激光快速成形制備鈦表面HA涂層及其成骨相關(guān)性能研究.pdf

1、純鈦等金屬材料具有良好的機(jī)械性能和生物相容性，但其不具有生物活性，無(wú)法與植入?yún)^(qū)骨組織形成化學(xué)結(jié)合，其固位只能依靠機(jī)械嵌合；以羥基磷灰石為代表的磷酸鈣陶瓷具有較好的生物活性，能夠與植入?yún)^(qū)骨組織形成穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)合，然而其機(jī)械性能差，無(wú)法承受生理載荷。表面涂層技術(shù)可以將二者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，目前在純鈦等金屬表面制備磷酸鈣涂層的技術(shù)較多，然而均存在結(jié)合強(qiáng)度低、物相活性差等問(wèn)題。激光熔覆技術(shù)能夠使涂層與基材之間發(fā)生冶金結(jié)合，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，但

2、是其涂層內(nèi)部物相的生物活性及穩(wěn)定性較差。本課題將激光快速成形技術(shù)應(yīng)用于純鈦表面磷酸鈣生物活性陶瓷涂層的制備研究，以CaHPO4·2H2O和CaCO3混合粉末為原料，探討了原料粉末鈣磷比、激光功率、掃描速度和熱處理?xiàng)l件對(duì)涂層生成物相的影響規(guī)律；在優(yōu)化的工藝條件下，在純鈦表面制備出了HA涂層；并對(duì)該涂層材料的機(jī)械、理化和生物學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，探索出了一種純鈦表面HA涂層制備的新方法，為HA涂層材料的進(jìn)一步制備研究及應(yīng)用奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3、　　研究方法：
　　1.通過(guò)分組設(shè)計(jì)，進(jìn)行涂層的成形制備，利用X射線衍射和能譜分析技術(shù)，分析原料粉末鈣磷比值、激光功率、掃描速度和熱處理?xiàng)l件對(duì)涂層內(nèi)部物相的影響規(guī)律。
　　2.在優(yōu)化的條件下制備出純鈦表面HA涂層，利用X射線衍射、能譜分析、掃描電鏡等技術(shù)及力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)其微觀組織結(jié)構(gòu)、元素分布、物相組成和機(jī)械性能進(jìn)行表征。
　　3.采用靜態(tài)浸泡實(shí)驗(yàn)方法，以經(jīng)表面處理后的純鈦為對(duì)照組，對(duì)涂層材料在模擬體液中的溶解和沉積行為進(jìn)

4、行研究。
　　4.采用成骨細(xì)胞與材料共培養(yǎng)技術(shù)和動(dòng)物骨內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)，研究涂層材料與成骨相關(guān)的生物學(xué)性能。
　　研究結(jié)果
　　1.CaHPO4·2H2O和CaCO3混合原料粉末的鈣磷比對(duì)激光快速成形技術(shù)制備的涂層物相具有顯著的影響，其中鈣磷比為2.0時(shí)可以在純鈦表面生成含HA、α-TCP和TTCP生物活性物相的涂層。
　　2.在激光的低功率區(qū)，即450w～550w的范圍內(nèi)，涂層中的HA成分分解較少，同時(shí)所含的生物活性

5、物相保持了較高的水平；而激光的掃描速度對(duì)涂層生成物相無(wú)顯著性影響。
　　3.獲得了制備磷酸鈣涂層的優(yōu)化工藝參數(shù)，即原料粉末鈣磷比為2.0、激光功率450w、掃描速度200mm/min、搭接率35％、送粉速率2.0g/min、光斑直徑3.0mm；在上述優(yōu)化參數(shù)下，在純鈦表面制備出了含HA、α-TCP和TTCP生物活性物相的涂層；該涂層的微觀表面凹凸不平，內(nèi)部含有微孔，涂層與基材之間形成了冶金結(jié)合；從基材到涂層表面存在滲P的基材層（T

6、i3P層）、CaTiO3層和陶瓷層等三層結(jié)構(gòu)；其中，Ti3P層硬度最高，達(dá)到了1263.0±35.3HV0.1，而陶瓷層硬度最低，達(dá)到了482.2±20.3HV0.1。
　　4.隨著涂層熱處理?xiàng)l件的不同，涂層內(nèi)部的物相也發(fā)生變化，當(dāng)熱處理溫度為800℃、保溫時(shí)間6h時(shí)，涂層內(nèi)部的物相全部轉(zhuǎn)變?yōu)镠A；熱處理后，涂層與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了24.50±0.72MPa。
　　5.HA/Ti涂層在模擬體液中會(huì)釋放出一定量的Ca、P

7、離子，但對(duì)模擬體液的pH值沒(méi)有顯著影響，同時(shí)可以誘導(dǎo)HA顆粒在涂層的表面發(fā)生沉積。
　　6.HA/Ti涂層能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的早期黏附、增殖和ALP活性，成骨細(xì)胞在涂層表面呈立體、多向性伸展。
　　7.HA/Ti涂層能夠促進(jìn)植入?yún)^(qū)的骨再生和骨改建，并能夠與再生骨形成緊密的結(jié)合。
　　結(jié)論
　　在優(yōu)化的工藝條件下，激光快速成形技術(shù)結(jié)合熱處理技術(shù)可以在純鈦表面制備出HA涂層，該涂層與基材間形成了良好的結(jié)合，并具有較好的