（材料加工工程專業(yè)論文）微弧氧化制備Ti6Al4V生物薄膜的工藝研究.pdf

江蘇大學碩士學位論文 摘要 本文對t i 6 a 1 4 v 生物薄膜的微弧氧化( m a o ) 制備工藝進行了研究，在前 人研究的基礎上，通過大量的試驗對微弧氧化表面處理工藝參數(shù)的設定進行了有 益的探索，研究了在d 甘油磷酸鈉和醋酸鈣組成的電解液體系中，以不同的工藝 參數(shù)如電流密度、占空比、頻率、氧化時間進行微弧氧化處理，對t i 6 a 1 4 v 表面 所生成的薄膜厚度、形貌、相組成等的影響。通過水熱處理的手段誘發(fā)了膜層羥 基磷灰石的生成，并進行了模擬體液浸泡試驗及抗凝血試驗，檢測了膜層生物活 性及生物相容性。 研究結(jié)果表明：在恒流模式下，t i 6 a 1 4 v 微弧氧化所采用的電流密度、占空 比及氧化時間等工藝參數(shù)對氧化膜的生長與組織結(jié)構有顯著的影響，但脈沖頻率 影響較小。合金表面生成的微孔數(shù)目大小均受上述四個因素的影響?？偟挠绊懶?果為，隨電流密度的增大，占空比的增加，氧化時間的延長，微孔數(shù)目減少，尺 寸增加，與脈沖頻率增加的情形相反。x r d 分析表明，t i 6 a 1 4 v 微弧氧化生物薄膜 主要由銳鈦礦型t i 0 2 和金紅石型t i 0 2 組成。隨電流密度的增大，金紅石相t i 0 2 的含量逐漸增加，溶液中的c a 、p 元素進入到膜層形成非晶相。氧化時間，占空 比對微弧氧化膜生長與組織結(jié)構的影響與電流密度相類似。隨著脈沖頻率的增 大，氧化膜的厚度降低、表面微孔尺寸減小，表面微孔數(shù)目增加。當頻率在5 0 0 h z 至9 0 0 h z 時，對氧化膜中兩種晶型t i 0 2 的相對含量沒有影響。劃痕試驗表明，膜 層與基體間的結(jié)合力隨電流密度、占空比的增加而減小，隨脈沖頻率、氧化時間 的增加而增大。水熱處理試驗表明，經(jīng)水熱合成處理后的氧化鈦膜層表面的無定 形物質(zhì)能轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)羥基磷灰石( h a ) 。隨著水熱處理條件的變化，生成的 h a 的數(shù)量，顆粒大小，分布均會有所不同。模擬體液浸泡試驗結(jié)果表明，經(jīng)水 熱處理的微弧氧化試樣可以在模擬體液中生成羥基磷灰石，隨著浸泡時問的延 長，生成的羥基磷灰石的量不斷增加，表明其具有較好的生物活性。血液相容性 試驗表明：m a o 生物膜層表面的血液凝固特性弱，凝血時間較長，m a o 膜層的 血小板粘附量明顯少于t i 6 a 1 4 v 合金，血液相容性顯著提高。 關鍵詞：鈦合金，微弧氧化，水熱處理，生物活性，生物相容性 江蘇大學碩士學位論文 b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h et e c h n i c so fb i o a c t i v e o x i d a t i o no nt i 6 a 1 4 vb ym i c r o - a r co x i d a t i o n t h e t h et h e s i si sa b o u tm i c r o - a r c o x i d a t i o no ft i 6 a 1 4 v ，b a s e do nl o t so fe x p e r i m e n t sa p p l y i n gm i c r o a r co x i d a t i o n p a r a m e t e ru n d e r c o n s t a n tc u r r e n tc o n d i t i o n i n f l u e n c eo fe l e c t r o n i c p a r a m e t e r s ( c u r r e n td e n s i t y ，d u t yc y c l e ，f r e q u e n c ya n dt i m e ) a l es t u d i e do nt i 6 a 1 4 vc o a t i n g t h i c k n e s s ，s u r f a c ea n dc o m p o s i t i o no fp h a s ei nt h eb - c 3 h 7 n a 20 6 1 5 h 2 04 + ( c h 3 c 0 0 ) 2 c a h 2 0s o l u t i o n b i o a c t i v i t ya n db i o c o m p a t i b f l i t yp r o p e r t yo ft h ef i l m a f t e rt r e a t m e n to fd i f f e r e n te l e c t r o n i cp a r a m e t e r sw a sa n a l y z e db ys o a ki ti n t o s i m u l a t eb o d yf l u i da n db ya n t i c o a g u l a t i o ne v a l u a t i o na n dt h e g e n e r a t i o n o f h y d r o x y a p a t i t ew a si n d u c e db yh y d r o t h e r m a ls y n t h e s i s t h er e s u l ts h o w e d ，t h e g r o w t ha n ds t r u c t u r eo ft ia l l o yo x i d a t i o nc o a t i n g c a l lb e a f f e c t e do b v i o u s l yb yc u r r e n td e n s i t y ，d u t y c y c l ew i t hc o n s t a n tc u r r e n ta n do x i d a t i o n t i m e ，b u tn o tb yf r e q u e n c y 。t h en u m b e ra n ds i z eo fm i c r o p o r ea r ea f f e c t e db yt h e a b o v ef o u rf a c t o r sa tt h es a m et i m e w i t ht h ei n c r e a s i n go fo x i d a t i o nt i m e ，d u t yc y c l e a n dc u r r e n td e n s i t y ，t h en u m b e ro fm i c r o p o r ed e c r e a s e s ，t h es i z eo fm i c r o p o r e i n c r e a s e s t h i si so p p o s i t ew i t hf r e q u e n c y x r ds h o w e dt h eo x i d a t i o nc o a t i n gi s m a i n l yc o m p o s e do fa n a t a s ea n dr u t i l et i 0 2 t h el a t t e ri n c r e s e s 、析t i lt h ei n c r e a s eo f t h ec u r r e n td e n s i t y ，a m o r p h o u sp h a s ef o r m e da st h ee n t r a n c eo fc aa n dpi n t ot h e c o a t i n g d u t yc y c l ea n do x i d a t i o nt i m eh a v eas i m i l a ri n f l u e n c et ot h et h eg r o w t ha n d c o m p o s i t i o no fm i c r o a r co x i d a t i o n w i mt h ei n c r e a s eo ft h ei m p u l s ef r e q u e n c y ， t h i c k n e s st u r n sl o w e r ，s i z eo fm i c r o p o r eo nt h ec o a t i n gs u f a c eb e c o m e sl e s s ，b u t n u m b e r sg r a d u a l l yi n c r e a s e w h e nf r e q u e n c yi sb e t w e e n5 0 0 h za n d9 0 0h z ， i n f l u e n c eo fi m p u l s ef r e q u e n c yi sn o ts oo b v i o u st ot h er e l a t i v ec o n t e n to fa n a t a s e a n dr u t i l et i 0 2 t h es c r a t c ha d h e s i o nt e s ts h o w e d ：b o n db e t w e e nc o a t i n ga n d m a t r i xd e c r e a s e sw i t hd u t yc y c l ei n c r e a s e sa n dc u r r e n td e n s i t yi n c r e a s e s w h i l e g r a d u a l l yi n c r e a s ew i t hi n c r e a s eo ff r e q u e n c yu n d e rc o n s t a n tc u r r e n tc o n d i t i o n h y d r o t h e r m a ls y n t h e s i s ( h s ) s h o w e d ，d i f f e r e n tm e d i u m ，t e m p e r a t u r ea n dd i s p o s e d t i m ea f f e c tt h em o r p h o l o g y ，t h eq u a n t i t y ，d i s t r i b u t i o na n dt h er i m ee x t e n to ft h eh a 江蘇大學碩士學位論文 a m o r p h o u ss u b s t a n c eo nt h es u r f a c ei st r a n s f o r m e di n t ot h ec r y s t a lh a s t i m u l a t e d b o d yf l u i di m m e r s i o ne x p e r i m e n t ss h o w e d ：t ia l l o yi n d u c e sf o r m i n gh a i nt h es b f a f t e rt r e a t e dw i mm a o - h s t h e q u a n t i t yo fh a i n c r e a s e sw i t he x t e n s i o no ft i m ea n d t h ec o a t i n gh a sg o o db i o a c t i v i t y h a e m o c o m p a t i b i l i t ye x p e r i m e n tf i n d st h a tt h eb l o o d d o t t i n gt i m eo ft h ec o a t i n gi sm u c hl o n g e rt h a nt h a to ft ia l l o y ：a n dt h ep l a t e l e t s t i c k i n gn u m b e ro nt h ec o a t i n gi so b v i o u s l yl e s st h a nt h o s eo nt h et ia l l o y t h e s e i n d i c a t et h a tt h eh a e m o c o m p a t i b i l i t yo ft h ec o a t i n gi sr e m a r k a b l ys u p e r i o rt ot h et i a l l o y k e yw o r d s ：t ia l l o y ，m i c r o - a r eo x i d a t i o n ，h y d r o t h e r m a ls y n t h e s i s ，b i o a c t i v i t y ， b i o c o m p a t i b i l i t y m 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定， 同意學位保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權江蘇大學可以將本學位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 保密口，在年解密后適用本授權書。 不保密眵。 學位論文作者簽名：孑k 笮里 鉚護7 年歲月弘e t 指導教師簽名： f 月彳。日 獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨 立進行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論 文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文 的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本 人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 學位論文作者簽名：孫藿望 日期：哆?？诹_年廠月夕e t 江蘇大學碩士學位論文 第一章緒論 1 1 生物材料簡介 生物材料( b i o m a t e r i a l s ) 有時也稱為生物醫(yī)用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) ，一般 是指具有特殊性能、特種功能，能用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷、 檢查、治療疾患等醫(yī)療和保健領域，而對人體組織和體液無不良影響的材料【1 。2 1 。 人類利用生物材料的歷史與人類歷史一樣漫長，依據(jù)其發(fā)展歷史和材料本身的特 點，可分為：2 0 世紀初第一次世界大戰(zhàn)以前所使用的生物材料可歸于第一代生 物材料，代表材料有石膏、金屬、橡膠以及棉花等；到2 0 世紀8 0 年代中期，第 二代生物材料出現(xiàn)，其發(fā)展是以醫(yī)學、材料科學、生物化學和物理學為基礎，目 的是“能夠與替換組織相匹配，在母體內(nèi)具有最小的毒性，實現(xiàn)與身體機能一致 ， 代表材料有生物活性玻璃、纖維蛋白等：目前已經(jīng)出現(xiàn)了第三代生物材料，它們 一般由具有生理活性的組元和控制載體的非活性組元構成，具有比較理想的修復 再生功效，通過材料之間的復合，材料與活細胞的融合，活體材料和人工材料的 雜交等手段，賦予材料特異的靶向修復、治療和促進作用，從而達到病變組織部 分甚至全部由健康的再生組織所取代。代表材料為細胞和基因活化材料【3 】。 生物醫(yī)用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s1 可以按以下標準進行分類m ：材料屬性、 材料生物功能性、臨床用途等。 按材料屬性分為生物醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用高分子材料、生物陶瓷材料、生物 衍生材料及生物醫(yī)學復合材料。 按材料生物化學反應水平，又可分為生物惰性材料、生物活性材料、可生物 降解和吸收的生物材料。 按用途可分為硬組織修復替換材料、軟組織修復替換材料、與血液、體液及 組織接觸材料、醫(yī)用膜材料、藥物釋放載體材料及臨床診斷生物傳感器等。 與其他各類生物材料相比，生物醫(yī)用金屬材料，又稱外科用金屬材料( s u 哂c a l m e t a l1 ，具有良好的生物力學性能，是臨床應用最廣泛的承力植入材料，涉及硬 組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個方面。已經(jīng)用于臨床的醫(yī)用金屬 材料主要有3 1 6 l 不銹鋼、鈦基及鈦基合金等。 生物醫(yī)用材料的研究與開發(fā)對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有十分重要的意義。 近三十年來，生物醫(yī)用材料的研究與開發(fā)取得了令人矚目的成就，使得數(shù)以 江蘇大學碩士學位論文 百萬計的患者獲得康復，大大提高了人類的生命質(zhì)量。隨著科學技術的發(fā)展和人 口老齡化，以及工業(yè)、交通、體育等導致的創(chuàng)傷增加，人們對生物醫(yī)用材料及其 制品的需求越來越大【7 】。硬組織材料是生物醫(yī)用材料的重要組成部分，在人體硬 組織( 骨、牙等) 的缺損修復及重建已喪失的生理功能方面起著重要的作用。1 9 9 9 年，全球生物材料及其制品銷售額達1 0 0 0 億美元，其中硬組織生物材料占1 5 。 我國骨缺損患者近3 0 0 萬，牙缺損患者人數(shù)達總?cè)藬?shù)的1 3 到1 5 。以人工關節(jié) 為例，目前國內(nèi)人工關節(jié)置換手術3 5 力例年，年銷售額2 5 億元人民幣。隨著 經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展健康觀念的更新進步，關節(jié)置換率將以每年約1 5 - - 2 0 的速率 遞增，最終達到1 0 0 萬例年的水平【羽。由此可見，硬組織替代和修復材料市場前 景廣闊。因此硬組織修復材料研究一直是生物醫(yī)學材料領域的熱點【9 - 1 1 1 。 臨床已經(jīng)證明，白體骨移植是治療骨缺損的最好方法，但其來源有限，取骨 區(qū)有一定的并發(fā)癥。異體骨具有自體骨的一些優(yōu)越的組織特點，但其存在免疫排 斥反應，并有感染h i v 和肝炎等病毒的可能，而且制樣、處理和存貯的成本很 高，所以其應用受到很大限制【1 2 d 3 1 為了克服這些局限，人們研究了用作骨替代物 的人工材料。為了制備和研究骨修復材料，了解人體骨組織的物理、化學及力學 性能非常重要。就根本而言，替代材料的各方面性能應該盡量接近人體自身固有 硬組織的性能指標，才能更好地滿足人體的需要。 1 2 骨替代材料的分類和現(xiàn)狀 骨替換材料也即骨修復材料，是替代人體硬組織( 骨骼、牙齒等) 的生物材料， 是重要的生物醫(yī)用材料之一。由于在使用過程中與人體生理環(huán)境相接觸，因而與 其它功能材料相比，植骨生物材料還必須具備某些特殊要求。一般來說，植骨生 物醫(yī)用材料應滿足如下基本要求【1 4 1 ： 1 盡可能小的人體排異性，即植入人體后，無不良刺激、無過敏、不引起感染等 癥狀。 2 足夠的強度和韌性。 3 穩(wěn)定的理化特性。 4 優(yōu)良的生物活性。 作為骨修復材料，除了具備必需的理化特性外，還需要滿足在生理環(huán)境中工 作的生理學要求，包括生物安全性、生物相容性及生物功能性。 2 江蘇大學碩士學位論文 現(xiàn)有的骨修復材料主要分為以下四種：醫(yī)用金屬材料、生物陶瓷材料、醫(yī)用 高分子材料和生物復合材料。 1 2 1 醫(yī)用金屬材料 生物醫(yī)用金屬材料是最早被采用的生物材料，也是目前最常用的骨替換材 料之一，主要用于整形外科和牙科領域。醫(yī)用金屬材料具有較高的強度和韌性 常作為受力器件植入體內(nèi)，如人工關節(jié)、人工椎體、骨折內(nèi)固定鋼板、骨釘、 牙種植體等。引起的生物反應最小是金屬骨替換材料的選擇標準。由于力學和 環(huán)境的共同要求，用于骨和關節(jié)重建的金屬主要有不銹鋼( 鐵基) 、鈷基合金 和鈦基材料。其中鈦及其合金具有優(yōu)良的機械性能和良好的生物相容性，得到 最為廣泛的應用【1 5 l 。盡管醫(yī)用金屬材料具有一定的生物相容性，但因其結(jié)構和 性質(zhì)與骨相差很大，缺乏生物活性，難以與骨組織發(fā)生鍵性結(jié)合，僅形成一層致 密的纖維包膜，所以其應用具有一定的局限性。此外，絕大多數(shù)醫(yī)用金屬材料彈 性模量較骨過高，易造成骨應力吸收，引起種植體松動、脫落、失敗。因此，金 屬材料很少單獨使用，其研究和應用主要集中在與其他材料復合使用方面【1 6 1 。 1 2 2 生物陶瓷材料 陶瓷是指由金屬離子和非金屬離子兩部分以離子鍵結(jié)合的一類晶體材料，按 照其生物活性分為生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷。 生物惰性陶瓷是指化學性能穩(wěn)定并與機體組織生物相容性好的陶瓷材料。 從材料的結(jié)構來看，其化學鍵較強，具有較高的機械強度和耐磨損性能，可以 應用于各種人工關節(jié)、人工骨和人工齒根。目前應用和研究的生物惰性陶瓷主 要有多晶氧化鋁、單晶氧化鋁、氧化鋯、熱解碳等材料。這類材料的特點是機 械強度良好，但是不具有生物活性，與體內(nèi)組織之間主要依靠形態(tài)結(jié)合，種植 體與生物基體間往往形成一定厚度的纖維組織。 生物活性陶瓷材料是指能與活體骨組織、活體軟組織形成化學鍵合的陶瓷 材料。對于硬組織替換材料，這種鍵合主要通過羥基磷灰石在界面處的沉積來 實現(xiàn)。界面結(jié)合強度隨時間增長而增強，與骨折愈合的情形相似【1 7 1 。“生物活性” 這一概念是ll h e n c h 于1 9 6 9 年首次發(fā)現(xiàn)生物玻璃與骨的鍵合現(xiàn)象后提出的， 是指“植入體與機體組織之間不會形成纖維組織包裹，不被機體排斥，與宿主組 織直接結(jié)合的性質(zhì)【1 8 1 。 3 江蘇大學碩士學位論文 生物活性陶瓷研究和應用中，以鈣磷陶瓷為主，包括羥基磷灰石 ( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 和磷酸三鈣( t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ，t c p ) 1 1 9 l 。它們的主 要成分為鈣、磷離子，與骨無機質(zhì)相似，骨修復作用主要體現(xiàn)在骨傳導性方面， 可以為新骨的形成提供支架。 h a 是目前研究較多的一種生物活性材料【刎。它是人體骨骼組織的主要無機 成分，含有人體組織所必需的鈣和磷元素。植入體內(nèi)后，在體液的作用下，鈣和 磷會游離出材料表面，被機體組織所吸收，并形成新的組織。世界各國都對h a 材料進行了廣泛的基礎和臨床應用研究。有報道稱，在狗股骨中植入粒狀h a ， 進行了長達8 年的x 線及組織學觀察，尚未發(fā)現(xiàn)炎癥及不良反應。b r u d e r 2 1 】將 骨髓基質(zhì)細胞 o n em a r r o ws t r o m a lc e l l s ，b m s c ) 接種于多孔的圓柱狀陶瓷上， 修復了骨缺損，試驗中沒有出現(xiàn)異常反應。由珊瑚得到的多孔h a 具有與松質(zhì)骨 相似的結(jié)構，通過動物模型和臨床試驗證實，微血管可以侵入種植塊，然后轉(zhuǎn)化 為成熟骨板，其生長過程與自體修復中所觀察到的現(xiàn)象基本相同。目i j ，珊瑚 h a 植入體已成功地應用于網(wǎng)狀干骺端的修復，但還尚未用于骨干損傷修復【2 2 1 。 t c p 具有非常高的生物相容性，在骨移植基質(zhì)研究中也受到普遍重視【2 3 1 。 大孔的t c p 被骨組織工程用作干骨重建的骨架。b a k s h 等【刎用聚氨酯海綿方法 編織出具有三維網(wǎng)絡結(jié)構的新型多孔聚磷酸鈣骨架材料( c p p ) ，并進行了離體研 究，發(fā)現(xiàn)多孔的c p p 骨架能促進骨生長。1 3 - t c p 屬可吸收生物陶瓷，在體內(nèi)可 逐漸被降解和吸收，新骨可逐漸替換植入體，但其降解和吸收速度與骨形成速度 難以達到一致，且強度較低，不適于人體承力部位的骨修復，主要用于矯正小的 骨缺損，如骨缺損腔填充，牙槽脊增高等【2 5 - 2 7 1 。 1 2 3 醫(yī)用高分子材料 醫(yī)用高分子材料是指在生理環(huán)境中使用的高分子材料。用于硬組織修復的高 分子材料可分為天然高分子材料和人工合成高分子材料兩類。天然高分子包括膠 原( c o l l a g e n ) 、纖維蛋白( f i b r i n ) 、幾丁質(zhì)( c h i t i n ) 和藻酸鹽( a l g i n a t e ) 等。這 些天然材料生物相容性好，利于細胞粘附、增殖和分化，但其力學性能差，力學 強度與降解性能間存在反對應關系，導致降解速度慢，難于滿足組織構建的速度 要求。因此，天然高分子生物材料一般不單獨用作骨修復材料。人工合成高分子 材料可分為不可降解聚合物和可降解聚合物兩類。不可降解的聚合物有聚乙烯、 4 江蘇大學碩士學位論文 尼龍等，可降解聚合物主要有聚乳酸( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) ，聚偶磷氮( p o l y p h o p h a z e n e s ) 、聚原酸酯( p o l y o r t h o d e s t e r ，p o e ) 、聚已內(nèi)酯( p o l y c a p r o l a c t o n e ， p c l ) 、聚酯尿烷( p o l y e s t e r u r e t h a n e ) 、聚酸酐亞胺共聚物、聚羥丁酯( p h b ) 等。 聚乳酸( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) 以及它們的共聚物( p l g a ) 是目前應用最廣的 可降解高分子材料。p l a 是一種具有一定機械強度和良好加工性能的生物降解 材料，p g a 在體內(nèi)無毒，無積蓄，在縫線材料方面的應用已證實其具有良好的 生物相容性。m i k o s 進行了大量的研究，采用層壓技術成功地制成了具有三維多 孔結(jié)構的聚合物泡沫，層壓的微孔彼此相通，空隙率達9 0 。這種多孔結(jié)構為細 胞提供了較大的粘附面，有利于細胞的粘附，并且允許血管向內(nèi)生長，從而加速 了移植部位的骨重型捌。b o u n m e e s t e r 用含p e 0 6 0 、p b t 4 0 的p o l y a c t i v e t m 共 聚物來填充兔子小梁骨和股骨皮質(zhì)的缺損，半定量地測定了這兩個部位的成骨 量，發(fā)現(xiàn)該材料可以選擇吸收移植部位附近的鈣，具有生物活性，可以刺激新骨 形成，是一種很有前途的骨移植替代物【冽。 p l a 、p g a 在應用過程中也存在一些缺點：( 1 ) 機械強度不足，尤其是抗 壓強度不足；( 2 ) 降解速度過快，容易引起材料結(jié)構失去支撐作用；( 3 ) 引起無 菌性炎癥，這可能與聚合物降解過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)有關；( 4 ) 親水性差，細 胞吸附力弱【3 0 。1 1 。 以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥( p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t ec e m e n t ，p m m a c ) 為 代表的傳統(tǒng)丙烯酸酯類骨水泥是一種由粉劑和液劑組成的室溫自凝粘固劑。 p m m a c 在面團期具有可任意塑形的特性和良好的粘固作用，并且在固化后具有 較強的機械強度【3 2 1 。但p m m a c 屬于生物惰性材料，不能與宿主骨組織形成有 機的化學界面結(jié)合【鯽，另外凝固聚合過程中產(chǎn)生熱量、單體的細胞毒性作用、 可操作時間有限等不足也限制其臨床應用【3 q 。 1 2 4 生物復合材料 沒有一種單一組分能完全滿足理想骨替代材料的要求，鑒于骨組織復雜的組 織結(jié)構及相應的功能，研究和開發(fā)復合材料成為一種方向。復合材料是將兩種或 兩種以上的生物材料相結(jié)合，使復合后的材料具有多種特性，以提高骨組織修復 功能。從結(jié)構組成方面來看，骨組織本身就是由骨基質(zhì)和細胞成分兩大部分構成 的復合物，骨基質(zhì)又由無機礦物質(zhì)與膠原等有機成分組成。因此，為了最大限度 5 江蘇大學碩士學位論文 地恢復骨組織的形態(tài)和功能，可采用復合方法，取長補短、集幾種材料的優(yōu)點于 一體，發(fā)揮更好的修復重建效果l 鯽。復合材料的種類主要包括以下幾種【蛔： ( 1 ) 有機有機復合生物材料 該類復合材料的研究主要集中在可降解高分子材料之間的復合上，包括天然 高分子材料、生物合成聚酯、人工合成聚酯和聚酸酐等。通過對不同組分復合之 后材料的相容性以及結(jié)構和性能的考察，篩選具有最佳綜合性能的復合生物材 料。 ( 2 ) 有機無機復合生物材料 主要用途在于修復和重建人體的硬組織，作為骨修復或骨固定材料，有機 無機復合生物材料結(jié)合了有機組分的韌性和無機組分的剛性，充分利用了無機組 分或部分有機組分的生物活性或降解性能，形成了具有綜合使用性能的骨修復復 合材料，但其工藝復雜，制作困難。 ( 3 ) 金屬無機復合生物材料 用于人體硬組織修復的金屬材料具有優(yōu)良的力學性能，但生物相容性較差。 通過一些物理或化學手段( 等離子噴涂，電化學沉積法等) 在金屬材料表面形成一 層磷酸鈣鹽，能大大改善金屬材料表面的生物相容性，并與周圍的骨組織形成良 好的骨性結(jié)合。與其它兩類復合材料相比，金屬無機復合生物材料是應用研究 最為廣泛和深入的一類。一般來說，具有降解特性或貫通孔洞的復合材料能夠被 人體較好地利用，新生骨組織可以長入到材料內(nèi)部，并與周圍組織形成牢靠的結(jié) 合。 復合材料不僅兼具各組分材料的性質(zhì)，而且可以得到單組分材料不具備的 新性能，特別是生物活性無機材料和金屬鈦基材料所形成的復合材料，模仿了自 然骨的組成和結(jié)構。這種復合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，為獲得結(jié)構和性質(zhì)類似于人體 組織的生物醫(yī)學材料開辟了廣闊的途徑，為人工器官和人工修復材料的開發(fā)與應 用帶來了新的希望f 3 7 1 。鈦及其合金的種植體就是其典型代表。 鈦與鈦合金憑借其較好的生物相容性、耐腐蝕性和綜合力學性能現(xiàn)已被用作 人工骨和口腔種植牙。其發(fā)展大概可分為三個時代【3 8 - 3 9 ，第一個時代以純鈦和 t i 6 a 1 4 v 為代表，第二個時代是以t i s a l 2 s f e 和t i 6 a 1 7 n b 為代表的新型0 【+ d 型 合金，第三個時代則是一個開發(fā)與研制更好生物相容性和更低彈性模量鈦合金的 6 江蘇大學碩士學位論文 時代。 鈦與鈦合金具有出色的生物相容性主要歸功于其表面的t i 0 2 氧化層，t i 0 2 在水等溶劑中的溶解度很低，m 的氧化物與生物分子的反應活性很低，接近化學 惰性。但是，隨著鈦與鈦合金的廣泛應用，許多問題呈現(xiàn)出來【加】，( 1 ) 缺少生物 活性。鈦與鈦合金是一種生物惰性材料，其結(jié)構和性質(zhì)與骨組織相差很大( 見表 1 1 1 ，通常不能象生物活性材料那樣與宿主骨形成化學鍵性結(jié)合即新生骨直接在 種植體表面形成隨后直接長入種植體內(nèi)。( 2 ) 生物力學相容性較差，鈦與鈦合金 與骨組織的彈性模量相差懸殊，植入體內(nèi)后易產(chǎn)生應力集中和骨吸收等不良后 果。( 3 ) 耐磨損性能相對較低。與不銹鋼等其他金屬材料相比，鈦合金的摩擦因 數(shù)大，耐磨性能差，這使得其植入組織后產(chǎn)生大量的、v 等碎屑，從而引起無 菌松動，導致植入失敗。( 4 ) 耐腐蝕性能需要進一步提高。正常條件下，鈦合金 的表面會生成穩(wěn)定牢固的氧化物鈍化膜，但是在人體環(huán)境下，由于體液和外力的 浸蝕，表面膜會被剝離溶解。 為了解決鈦與鈦合金在種植過程中所出現(xiàn)的問題，近年來人們進行了許多探 索。一方面是從材料本體入手，研究開發(fā)具有更佳綜合性能的醫(yī)用鈦合金。二是 從材料的表面入手，采用各種表面處理的方法對鈦與鈦合金進行處理。 表1 1 金屬生物材料的部分力學性能 t a b l e l 1t h ep a r tm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fm e t a lb i o m a t e r i a l s 到目前為止，沒有一種材料能夠完全滿足臨床使用要求，在應用過程中仍然 存在著各種各樣的問題人們逐漸認識到，單一材料很難滿足現(xiàn)代醫(yī)學的需求， 必須綜合各種材料的優(yōu)勢，取長補短，走多種材料組合或復合的發(fā)展道路，制備 出符合臨床需要的材料【4 1 】。根據(jù)目i i 的研究現(xiàn)狀，開發(fā)新型醫(yī)用金屬合金難度 大、周期長、成本高 4 2 - 4 3 相對而言，由于植入物與組織間的相互作用僅在表面幾 個原子層，表面改性處理可以實現(xiàn)上述要求，因此表面改性在生物醫(yī)用器械研究 與開發(fā)中有著較為廣闊的前景。針對醫(yī)用金屬材料的特點，國內(nèi)外學者進行了大 7 江蘇大學碩士學位論文 量的研究i 刪。 1 3 提高鈦及其合金的生物活性的表面改性技術 表面改性主要包括三個方面的內(nèi)容：表面形貌改性、表面化學成分改性和表 面膜層。目前，在金屬基生物醫(yī)用材料中研究較多的膜層技術是在鈦與鈦合金表 面涂覆羥基磷灰石，另外還可以通過涂覆鈦酸鉀、生成多孔鈦和二氧化鈦膜層來 提高鈦與鈦合金的表面生物活性。 近年來，金屬生物材料研究的重點是利用表面改性技術賦予其生物功能性、 提高表面穩(wěn)定性和耐磨性。為獲得更好的生物學性能，通常采用的技術是通過在 材料表面涂覆h a 或其他磷酸鹽生物陶瓷膜層，或進行金屬表面氧化物的活化處 理。鈦基表面生物陶瓷膜層的幾種制備方法介紹如下【4 5 1 。 ( 1 ) 等離子噴涂等離子噴涂是近年來應用和研究較多的一種膜層方法。它 以等離子焰流為熱源，利用等離子槍的等離子流將粉末加熱和加速，在熔融或接 近熔融的狀態(tài)下粉術被噴向基材表面形成膜層。噴涂后一般要進行熱處理以降低 殘余應力，優(yōu)點：噴涂時間短，工藝成熟。缺點：等離子噴涂是線型工藝，用于 多孔或形狀復雜的基底時膜層難以均勻一致；高溫過程( 近萬攝氏度) 易使h a 分 解；高溫冷卻后基材與膜層界面會存在很高的殘余應力；膜層致密度較低( 氣孔 率常大于5 1 ，植入體內(nèi)易被體液滲入基底和界面腐蝕造成膜層剝落；原始材料 要用高純度的h a 粉末，價格昂貴；膜層與基材主要為機械結(jié)合，界面結(jié)合強度 及其穩(wěn)定性令人擔憂。對于羥基磷灰石而言，形成的h a 膜層仍是非晶態(tài)，穩(wěn)定 性差，需后續(xù)熱處理。而熱處理又有可能減損基體與膜層及膜層與骨組織之間的 結(jié)合力，而且，原始材料需用的足高純度的h a 粉末，從經(jīng)濟角度來說較為昂貴。 王迎軍等【懈7 】采用等離子噴涂法制備鈦合金為基材的生物活性梯度膜層，對膜層 與界面顯微結(jié)構進行了研究。從膜層橫截面s e m 可見，梯度噴涂粉料樣品膜層 底部與凹凸不平的金屬基材表面緊密結(jié)合，膜層結(jié)構致密，膜層中各過渡層之間 也沒有明顯界面且結(jié)合緊密，基材與膜層問的界面區(qū)域厚度約為2 9 m 5 岬，厚 薄不均。對該區(qū)域的能譜成分分析表明，界面區(qū)既有膜層中的c a ，p ，z r ，也 有基材中的。 因此，此區(qū)域內(nèi)存在膜層與基材組分的相互擴散和化學反應，產(chǎn)生微區(qū)的冶 金結(jié)合組織，對提高膜層與基材的附著強度具有一定意義。而純h a 粉料樣品膜 8 江蘇大學碩士學位論丈 層與基材的結(jié)合以機械嵌合為主，界面明顯，結(jié)構較疏松，膜層與基材之間有氣 孔存在，而且膜層內(nèi)部開裂嚴重，裂紋分布明顯。造成兩樣品差異的主要原因是 純h a 膜層與基材的熱膨脹系數(shù)相差太大，冷卻時兩者產(chǎn)生明顯的不一致收縮所 致。 ( 2 ) 涂覆一燒結(jié)法該方法將涂料制成漿料涂在金屬基底表面，干燥后在高 溫下熱處理，粉料與基材間通過熱擴散和固相反應形成膜層。優(yōu)點：通過工藝控 制可獲得多孔膜層也可以獲得致密膜層。缺點：高溫會造成h a 的分解，同時由 于金屬基底和陶瓷膜層之間的熱物理性能差異導致膜層內(nèi)部產(chǎn)生熱應力而降低 結(jié)合強度，甚至使膜層產(chǎn)生微裂紋和剝落。劉金強等【鈣】通過球磨混合h a 和面 粉末、冷壓成形及真空燒結(jié)，制得不同配比的h a 和的復合材料。試驗發(fā)現(xiàn) h a 與之間雖有一定程度的晶格失配，但仍有良好的界面結(jié)合。h a 與的界 面有平緩的過渡區(qū)域，表明h a 與之間有原子間的互擴散，并且互擴散程度 隨燒結(jié)溫度而提高。因此可以實現(xiàn)h a 與鈦基材界面問的原子結(jié)合。 ( 3 ) 溶膠一凝膠法在鈦酸酯( 鈦酸甲酯、鈦酸乙酯或鈦酸t(yī) 酯) f l q 醇溶液中加入 少量水，酯水解并聚合形成膠體。將膜層配料制成溶膠，均勻覆蓋在基底表面， 由于溶劑迅速揮發(fā)，配料發(fā)生縮聚反應膠化，再經(jīng)干燥和熱處理獲得膜層。優(yōu)點： 通過改變熱處理溫度、保溫時間以及膜層溶液中的有機添加劑可以很容易改變膜 層中的結(jié)晶度、相種類、孔隙大小等，也易得到納米晶膜層。缺點：界面結(jié)合強 度較低。 ( 4 ) 仿生溶液生長法該方法基于異相形核原理，將金屬基材預處理形成活性 金屬氧化物表層后浸入模擬體液中，在仿生物環(huán)境下金屬表面上自發(fā)生長出h a 膜層，膜層具有柱狀組織，與人體骨組織相似，生物活性較好。1 9 9 0 年k o k u b o 首次報道了能在生物活性玻璃表面促進磷灰石形成的類似于人體血漿的模擬體 液f ( s i m u l a t e db o d yf l u i ds b f ) 4 9 1 。近年來用這種模擬體液對各種生物材料進行體 外生物性能研究，結(jié)果表明其體外模擬結(jié)果與體內(nèi)結(jié)果具有很好的吻合性，因此 被廣泛應用于研究生物材料的生物活性。項艷凡等人【5 0 】采用該法對商用純鈦進 行表面處理，經(jīng)過處理的樣品表面形成一層薄的鈣磷膜層，s e m 和e d s 分析表 明，膜層晶體構型均一，x r d 和f t i r 分析晶體組成主要為碳酸羥基磷灰石。采 用成骨細胞體外培養(yǎng)方法，探討仿生礦化膜層對于細胞初期附著、增殖的影響。 9 江蘇大學碩士學位論文 認為鈣磷膜層可以提高成骨細胞的初期附著率，而對于細胞的增殖行為影響不 大。而仿生法得到的膜層比其它方法具有更高的骨結(jié)合能力，不受基材形狀限制， 可控制微觀結(jié)構，可以和生物活性分子同時沉積，工藝簡單。但金屬表面預處理 方法、浸泡介質(zhì)以及膜層與金屬的結(jié)合強度需要進一步研究。 ( 5 ) 微弧氧化( m i c r o a r co x i d a t i o nm a o ) 法微弧氧化技術作為一種新興的表 面處理技術，正日益受到人們的重視。其能生成陶瓷膜的特點決定了它在軍工、 航空、航天、機械、紡織、汽車、醫(yī)療，電子、裝飾等許多領域中有著廣泛的應 用前景，見表1 2 。可根據(jù)不同的需要，制備防蝕、防腐、耐磨、裝飾、電防護、 光學、其它功能性等膜層。 表1 - 2 微弧氧化陶瓷層的應用領域1 5 1 1 t a b l e1 - 2t h ea p p l i e df i e l do fm i c r o - a r ko x i d a t i o nc e r a m i cc o a t i n g 應用領域應用實例所用性能 航天、航空、機械、汽車軸、氣動原件、密封環(huán)耐磨性 石油、化工、造船、醫(yī)療管道、閥門、人工關節(jié)耐磨性、耐蝕性 紡織機械紡杯、壓掌、滾筒耐磨性 電器電容器線圈絕緣性 兵器、汽車貯藥倉、噴嘴耐熱性 建材、r 用品 裝飾材料、電慰斗耐磨、耐蝕、色彩 微弧氧化又稱微等離子體氧化或陽極火花沉積，是一種比較新穎的電化學工 藝，關于這一方法最先報道出現(xiàn)在2 0 世紀4 0 年代【5 2 1 ，7 0 年代研究發(fā)展較快。 微弧氧化是將金屬或其合金放在電解質(zhì)溶液中，利用電化學方法在材料表面產(chǎn)生 火花放電斑點，在熱化學、等離子化學和電化學的共同作用下引起陽極上微等離 子體擊穿，直接在金屬表面原位生成氧化物陶瓷膜層的技術【5 3 硼。它由陽極氧化 發(fā)展而來，但施加了幾百伏的高電壓，突破了陽極氧化對電壓的限制。擊穿時在 陽極上可以看到大量不同強度的火花。擊穿區(qū)( 在電解質(zhì)水溶液中) 的局部溫度可 達幾千度，而電弧的顯微容積內(nèi)的壓力可達到1 0 0 m p a 。除此之外，還有局部高 電場強度。因此，不僅電極的化學元素而且電解質(zhì)的成分都可以參與在陽極表面 的成膜反應。通過改變工藝條件和電解液中組成元素可以調(diào)整膜層的微觀結(jié)構和 形貌，實現(xiàn)膜的功能設計。該法工藝簡單、可以處理形狀各異的零件，最先應用 在鋁表面生成氧化陶瓷膜。國外已經(jīng)有l(wèi) e es u h e e 5 踟，l i a n gb o j i a n l 5 9 1 ， s u l y o u n g t a e g 6 0 1 ，l i t 6 1 】等人開始將該技術用于醫(yī)用鈦與鈦合金的表面改性，改善 鈦合金的生物相容性。國內(nèi)也有單位開始用于醫(yī)用鈦與鈦合金改性，如西安交通 1 0 江蘇大學碩士學位論文 大學1 6 2 - 6 4 1 、第四軍醫(yī)大學廠腔醫(yī)學院1 6 5 - 6 6 1 、哈爾濱工業(yè)大學1 6 7 側(cè)等。在含磷酸 根和鈣離子的電解液中對鈦與鈦合金表面進行微弧氧化處理，可以獲得多孔且富 含鈣、磷的二氧化鈦膜層，可望有效提高生物相容性和骨誘導性。 在對鈦與鈦合會進行微弧氧化時，主要控制電壓、電流、占空比、反應時間、 頻率、材料以及電解液配方等參數(shù)，改變材料表面 r i 0 2 膜層以及膜層的組成、 結(jié)構、形貌、力學性能及生物功能。王亞明等人【7 0 】得出的不同占空比對面膜層 有很大影響，在常壓方式下隨著占空比的增大，膜層的生長率增加且變得粗糙， 同時n 0 2 膜層的主晶相會由銳鈦礦型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型，這與電壓的升高時其 晶相的變化趨勢是一致的。薛文斌1 7 1 7 2 】等人通過對微弧氧化膜層的顯微硬度和彈 性模量進行分析，發(fā)現(xiàn)不同深度金紅石t i 0 2 和t t a l 0 2 相的相對含量決定了硬度 和彈性模量的變化。周慧【7 3 】對鈦合金進行微弧氧化后發(fā)現(xiàn)鈦的抗高溫氧化性能 顯著提高。 微弧氧化工藝雖然是表面處理中一種比較理想的方法，但是仍然存在不少問 題：( 1 ) 鈦合金表面微弧氧化后形成t i 0 2 氧化膜層，其生物活性還有待提高；( 2 ) 膜層鈦材結(jié)合強度與微弧氧化工藝參數(shù)的關系還不太清楚，還有待深入研究； ( 3 ) 氧化膜層厚度與生物活性及膜層鈦材結(jié)合強度的關系還有待探討；( 4 ) 膜層為 多孔狀態(tài)，其摩擦磨損特性還有待進一步研究；( 5 ) 膜層晶型結(jié)構( 金紅石型和銳 鈦礦型、對生物活性的影響規(guī)律尚有爭議等。 1 4 本課題研究的內(nèi)容和意義 鈦合金在醫(yī)用材料上具有很重要的地位，尤其是作為表面改性使用的醫(yī)用金 屬材料，目前還是以鈦和鈦合金為主。盡管人們采用了各種各樣的方法對鈦合金 進行了表面處理，但還是存在諸如鈦表面的羥基磷灰石結(jié)合強度不夠，骨細胞的 附著生長條件有待提高等問題。鈦合金表面的生物活化膜的制備工藝仍需要進一 步的完善，其中包括已經(jīng)投入臨床應用的等離子噴涂法制備的鈦基h a 膜層牙種 植體和骨科材料等。因此，尋求新的表面改性和涂覆方法以制備更加理想的種植 體仍然是一個迫切需要解決的課題。 微弧氧化技術是新近發(fā)展起來的一種表面改性新技術，特別適用于鈦、鋁、 鎂等金屬的表面改性處理。其氧化產(chǎn)物是一種多孔的、與基質(zhì)結(jié)合牢固的、具有 陶瓷特性的氧化物，這層氧化物與材料基質(zhì)本身相比，其耐磨、耐蝕、電絕緣等 江蘇大學碩士學位論文 性能得到明顯的改善。 本文的主要研究內(nèi)容如下： 1 研究微弧氧化工藝參數(shù)對鈦表面生物氧化膜層組織、成分和性能的影響，探討 氧化膜層形成機制，測試鈦基膜層復合材料與基體的力學性能。 2 研究水熱合成處理工藝參數(shù)對t i 6 a 1 4 v 微弧氧化膜層誘發(fā)生成羥基磷灰石的影 響 3 通過模擬