（材料学专业论文）柠檬酸盐对钛表面电化学沉积纳米羟基磷灰石涂层的影响.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 为了提高在钛表面电化学法制备羟基磷灰石( h a ) 涂层的结合强度和均匀 性，本文参考在电镀过程中加入修饰剂提高镀层质量的方法，向电解液中加入柠 檬酸盐作为修饰剂以期获得质量优良的h a 涂层，并对此对做出理论分析并指导 实际生产。 电沉积h a 涂层主要涉及两个相继的反应：一是阴极析氢；二是析氢导致钛 电极附近p h 升高，继而使溶液中钙磷离子达到过饱和而在阴极析出。本文就以 柠檬酸根对此两步反应的影响为突破口。首先，侧重理论分析了柠檬酸根在钛电 极表面吸附后对阴极析氢的影响：发现加入柠檬酸根后阴极析氢速率减小，生成 的氢气泡体积小且在阴极表面分布均匀，有助于沉积电流均匀分布且减少气泡对 涂层的冲刷。在第二步反应中，本文用分光光度计法测试涂层的重量变化，用 s e m 观察微观形貌发展，用电化学工作站记录电流曲线，并综合以上信息首次 对含柠檬酸根涂层的沉积过程做出阶段性划分：吸附期、孕育期、爆发生长期、 次层生长期和平衡期。对各阶段的晶体形貌变化和微观反应机理做出化学和热力 学解释，并建立沉积模型。 最后对沉积所得涂层进行物理和生物学性能表征( 结合力，接触角，粗糙度， 碱性磷酸酶活性) 。结果表明加入柠檬酸根后所得涂层结合力，平滑度，生物相 容性都有提高，证实电解液中加入柠檬酸盐能显著对提高h a 涂层的综合性能。 【关键词】羟基磷灰石，柠檬酸盐，电化学沉积，涂层，沉积过程，结合力，接 触角，粗糙度，碱性磷酸酶测试 l l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n s p i r e db ya d d i n gm o d i f i e r si n t oe l e c t r o l y t ei np l a t i n gp r o c e s st oi m p r o v et h e q u a l i t yo ft h ec o a t i n g ，w ec o n d u c t e dt h ei n v e s t i g a t i o no nt h ee f f e c to fc i t r a t e i nt h e e l e c t r o l y t eo nt h ee l e c t r o l y t i cd e p o s i t i o no fh a o nt h et i t a n i u ms u b s t r a t ei nah o p et o i m p r o v e t h e u n i f o r m i t y a n da d h e s i o n s t r e n g t h o f e l e c t r o l y t i c a l l yd e p o s i t e d h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) c o a t i n go nt is u r f a c e g e n e r a l l y ，e l e c t r o l y t i cd e p o s i t i o no fh ai n v o l v e st w os u c c e s s i v er e a c t i o n s ：f i r s t r e a c t i o ni sh y d r o g e ne v o l u t i o no nc a t h o d i cs u r f a c e ；s e c o n do n ei ss u p e r s a t u r a t i o no f c a l c i u ma n dp h o s p h a t ei o n sa n dp r e c i p i t a t i o no nt is u r f a c eb e c a u s eo ft h ep hi n c r e a s e n e a rt h et ic a t h o d e a n a l y s i so nt h ee f f e c to fc i t r a t eo nt h i st w os t e p si st h ek e yt o u n d e r s t a n dt h ew h o l ep r o c e s s i nt h ep r e s e n ts t u d y ，w ef o c u s e df i r s t l yo nt h e o r e t i c a l a n a l y s i so ft h ec i t r a t ea d s o r b e do nt ie l e c t r o d es u r f a c ea n di t se f f e c to nt h eh y d r o g e n e v o l u t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r o g e ne v o l u t i o nr a t ed e c r e a s e d a n dt h es i z eo ft h eh y d r o g e nb u b b l e sd e c r e a s e da n dd i s t r i b u t e de v e n l yo nt h et i s u r f a c e t h i sm a yh e l pd e p o s i t i o nc u r r e n tu n i f o r m l yd i s t r i b u t e da n dr e d u c et h eb u b b l e e r o s i o no nc o a t i n gs u r f a c e s e c o n d l y ，w eu s es p e c t r o p h o t o m e t e rt ot e s tt h ec o a t i n g w e i g h ti n c r e m e n t ，s e mt oo b s e r v et h ec r y s t a lm o r p h o l o g yc h a n g e s ，e l e c t r o c h e m i c a l w o r k s t a t i o nt or e c o r dt h ed e p o s i t i o nc u r r e n t b a s e do nt h ea b o v ei n f o r m a t i o nw e d i v i d e dt h ew h o l ed e p o s i t i o np r o c e s si n t o5p h a s e s ：a b s o r p t i o np e r i o d ，i n c u b a t i o n p e r i o d ，e r u p t i v eg r o w t hp e r i o d ，e x t r al a y e rg r o w t hp e r i o da n d b a l a n c e dg r o w t hp e r i o d w em a d em i c r o m e c h a n i s ma n dt h e r m o d y n a m i ce x p l a n a t i o n sf o re v e r yp e r i o da n d h y p o t h e s i z e dag r o w t hm o d e lo fh ac r y s t a l f i n a l l y ，t h ep h y s i c a la n db i o l o g i c a lc h a r a c t e r i z a t i o n ( i n c l u d i n ga d h e s i o ns t r e n g t h ， c o n t a c ta n g l e ，r o u g h n e s sa n db i o l o g i c a la c t i v i t y ) o ft h ec o a t i n gw a sc a r r i e do u t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea d h e s i o ns t r e n g t h , s m o o t h n e s sa n db i o c o m p a t i b i l i t yw e r e i m p r o v e db yt h ea d d i t i o no fc i t r a t e k e yw o r d s h y d r o x y a p a t i t e ，c i t r a t e ，e l e c t r o c h e m i s t r y ，c o a t i n g s ，d e p o s i t i o n p r o c e s s e s ，a d h e s i o ns t r e n g t h ，c o n t a c ta n g l e ，r o u g h n e s s ，a l pt e s t 1 1 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：獭惫 签字目期： 乙乃年弓月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江叁鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 砀谚毳 签字日期：劢p 年罗月 ， ：缈吁 签字日期：加口年罗月，f 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本文是在导师王小祥教授的悉心指导下完成的，王老师严谨求是的科研态度， 细致敏锐的观察能力，耐心和气的处事风格，诚实踏实的品格等优秀的的品行都 在言传身教中深深影响着我。王老师既是我本科阶段又是研究生阶段的导师，在 我人生发展道路上最关键的几年给予了我帮助和指导，回首这七年的学校生活， 充满了对王老师的感激之情。在此谨向导师致以最诚挚的谢意! 在研究生学习阶段，有缘结识了实验室的同门，他们也给予我极大帮助，师 兄谢雷、林东洋、江勇给了我诸多指导，侯猛、江源胜、李登虎、焦明洁、张小 娟、鄢晓辉、杜乐一经常和我一起讨论问题，给予我很多思维的启迪，让我感觉 到实验室大家庭的温暖。寝室中共度三年的肖俊峰，伍建中同学也在生活的点点 滴滴中给我诸多帮助。这些都是珍藏在心底的珍贵的记忆，真心感激这些给我关 爱和帮助的诸多同学们。 最后，感谢我的父母兄弟，是您们一如既往的支持与理解让我的生活充满阳 光与亲情。我一定要追求上进，做一个有益于社会的人，不辜负您们的厚望。 杨成鑫 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 生物医用材料发展现状和趋势 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l ) 是用于对生物体进行诊断、治疗、修复 或替换其病变器官、组织或增进其功能的新型高技术材料【l 】。可以是人造的、天 然的，也可以是两者的结合【2 1 。它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材 料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物医用材料 己成为各国科学家竟相进行研究和开发的热点。 生物医用材料的持续升温有着强大社会需求的推动。随着社会经济发展和生 活水平日益提高，人口老龄化和青年创伤的增加，人类对自身的医疗康复事业日 益重视，对生物医用材料的需求增长强劲。因此，发展用于人体组织和器官再生 与修复的生物材料具有重大社会效益。同时，生物医用材料有着巨大的经济价值： 从市场容量来看，对世界6 0 多亿人口的巨大市场，具有巨大的潜在经济效益； 从产品附加值来看，生物医用材料是技术密集型产业，价格昂贵，附加值高。因 此生物医用材料及制品产业发展势头强劲，近十年世界经济衰退的阴影也未能影 响医用材料市场，平均每年仍以2 0 的速度稳步增长，至2 0 0 7 年，国际生物材 料产业的产值已超过1 5 0 0 亿美元( 图1 1 ) 。根据o e c d 统计，至2 0 1 0 年全球 生物材料产业的市场将超过4 0 0 0 亿美元销售额1 3 】。依此发展态势来看，在不久 的将来，医用材料产业定可与二十世纪五六十年代的汽车工业，七八十年代的半 导体工业相比拟，在世界经济中起到主导作用。 图1 1 医疗器械市场销售额 浙江大学硕二l 二学位论文 第一章绪论 巨大的市场容量，丰厚的利润，推动着各国此领域竞相角逐，也为各国的产 业结构调整提供了一个机遇。生物医用材料行业是一个技术主导型产业，是医学， 生物，材料等学科的交叉领域，没有大量的科技投入是很难有突破的。目前，各 国研究机构在此领域都有大量投入，在医用材料舞台竞相追逐，抢占未来的科技 制高点。目前，美国、西欧、澳大利亚、日本等国组建了十余个高级多学科交叉 的国家级生物材料与工程中心，会集了一批从事材料、医学、微电子等领域的专 业人员。大量人力物力的投入使此学科有长足的发展，每年发表的文章数量和申 请专利数量均居各学科前列【4 1 。从我国目前情况来看，已建立与生物材料相关的 国家重点实验室及研究中心主要有：四川大学国家生物医学材料工程技术研究中 心、华东理工大学教育部医用生物材料工程研究中心、北京生物芯片国家研究中 心、武汉理工大学生物医用材料与工程研究中心、西北有色金属研究院生物材料 中心等。我国的研究水平从现阶段来看处在生物医用材料研究的第一梯队，与其 他发达国家差距不大。希望我国能抓住这个历史发展契机，在这个有巨大潜力的 新兴领域有长足发展。 生物医用材料按组成可分为医用金属材料，生物陶瓷材料和生物高分子材料 三大类： 1 1 1 医用金属材料 生物医用金属材料顾名思义是指金属或合金制成的医用材料。是一类生物 惰陛( b i o i n e r t ) 材料，在人体中不被吸收，没有生物活性，但具有高机械强度、 抗疲劳性能和优良的抗生理腐蚀性能，是现阶段是临床应用最广泛的承力植入材 料。 不锈钢是最早应用于临床的医用金属材料，最常用的为3 1 6 l 型不锈钢。其 优点是价格相对低廉，加工性能好。缺点是不锈钢中n i 、c r 等元素具有毒性， 长时间植入后会从不锈钢中溶出，对人体造成伤害。另外由于不锈钢具有磁性， 植入人体后会影响核磁共振的检查1 5 1 继不锈钢之后，出现了c o 基合金，最常见的为c o c r ，c o c r - m o 合金。与 不锈钢相比钴基合金有更好的耐腐蚀、耐磨性能和更好的加工性能，且铸造性能 更优异，曾大量用做人工关节材料6 1 但有研究表明，钴铬合金对成骨细胞有一 定的毒性作用【7 1 。另外由于钴的密度大，弹性模量与人骨相差较大，植入人体会 2 浙江大学顿l # 位论文第一章绪论 产生较严重的应力遮蔽，目前在临床的使用量呈减小趋势。 钛金属近年来在医学领域的应用逐淅普遍，被认为是生物相容性最好的金属 钛有低的密度与弹性模量，优秀的耐腐蚀性能。作为骨植入材料，钛还有一个优 点是没有磁性，这为钛植入人体后续检查提供了很大便利。钛合金制成的常用医 用器械有连接器械以及人工关节：如钛台金矫形固定钉、人工髋关节等。囤12 即 为美国强生d e p u y 公司生产的人工髋关节以及关节植入后的x 光照片。 图i2 d e p u y 公司生产的t i 合金髋关节与植入后x 光照片 1 12 无机生物材料 医学上广泛研究和应用各种无机生物材料，还是近二十年的事。它与生物体 组织有良好的生物相容性、没有毒副作用，且有优电的耐腐蚀性能。尤其是具有 优良生物活性的磷酸钙系更是无机生物材料研究的热点。 根据生物陶瓷材料与人体组织之间的反应情况，可将它们分为生物惰性和生 物活性两大类【8 搠。 生物惰性陶瓷是指化学性能稳定，不被人体组织降解吸收的陶瓷材料i 。 其化学键鞍强，具有较高的机械强度和耐磨损性能，在人工关节，人工骨和人工 齿根有较广泛应用1 。这类材料在植入人体后具有酎腐蚀、耐磨损不变质、 不降解的特点，可在体内长期使用。但缺点是由于此类材料没有生物活性，植入 生物体内后，容易使机体产生排异现象。结果导致在种植体表面生成一定厚度的 纤维组织。这层纤维膜具有一定硬度，与种植体之问不是紧密的机械结合，因而 会产生微小的滑动，尤其是在肌体运动的时候，滑动非常地频繁。这种微小反复 的滑动会引起种植体的磨损，会有微小磨粒产生，容易在机体引起炎症，造成种 植失败。多晶氧化铝、单晶氧化铝、氧化锆、热解碳是目前研究的主要生物惰性 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 陶瓷材料。 生物活性陶瓷是指能与骨组织发生活性结合，可以被生物体组织降解吸收的 无极材料。它们的特征是材料含有人体正常新陈代谢所需要的元素，如钙磷等。 此类材料能与肌体组织之间形成稳定化学键合，从断面照片看不出种植体和生物 肌体的过渡，之间形成紧密的化学结合层，这种结合层能够保护种植体在体液中 不被腐蚀，提高种植体的使用寿命。目前研究的生物活性陶瓷有磷酸钙基骨水泥 1 2 1 、生物玻璃 8 , 1 3 1 、可降解生物陶瓷【1 4 , 1 5 及羟基磷灰石生物活性陶瓷等，其中羟 基磷灰石被认为是这一类物质中最有研究价值和应用前景的无机材料。 1 1 3 医用高分子材料 生物体内组织多为高分子材料，采用人工合成的方法，制造出与人体组织相 协调一致的高分子生物材料是研究最活跃的领域，但仍处于经验和半经验阶段， 多数品种仍停留在实验室阶段。 目前世界各国已成功地研制出的医用高分子制品有：人工心脏瓣膜、人工皮 肤、人工肺、人工肾、人工血管、人造血液等。专家认为在不久的将来，除人脑 之外，人体所有器官都可以用人造器官代替。这为高分子材料的发展拓出了巨大 想象空间。医用高分子材料相比于前两类材料更为特殊，它主要针对人体软组织 的修复，对生物相容性有更大的要求，并且很多情况下要参与生理反应，这就对 其化学稳定性、毒性、耐老化抗疲劳性能有更高的要求标准【1 6 】。由于高分子材 料多数用于软组织修复，这样与血液的接触机会较多，其中一个较难解决的问题 就是医用高分子材料的抗血凝性。当血液接触到植入人体内的高分子材料时，会 产生排斥反应，并在其表面形成血凝，造成血管拥堵，血栓等危险。还有一个问 题是医用高分子的降解吸收问题，医用缝线、高分子药物、组织粘合剂等要求在 其发挥了效用以后，能较快被机体组织分解吸收或迅速排出体外。随着各国科学 家对这两个问题研究的深入，相信在不久的将来，高分子医用高分子材料在软组 织修复和器官手术中将占据主导地位。 上述医用材料的分类随着医用材料的发展，这三大类材料之间的界限也渐渐 消融。金属无机复合材料，无机高分子复合材料，纳米医用材料等方面的研究 捷报频传。细观国际生物材料发展趋势，主要体现在以下几个大方面：纳米生 物材料：因为生物体如骨骼、牙齿、肌腱等都发现有纳米结构存在，为了使人造 4 浙江大学硕士学位论文第章绪论 材料在性能上与天然材料更相似，那么就需要有相类似的结构。纳米材料制备与 性质研究为此奠定了一定基础，可继续拓展其在医学诊断与治疗，生物技术等方 面的应用，如人工合成的纳米级类骨磷灰石晶体就是一个很好的应用实例。纳米 生物材料很可能成为下阶段生物材料研究的的核心。复合生物活性材料：学者 l h e n c h 最早提出“生物活性”的核心概念，指生物医用材料有与活体组织形成 化学键合的特性【1 7 l ，即在生物相容性方面的改进。药物控释材料：为了使药 物精确持久释放，将药物放在缓释高分子载体上，如聚乳酸及其共聚物、聚氨酯 等，可大幅提高药效并减少副作用。组织工程材料：一个快速发展的新方向， 其核心是应用生物学和工程学的原理和方法来发展具有生物活性的人工替代物， 用以维持、恢复或提高人体组织的功能。如软骨、肌腱、胰腺、肝脏等组织已再 造成功 3 1 。 1 2 硬组织修复材料 1 2 1 天然骨的结构与成分 骨组织是坚硬而有韧性的结缔组织，主要功能包括：1 ) 支持并保持身体构 架；2 ) 保护组织器官，使之免受机械冲击带来的损伤；3 ) 容纳和保护红骨髓， 是新鲜血液的“加工厂”；4 ) 无机离子的“储存仓库”，成熟骨中有大量钙磷 钠镁等离子，这些无机离子对于维持细胞和体液的离子浓度，保持体内正常渗透 压有重要意义。 天然骨组织从成分上看是一种无机有机复合材料，从结构上看有复杂的分 级结构1 引。宏观看来骨分为密质( c o m p a c tb o n e ) 和松质( s p o n g yb o n e ) 。骨密 质密度大，耐压性大，分布在骨的表面。骨松质呈海绵状，由相互交织的骨小梁 ( t r a b e c u l a e ) 排列而成，排布在骨内部。图1 3 是骨结构示意图，可观察到骨组 织是有多重有机无机材料复合而成。微观来看是由纳米级结构单元通过多级组 装而成的复合材料。纳米级的胶原分子通过自组装形成的胶原纤维，矿物晶体 ( h a ) 在胶原纤维表面生长，并在纤维表面包覆。然后多个矿化的胶原纤维组 装成为纤维束，这些纤维束通过一定的排列方式组成骨单元，进而形成骨组织 0 9 , 2 0 1 。 浙江大学顿十学位论i 第一章绪论 c “p a c tb & s p a o q y ( c a a c q i i o l i gb n e j 田l3 骨结构示意图 圜鋈 l e v e l7 w h o ：eb o l z e l e w i6 ：$ p o a g yv 5c o m p a c tb o n el e v e l5c v l t u d d c a l m o t i f so s f e o a s 瓣j 秘 笺蠢z l e v e l4f i b r i la r m yp a a 咖si t v e l3f i b r ：la r r c yl e v e l2m h ：, e m l i z ：dc o l l a g e n f i b r i l 图1 4 骨的分级结构 图1 4 展示出骨的分级结构，骨的微观复合结构( 1 u m ) 以下主要由h a 和 胶原纤维组成。在骨骼中的h a 通常呈薄片状，厚度很小，只有几个品胞，尺度 为纳米尺度，h a 的c 轴沿胶原方向排列。胶原纤维的厚度为8 0 1 0 0 纳米，长 度为几到几十个微米。在胶原纤维中，相互靠近的胶原纤维中的板状晶体能相互 晰 学哑学位论女 第一章绪论 连接，板状晶体呈平行排列。在板层中h a 晶体c 轴与肢原纤维长轴平行，而在 有的扳层复合结构中h a 晶体c 轴与肢原纤维呈一定角度川。这种有机无机材料 的复合，大大加强了骨的承重能力和柔韧性。 骨中的无机成分以h a 为主，呈弱结晶状态。这种h a 是非化学计量比的， 钙磷在l5 16 7 之间，含有碳酸根，氟离子和少量钠镁离子。骨磷灰石晶体具有 六角晶体学对称结构，类似长板状，c 轴在长板顶面，而长边侧面是( 1 0 0 ) 面。 但通常6 个( 1 0 0 ) 面被认为是压缩对等的状态，所以h a 最终呈现出的形态是 针状或短棒状2 ”这与体外合成的骨磷灰石是同样形态，说明这种晶体形貌是 h a 的某种内在性质造成，而与生物因素无关。这使得体外培养与天然骨结构相 同的h a 晶体成为可能。 1 22 钛和钛合金 钛及其台金困具有优异的生物相容性，低密度，低模量、高强度和耐腐蚀性 等特点而在生物材料领域获得越来越广泛的应用。如人工膝关节、股关节、齿科 植入体、牙根及义齿金属支架等( 图15 ) 。 关节 穸 接骨板 国15 钛和钛合金制品 钛是迄今为止发现的生物相客性好的金属。主要是因为其表面易被氧化形成 致密氧化膜( t i 0 2 ) ，而t i 0 2 的较高的介电常数”增e 减少组织排异反应。t i 0 2 舟电常数大，在水洛液中因极化而产生的静电力较小，当表面舟电常数与水溶液 有明显差距时，蛋白质分子会在因极化作用而产生的定向静电力的作用下向种植 体表面靠近。也就是说相 匕于其他金属，在体内环境下，铁种植体表面吸附蛋白 7 r刖“引u嚣倒 鲥 警 辱雾 淋口蓼 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 质分子的几率较小。除氧化膜的影响，钛的电子结构对生物相容性也有影响：钛 平衡氢离子电位为6 2 ，稍低于生理环境的p h 值7 4 。t i 表面会吸附少量负离子 而带上微弱的负电荷，体液中的钙离子被t i 表面的负电荷吸引，而t i 0 2 表面的 o h 也将通过氢键吸引p 0 4 3 响表面聚集，促进h a 的成核生长。 钛金属及其合金的发展可分为三个阶段，第一个阶段是以纯钛和t i 6 a i 4 v 为代表，第二个阶段是以t i 5 a 1 2 5 f e 和t i 6 a 1 7 n b 为代表的新型0 【+ d 型合金， 第三个阶段则是一个以提高生物相容性和降低弹性模量为主的研究阶段【2 4 1 ，其 中以对d 型钛合金的研究为代表【2 5 1 。2 0 世纪5 0 年代初，在英美两国，商业纯钛 被用来制造螺钉、接骨板、髓内钉和髋关节。但经临床发现，商业纯钛制造的髓 内钉及髋关节存在着明显的强度不足的问题。为避免内固定植入物断裂失效，提 高植入物的强度，英、美、俄、日等国将用于航天的高强度钛合金t i 一6 a i 4 v 用 于内固定植入物。目前8 0 e a 上钛合金植入物都使用t i 一6 a 1 4 v 合金。但矾被认 为是对生物体有毒的元素，因而迫使材料学家研究的不含v 的新型钛合金。8 0 年代中期t i 5 a i 2 5 f e 和t i 6 a i 7 n b 两种新型o 【+ d 医用钛合金在欧洲得到了发 展。2 0 世纪9 0 年代以来，不断有关于a l 对人体存在潜在危害的报告，认为a l 会引起骨质疏松和精神紊乱等病疾病，所以生物材料学家开始研制不合a l 的新 型生物钛合金。现研制成功并已应用于临床的的合金有t i 1 3 n b 1 3 z r ( a s t m f 1 7 1 3 - 1 9 9 6 ) 和t i 一1 2 m o 一6 z r 一2 f e ( a s t mf 1 8 1 3 1 9 9 6 ) 。 、 由于钛和钛合金的性质和结构与天然骨组织相差很大，通常不能像生物活性 材料那样与骨组织发生化学键性结合，在植入生物体后，在钛或钛合金表面，与 活体组织界面处会形成纤维组织隔层，使植入体发生松动。如果松动严重就需要 二次手术，会增加病患者的痛苦。因此，用钛和钛合金作为牙和骨的修复替换材 料，解决其长期固定是个关键问题。通过钛的表面处理，可以解决部分问题。现 阶段固定问题研究主要集中在以下两种方式：一种是生物固定【2 6 1 ，指将钛金属 表面处理成粗糙多孔状，使新骨长入多孔金属表面的孔隙实现固定；二是化学键 合 2 7 1 ，也称为骨性结合，指通过使用- 9 骨化学成分相近的生物活性物质做涂层， 引导骨组织生长，增强植入体结合力。 生物固定多数是采用喷砂多孔表面，如美国e x a c t e c h 、z i m m e r ，台湾联合 公司等生产的医用钛合金( 图1 6 ) 。在钛和钛合金表面形成金刚砂磨面、珍珠 * 扛大学砸学位论女 第一章绪论 面和多孔涂层，增加表面粗糙度和孔隙度，植入人体后骨组织爬入空隙，增强结 合力。如美国e x a c t e c hs y s t e m 髋关节系列柄部近端呆用直径为o2 8 m m 的钛珠， 三维立体喷涂。孔隙平均尺寸为1 5 2 m ，平均空隙率为3 5 ，可以理解为柄部 蛲结表面有3 5 的骨长八空间俐，除微珠喷涂外，近几年美国e a c o r em e d i c a l c o r p o r a t i o n 发明了3 d m a t r i x 多孔喷涂技术。这种技术不用球形微粒，而是采用 尺寸1 8 0 - 8 5 0 p i l l 的随机三维异彤微粒，喷涂后孔径尺寸2 5 0 4 5 0u m ，空隙率 可达6 1 ，经临床研究表明：1 0 0 5 0 0 “m 的孔径对骨生长最为有利。这种先 进的表面粗化技术，为骨生长提供了更好的界面。 珍璩面盘剐皓磨呵多孔钛熔屉 图l6 喷砂多孔钛表面 多孔钛表面与骨组织的作用机理如图17 所示。在骨组织长入空隙中后，实 现t 物理锁台，大大提高了植入体的结合力。 但由于而钛又没有生物活性，不具有骨引导 能力，所以只有很少一部分新骨长八孔隙内 部口目。若经过一定处理，使钛表面具备骨引 导功能，就可以使骨组织长满孔隙，实现骨 性键合。这样植入体与骨不仅有机械锁合， 还有化学键合作用，结合强度可大大提高。 现有表面生物活化的处理方法是在钛表面 涂覆一层具有生物活性的陶瓷涂层，如羟基 磷灰石图17 钛植入体和骨组织界面示意图 1 23 羟基磷灰石 羟基磷灰石是动物和人体骨骼、牙齿的主要无机成分f 2 9 , ”i 。骨骼在人体中 9 新大学颀l 学位第章绪论 主要以钙化形式存在。羟基磷灰石占成人骨重量的4 0 ，而在牙釉质、牙本质和 水泥质中分别占9 5 w t ，7 5 和3 5 i ”i ，由此可见h a 是一种极其重要的无机 成分 h a 在水溶液中微溶，呈弱碱| 生( p h - 7 9 ) ，易溶于酸而难溶于碱。致密纯 h a 断裂韧性( k 1 c ) 在0 8 一i2 mp a m m 之问，抗压强度、抗弯强度和拉伸强度分 别为1 2 0 - 9 0 0 、3 8 2 5 0 和3 8 3 0 0 m p a ，y o u n g s 模量( e ) 在3 5 - 1 2 0 g p a 范围内， 维氏显微硬度( h v ) 介于3 0 g 和7 0 g p a 之间，在1 0 0 0 1 1 0 0 c 表现出超塑性t ”j 。 h a 与金属或者非金属离子有较强的交换能力，c a 2 + 易被c d 2 + 、h g 批、s p 、b a 2 + 、 p b 2 + 等金属离子置换；o h 。易被f 置换o ”。h a 还能与含棱基( c o o h ) 的有机酸 反应，如氨基酸、蛋白质等。 oo o o “l c “l i 图l8a ) h a 的模型示意图；”h a 晶体沿c 轴投影到基面上的原子排列图 羟基磷灰石晶体嘲为六方晶系，属l 6 p c 对称型和p 6 3 m 空间群，结构为六 角柱体，与c 轴垂直的晶面是六边形，a 轴和b 轴间的夹角为1 2 0 。，a 轴和c 轴 问的夹角以及b 轴和c 轴间的夹角均为9 0 ，晶胞常数a = b - 0 9 4 3 - 4 ) 9 3 8 n m ， c = 06 8 8 06 8 6 n m ，z - 2 。 n 的结构较复杂，模型示意图如图l8 a 所示；单位 h a 晶胞含有6 个p 0 4 ，1 0 个c a 2 + 和2 个o h 。，沿c 轴投影到基面( 0 0 0 1 ) 面上的 原予以及离子排列图如图l8 b 所示。如图可知，l o 个c a 2 堆于上下两层的6 个p 0 4 卜四面体之问，分别占据2 种位置：其中4 个c 2 + 占据c a ( i ) 位置，即z = 0 和z = 告位置备有2 个c a n ；6 个c a 2 + 位于c a ( i i ) 位置，即牙；和z = ；位置各有 3 个c 扩。6 个p 0 4 3 - 四面体分别位于z _ 三和扩三的位置。o i 位于品胞的四个 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 角上。h a 的主要晶形有：六方双锥，六方柱和平行双面【3 5 1 。 研究表明，h a 生物陶瓷具有良好的化学稳定性和生物相容性，是生物活性 陶瓷的典型代表，具有骨诱导能力，有利于造骨细胞的分化【3 6 1 ；植入生物体内 后能与骨组织在界面形成化学键性结合【2 9 1 ，与骨组织之间无纤维组织存在【3 7 1 ；h a 植入体与骨界面的结合强度较高，甚至超过h a 自身强度，在发生断裂时往往 发生在陶瓷内部，而不是在二者结合的界面上。 h a 虽然具有优异的生物活性和生物相容性，但其力学性能较差。主要表现 在：断裂韧性较低，仅为钛合金的1 4 0 1 7 0 ；脆性大，不能应用在承重场合； 在生理环境中抗疲劳强度差，韦布尔系数仅为1 2 等。这些不足限制了h a 在临 床上的应用，目前只能用于制作承载力较小或非承载的小型种植体，如耳骨、眼 球等【3 4 1 。 1 - 3 现有羟基磷灰石涂层的制备方法 钛及钛合金的综合力学性能和优良0 9 j j 口x 性能若能与h a 优异的生物相容 性和良好的耐腐蚀性结合，那么可以充分发挥两种材料的优点，同时克服各自的 缺点从而制备出性能卓越的生物医用材料。涂层技术被认为是一种较为有效的途 径【3 引。材料的生物活性和生物相容性主 要体现在生物材料表面，其生物行为是 一种界面行为口9 1 ，所以采用不同工艺方 法将h a 生物陶瓷涂覆在钛及其合金表 砌瑷方法 面，制备钛基羟基磷灰石生物陶瓷涂层， i 这样基体可以提供骨修复和替换材料 i 所需的力学强度，表层的羟基磷灰石生 涂艨技术弋 物活性涂层能与组织形成化学键性结 i i 合而达到提高生物相容性，增强固定的 l 化学方法 目的。目前已发展了各种制备涂层的技 术，主要分为物理方法和化学方法，下 文对一些典型制备方法做重点介绍： 辔羯予喷涂法 放啦簿璃予烧结法 凌予溅射法 磁梭溅射法 爆炸喷滚法 激光法 浚涂法 烧纺浚 电衫c 核法 溶狡一凝腔法 仿生法 热纯擘及应注 电渡法 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 等离子喷涂法 等离子喷涂法是近年来开发较成熟和应用较广泛的一种方法。用该法在金属 基体上制备的h a 涂层是目前唯一应用于临床的涂层材料。这种方法的工艺原理 是利用直流电弧放电，使经高温加热的部分氮气电离为离子状态，再用高速喷出 而得到等离子射流。以h a 粉为喷涂材料，以气体为载体，吸入等离子射流中， 经高温熔融或半熔融后高速喷涂在基材表面而形成陶瓷涂层。采用等离子喷涂法 可制备出厚度大于3 0 u m 与金属基体的结合强度大于6 0 m p a 的陶瓷涂层。通过 模拟体液培养实验【4 0 】表明，等离子喷涂羟基磷灰石一钛合金复合材料能较圆满 地达到人们结合两种材料优点的预期要求，但随着研究的深入和临床应用发现， 等离子喷涂h a 涂层材料尚存在一些问题：首先，等离子喷涂是线性喷涂工艺， 因而无法在形状复杂或粗糙基体表面获得均匀涂层；其次，等离子喷涂的h a 涂 层在制备过程中处理温度很高，有时甚至高达1 0 0 0 0 k ，而h a 的热膨胀系数与 金属基底( 如t i 6 a 1 4 v ) 的热膨胀系数相差很大。这就使涂层在冷却后有较大 的残余热应力，容易导致涂层产生裂纹。并且当涂层材料植入生物体后，长期服 役于体液环境中也容易使涂层松动或剥落；再次，在高温下h a 会发生分解】 导致h a 涂层物相不纯，产生非晶h a 和杂质而影响涂层的生物性能；最后，等 离子喷涂需要以高纯h a 粉为原始材料，增加了材料制备成本。 1 3 2 激光法 激光法制备陶瓷涂层工艺过程如下：首先将h a 涂层涂覆在金属基体在，然 后用激光进行烧结，高能量的激光束引起光热转换作用而使h a 陶瓷涂层在基体 表面重熔，这样在激光瞬间加热的陶瓷区域与熔融的表层金属相互扩散，形成牢 固的冶金结合，使两种材料的界面自然地融合，不出现相界面上的突变，减小界 面失配，降低界面应力，与基体形成一定强度的结合【4 2 1 。因此采用激光法，使 用合适的制备工艺，也可获得出性能优良的h a 生物陶瓷涂层。但激光法也有其 不可避免的缺点：首先激光涂覆涂层与基体间存在陡峭的浓度和温度梯度，是一 种极度偏离平衡的状态，内部的应力和活性较大，容易开裂或变性；其次，在激 光的快速加热和冷却的条件下，涂层出现不均匀，即可能出现激光辐照中心的温 度过高，使合成的h a 分解，而激光束周围则可能由于温度偏低，固相合成转变 不完全，致使涂层中存在大量反应中间相。 1 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 溶胶凝胶法 溶胶一一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要 方法，在软化学合成中占有重要地位。溶胶一凝胶法的化学过程首先是将原料分 散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶 胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子或涂 层等所需要材料。在钛合金表面用溶胶凝胶法制备h a 涂层是将c a 和p 配成溶 胶( c a ( n 0 3 ) 2 、p 2 0 5 和乙醇) ，然后通过浸渍提拉的方法涂覆到钛合金基体表面， 经干燥后溶胶发生缩聚反应，然后再经6 0 0 。c 热处理后获得h a 涂层1 4 3 1 。溶胶 凝胶法具有易于控制涂层化学成分、涂层均匀、合成温度低等特点，但缺点是涂 层结合力偏低。 1 3 4 热化学反应法 热化学反应法基本思路就是设法使金属基体与涂层在界面处发生化学反应， 使二者通过化学结合而牢固地连接在一起【4 4 1 。制备一种水基涂料是该方法的首 要步骤，此水基涂料的作用是粘结基体和陶瓷面，类似胶水的作用然后经一定 的干燥和固化热处理加速其中的化学反应，最终在金属表面形成一种均匀稳定的 h a 陶瓷涂层【4 5 1 。该方法一般具有成本低廉、工艺简单、涂层纯度高等优点，是 一种新型陶瓷涂层材料的制备方法，有广阔的发展前景但该法同样也有涂层与 基体热膨胀系数失配，结合强度不高的缺点。 1 3 5 仿生法 仿生法是近几年发展起来的涂层制备方法 4 6 , 4 7 】，这种方法的思路是模仿了自 然界生理磷灰石的矿化机制，然后在人工可控的条件下对生物过程进行模拟，以 期获得与天然材料性能相仿的涂层。所以，对有机矿化过程深入理解成为仿生法 的关键。有机生物矿化的过程中包括4 个阶段：有机分子预组织，界面分子识别， 生长调制和细胞加工。与之相对应，科研工作者们对这个过程进行模拟：先配置 与人体组织内环境相似的模拟体液或钙化溶液，再将经过表面活化处理的置于溶 液中，这时c a 2 + 和p 0 4 3 一离子由于负电荷官能团离子的作用而在基体表面沉积， 形成磷灰石层。 仿生法具有许多其它方法无可比拟的优越性：最显著的优点是在晶体生长过 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 程中可结合生物活性分子进行共沉积。生物分子首先吸附到晶体表面，在形核和 生长的过程中包埋到涂层中，在植入人体后可向特定的分子发出信号并增加其粘 性和功能。此外仿生法制备的涂层还有与人体骨成分更相近设备简单、操作方便、 费用较低等特点。 然而仿生法作为一个刚研制不久的涂层制备新方法，本身并不成熟，尚有很 多疑问，例如对仿生机理的进一步探讨；另外，仿生法的制备周期过长，不易控 制涂层厚度，结合力弱等都影响了仿生法在实际中的应用。 1 3 6 电泳沉积法 带电粒子在电场作用下发生定向移动的现象称之为电泳。带电微粒在电极富 集并在表面沉积的现象称为电泳沉积，电泳沉积( e p d ) 是电泳和沉积两个过程的 串联，几乎所有的固体颗粒都可用电泳的方法在电极表面沉积 4 8 , 4 9 1 。电泳沉积 h a 涂层是先让h a 微粒荷电，然后选择石墨、铂等惰性电极材料配合金属体电 极制造出一定强度电场，在一定时间后，电极表面就获得了h a 涂层【5 们。电泳 法具有以下优点：反应条件温和，可避免传统高温过程引起的相变和脆裂；非线 性过程，可以在复杂形状的基体上沉积较为均匀的涂层；设备简单，操作方便。 但缺点是h a 微粒与基体之间是通过静电吸附，而不是冶金吸附或化学键合，因 而涂层与基体的结合强度不高；另外，电泳沉积以h a 粉末作为原料，成本比较 高。 1 3 7 电沉积制备羟基磷灰石涂层 电化学沉积技术( e l e c t r o d e p o s i t e dt e c h n i q u e ) ，也称电结晶技术，是指在电场 作用下，从电解液中沉积粒子在电极表面发生电化学反应，从而得到涂层的过程。 主要是一种界面化学反应。 电沉积h a 是指在含c a ，p 离子的的电解液中，控制好适合的实验条件在 阴极电解析氢的反应下使得阴极附近电解液的p h 值增大，从而对溶液中的离子 的过饱和度有影响。当溶液中c a 2 + 和p 0 4 3 。超过了磷酸钙盐化合物临界过饱和度 后，磷酸钙盐涂层就在阴极析出。下文将详述电沉积h a 涂层的工艺发展过程。 1 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 电化学法制备羟基磷灰石涂层的国内外工艺进展 在钛合金基体表面通过电化学沉积法直接制备h a 涂层的第一人是加拿大学 者s h i r k h a n z a d e h 5 。在1 9 9 1 年的工作中，s h i r k h a n z a d e h 将2 0 9 的h a 粉末溶于 l m o l l 的n a c i 溶液中，并采用盐酸将电解液p h 值调至4 4 。电沉积系统以医用钛 合金t i 。6 a 1 4 v 为阴极，铂片为阳极，使用饱和甘汞电极为参比电极，沉积过程 中温度控制在2 5 6 5 。c ，阴极电位维持在1 3 v 到1 5 v 之间。结果表明，在1 3 v 阴极电位，6 5 。c 沉积温度，3 0 分钟沉积时间以及1 4 v 阴极电位，2 5 c 沉积温度， 3 0 分钟沉积时间这两种实验条件下能得到片状晶体组成的均匀多孔、完整互锁的 涂层。在第一种条件下得到的涂层孔径为2 3 1 a m ，晶粒纵向尺寸为2 - 3 b t m ；而第 二种条件下得到的涂层孔径为3 0