研究從鎂合金作為骨組織工程材料和骨固定材料出發(fā),結(jié)合羥基磷灰石(HA)優(yōu)異的生物活性特征,提出了利用微弧氧化技術在AZ31鎂合金表面制備含羥基磷灰石的生物活性涂層,從而實現(xiàn)提高鎂合金在生理環(huán)境的耐腐蝕性能、延緩其降解速率和提高其生物活性的研究思路。通過系統(tǒng)研究微弧氧化技術的主要工藝參數(shù)對涂層組成及性能的影響規(guī)律,綜合優(yōu)化構(gòu)建了表面涂層。對該工藝條件下制備的微弧氧化涂層的腐蝕失效機制、應力作用下的腐蝕性

3、能和生物活性進行了研究?；谖⒒⊙趸嗫椎谋砻嫘蚊?利用負壓溶膠凝膠和液相沉積的技術手段對該微弧氧化涂層進行了封孔處理,以進一步改善涂層的耐蝕性能和生物活性。同時,采用預制涂層、發(fā)射光譜分析和原溶液中半導體性能的分析對微弧氧化過程中涂層的擊穿方式進行了探討。
　　以氫氧化鈉和甘油磷酸鈣為電解液,在AZ31鎂合金表面制備了含HA的微弧氧化涂層。微弧氧化過程中,含鈣、磷元素的離子和類膠團顆粒物通過電泳和擴散作用到達微弧氧化反應界面,和

4、基體熔出的鎂發(fā)生復雜的化學、物理、等離子體反應,進入微弧氧化涂層。研究表明微弧氧化涂層能夠顯著提高鎂合金基體的耐腐蝕性能、耐磨性能,降低鎂合金基體在Hank’s溶液中的降解速率。電解液組成、電源工藝參數(shù)對涂層的組織結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、涂層與基體的結(jié)合強度、耐磨、耐蝕和降解性能均會產(chǎn)生影響。采用0.1mol/LNaOH和0.03mol/LCaCH2CH(OH)CH2(OH)PO4為電解液,微弧氧化電壓為400V,微弧氧化時間為40min時,

5、制備的涂層平均降解析氫速率最慢為0.007ml/day·cm2,低于在皮下組織形成氣腫的最小腐蝕析氫速率;微弧氧化涂層與基體的結(jié)合強度為61MPa,滿足生物醫(yī)用植入材料對涂層與基體結(jié)合強度的要求。
　　微弧氧化涂層試件在Hank’s溶液中腐蝕的過程是一個受擴散控制的過程,其腐蝕過程分為三個階段:浸泡初期,浸泡中期和浸泡后期。由于涂層的阻擋作用,腐蝕介質(zhì)通過涂層中的缺陷滲透到基體界面,和鎂合金基體材料發(fā)生電化學腐蝕。隨著浸泡時間的延

6、長,涂層不斷的遭到破壞,涂層電阻不斷減小,涂層的保護作用逐漸減弱。微弧氧化過程中既發(fā)生了氣體膜層的放電擊穿,也發(fā)生了固體膜層的放電擊穿。微弧氧化電壓較低時,固體膜層的放電擊穿較困難;電壓升高有利于固膜放電擊穿的發(fā)生。
　　模擬體液培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn),含HA的微弧氧化涂層在SBF溶液中浸泡的過程是一個涂層中HA的溶解和SBF溶液中鈣磷元素在涂層表面沉積形成類骨HA同時存在的動態(tài)平衡過程。培養(yǎng)初期微弧氧化涂層中的鈣元素發(fā)生溶解,從而提高了模

7、擬體液中鈣元素的含量,加大了模擬體液中鈣磷元素的過飽和度,促進了HA在涂層表面的沉積。研究發(fā)現(xiàn),加載外加拉應力加速了基體和微弧氧化涂層試件的降解速率,而加載外加壓應力幾乎不影響基體和涂層試件的腐蝕降解速率。隨加載的外加拉應力的增大,基體和微弧氧化涂層試件的腐蝕降解速率均增加,但是微弧氧化涂層對基體鎂合金始終有保護作用,微弧氧化涂層的存在減緩了鎂合金基體在應力作用下的腐蝕降解速率。
　　微弧氧化涂層對基體鎂合金具有較好的保護作用,且

8、涂層與基體間具有較高的結(jié)合強度。但由于微弧氧化陶瓷層存在微觀的放電通道,腐蝕介質(zhì)能通過孔隙滲透涂層,其降低了鎂合金的耐腐蝕性能。結(jié)合溶膠凝膠涂層在鎂合金表面良好的吸附性能,通過負壓溶膠凝膠的方法利用HA溶膠對含HA的微弧氧化涂層進行了封孔處理。結(jié)合液相沉積的工藝特點,利用NaH2PO4和EDTANa2Ca為處理液,對含HA的微弧氧化涂層進行了液相封孔處理。研究發(fā)現(xiàn)負壓溶膠凝膠處理和液相沉積處理過程中,封孔液能夠進入到微弧氧化涂層的放電通