硅灰石涂层人体应用前景分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 硅灰石涂层人体应用前景分析 生物医学材料指的是一类具有特 殊性能、特种功能，用于人工器官、外 科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患， 而对人体组织不会产生不良影响的材料。 现在各种合成和天然高分子材料、金属 和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种 复合材料，其制成产品已经被广泛地应 用于临床和科研。迄今为止，被详细研 究过的生物材料已有 1000 多种，医学 临床上广泛使用的也有几十种，涉及到 材料学的各个领域。目前生物医学材料 研究的重点是在保证安全性的前提下寻 找组织相容性更好、耐腐蚀、持久性更 好的多用途生物医学材料。 中国论文网 /8/view-12936622.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 人体骨中的主要无机成分是 M10（R04 ） 6（OH ）2，其中 M 主要 为钙（Ca） ，R 主要为磷（P） ，其晶体 结构完整，为细长针状结构。目前，在 临床上应用最多的是羟基磷灰石 （HA）喷涂的人工假体。受到材料本 身及制作工艺的限制，HA 涂层在实际 使用中存在一些缺点，如由于 HA 与机 体的热膨胀系数不匹配，造成涂层与机 体之间的结合较差，容易产生剥落；另 外，HA 粉末未经等离子体高温熔化后， 在涂层内会产生许多非晶体及亚稳定相， 这些相在体内黄精中容易降解，从而引 起假体松动、失效。许多研究都在尝试 寻找新的骨替代材料。 硅灰石是一种辉石类矿物，被广 泛应用于传统陶瓷工业。硅灰石陶瓷的 生物活性还很少有报道。另外，硅灰石 陶瓷的机械性能较差，达不到临床使用 的要求。所以，我们用等离子喷涂的方 法在钛合金机体上制备了硅灰石涂层， 这样既保持了硅灰石良好的生物活性， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 又具备了钛合金的优良机械性能。在体 外模拟体液试验中显示硅灰石涂层具有 良好的生物活性，能诱导类骨灰石在其 表面沉积。细胞实验的结果也表明硅灰 石涂层具有良好的细胞相容性，能促进 成骨细胞的吸附、繁殖以及分化。 本实验用等离子喷涂的方法制备 了一种新型硅灰石生物性陶瓷涂层。涂 层植入到骨骼后，发现硅灰石能在涂层 表面沉积，表明硅灰石涂层具有良好的 生物活性。植入到股骨后，骨组织能够 在涂层表面延伸生长，涂层直接与骨组 织紧密接触，没有明显的排异反应及纤 维组织出现，显示了涂层良好的生物相 容性和骨传导性。涂层还具有良好的骨 诱导性能，在植入到骨髓腔内后，能诱 导新骨在其表面形成。游锾迥谥踩胧 笛榈慕峁表明硅灰石涂层具有良好的 生物活性和骨性能，有望成为一种新型 的骨替代材料。 1 喷涂方法的介绍 喷镀法是采用燃烧能或电能将喷 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 镀材料（粉末或颗粒）熔化或雾化，造 成熔融态或半熔融态的粒子流，并高速 喷射到底材上而堆积成涂层的方法。其 中等离子喷镀（等离子喷涂）法是近年 来开发和应用较广的一种方法。用该种 方法制备硅灰石涂层的技术文献中多有 报导，这种方法的工艺过程是利用直流 电弧放电，把经高温加热的氢气、氮气 等部分电离成离子状态，再以高速喷出 而得到等离子射流。喷镀材料（硅灰石 粉）则以气体为载体，吸入等离子射流 中，经高温熔融或半焙融后高速冲撞在 底材表面上而形成陶瓷涂层。 热喷涂涂层是由燃烧火焰或等离 子热源将某种材料加热至熔化或热塑性 状态，形成一簇高速的熔态粒子流（熔 滴流） ，熔滴依次撞击基体或已形成的 涂层表面，经过粒子的横向流动扁平化、 急速凝固冷却、不断堆积起来而形成的。 熔融粒子在与沉积表面接触撞击直至凝 固时的冷却速度较高，陶瓷粒子为 104106oC/s ，金属粒子为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 106108oC/s ，甚至更高。而前一颗熔 滴撞击到沉积表面形成涂层与后一颗熔 滴撞击它的表面区域相隔大约 0.1 s，因 此，足以使前一熔滴在后一颗熔滴到来 前变形凝固并得到充分冷却。所以可以 认为每个喷涂粒子的行为都是独立的。 这样涂层由一个个熔滴经过撞击扁平 变形冷却凝固堆积而成，熔滴之间相 互独立。 2 股骨硅灰石涂层在压力下的作 用研究 200N 的力被用作轴向的载荷， 这个巨大的力可以满足移植复原后的咀 嚼条件。因为所有 FE 模型的部分在压 力条件下有很小的拉紧，模型所采用的 材料可以认为是具有线性，弹性和等方 性的。材料的机械性能经过网格化，每 个模型的硅灰石涂层有 1700000 个元素 和 5 个层。von Mises 应力分布的骨被 移植 80 微米厚度的硅灰石涂层。骨应 力集中发生在皮质骨的高弹性模量高于 松质骨。骨的最大应力（MBS）14.30 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 兆帕附近出现股骨的顶端。这些结果与 临床现象，可以解释分布在骨和骨顶端 方向上的不对称。无论是骨量和宽度在 语言方面是小于颊侧，当加载增加，植 入将倾斜的顶端。因此，在顶端附近的 颈部被这种倾斜压平，然后压力集中出 现在这个位置。压力在多孔骨的最低水 平的范围从 0.04 到 4.98MPa。在其他情 况下，分布在模型中的骨的应力不会因 为厚度的变化而变化，而且产生最大作 用力的位置也是相同的。 MBS 将随着硅灰石涂层厚度的 增加而减少。如非涂层种植体的硅灰石 涂层的厚度为零，MBS16.80 MPA 是明 显高于同等情况下的硅灰石涂层移植体。 对于 60 mm 硅灰石涂层移植体， MBS14.96MPA 比非涂移植体低 13.10 %。 这表明，硅灰石涂层表面的股骨移植体 可以较好的减少骨的应力集中，而且将 提高植入的稳定性。 硅灰石涂层厚度 增加 60 至 120 微米，下降趋势的曲线 变得平滑。这种现象可以解释为厚度的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 这个范围内是如此薄的影响应力分布骨 变形引起的涂料 200 N 负荷下是不明显 的。然而，当变形的作用变得引人注目 时，硅灰石涂层的厚度范围为 120-160 微米，骨的最大压力在这一范围迅速从 13.91 下降到 12.60 MPa，骨的应力集中 进一步减少。 不同厚度的涂层模型在 200N 载 荷下压应力的路径。伴随着涂层厚度的 增加，骨移植的涂层在压应力的下变得 弱了。细胞剪切力足够激活骨细胞，并 导致新骨形成。当适当的压应力作用于 骨组织，在那个位置的拉力导致流体流 动跳过枢纽处，然后剪切行为发生在邻 近骨细胞和成骨细胞有利于骨骼生长。 结果显示表明，梯度分布压力较强的薄 硅灰石涂料更有利于骨的再生。 考虑到影响的残余应力对硅灰石 涂层强度的影响，增加涂层厚度将使硅 灰石涂层强度有所下降。当涂层厚度大 于 150 微米，通过本涂层技术，硅灰石 涂层还不适合到临床应用。因此，最好 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 是选择厚度的硅灰石涂层的移植体是在 范围 60-120 微米。比较非涂层移植体， 一定范围厚度的涂层不仅有足够的强度 和减少应力的集中，而且还有利于骨骼 的再生和移植的稳定性。 3 结论与总结 硅灰石涂层在体液中具有生物活 性、生物相容性和良好的骨传导特性， 与生物材料中常用的钛合金基体的结合 强度比 HA 涂层的结合强度提高近一倍。 但是生物涂层在力学性能上的缺陷使其 应用受到了一定的限制。研究指出涂层 较薄弱的力学性能是与涂层结构、残余 应力和裂纹扩展等有关。结论如下： （1）通过机械研磨结合烧结工 艺后制备了硅灰石粉末。分析表明制得 的粉末，可以满足喷涂送粉的要求。同 时从颗粒的微观结构分析可见。 （2）在对硅灰石涂层进行力学 性能研究时，这个软件（Solid Works and COSMOS）的当前版本无法用于这 项研究中的髋骨骼移植。需要更先进的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 软件，利用 CT 扫描中的到的