（材料学专业论文）磁控溅射制备HATiOlt2gt复合薄膜及其性能的研究.pdf

i - r ， 摘要 植入体的生物相容性与其表面的性能有密切的关系。表面改性是增强植入体 生物相容性的一种有效手段。尤其是在在金属基体表面制备生物活性陶瓷薄膜能 结合金属较好的力学性能和陶瓷薄膜的化学、生物稳定性。而目前对于这一方面 材料的制备工艺、生长机理、性能的理论研究还有待于深入。羟基磷灰石( 简称 h a 或h a p ) 具有很高的生物活性，但力学性能较差。而钛金属具有很好的力学 性能，但缺乏生物活性两者的结合是研究的热点。本实验采用射频磁控溅射法 在金属钛片上制备h a t i 0 2 复合薄膜，通过改变工艺参数探讨了影响薄膜性能的 因素，并对其力学性能、组成结构和生物相容性进行了比较深入的研究。 本论文中，对磁控溅射制备的h a 脚0 2 薄膜采用台阶测厚仪测量薄膜的厚 度；采用接触角测定仪测量薄膜与水的表面接触角来表征薄膜的亲水性能；采用譬 划痕实验机测量薄膜的结合强度；并用x r d 、s e m 、e d s 对薄膜进行了组成、 结构和形貌的表征；薄膜的生物相容性则通过模拟体液浸泡、细胞种植培养和动 态凝血时间进行了表征。 研究结果表明：用射频磁控溅射法可以在钛基片上制备出一定厚度的 h a t i 0 2 复合薄膜，在本实验工艺参数范围内，制得的h a t i 0 2 薄膜表面光洁、 致密均匀，薄膜表面与水的接触角较小，具有较强的亲水性能。采用水蒸气热处 理有利于羟基磷灰石性能的提高，并可大大提高薄膜的结合强度。磁控溅射制得 的薄膜钙磷( c a p ) 靶材要小，在靶材中加入适量的c a o ，可以使薄膜的c “p 提高到正常水平。溅射制得薄膜具有较高的结合强度，适当的热处理有利于进一 步提高薄膜的临界载荷。在钛基体与h t i 0 2 薄膜间制备一层t i 0 2 薄膜中间层， 可有效的提高薄膜的结合强度。将薄膜浸泡于模拟体液中，薄膜能有效诱导钙磷 离子在其表面成核和生长，在薄膜表面生成钙磷层，具有良好的生物活性。细胞 种植实验表明，薄膜无毒性，无致畸性，薄膜不仅能保证细胞生长和维持细胞形 态，而且能促进细胞粘附、增殖。研究表明镀膜同时还能提高钛基体的血液相容 性。 关键词：h a r i 0 2 薄膜，磁控溅射，工艺参数，生物相容 i 量 a b s l r a c l a b s t r a c t t h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fa ni m p l a n ti sc l o s e l yr e l a t e dt oi t ss u r f a c ep r o p e r t i e s t h u s s u r f a c em o d i f i c a t i o ni so n eo fe f f e c t i v em e t h o d sf o ri m p r o v i n gt h ebj o c o m p a t i b i l i t yo f i m p l a n t s e s p e c i a l l y , p r e p a r i n gc e r a m i cf i l m so nm e t a l l i cs u b s t r a t e sc a nc o m b i n et h eb e t t e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e t a l sw i t ht h eb e t t e rc h e m i s t r ys t a b i l i t ya n db i o c o m p a t i b i l i t yo f c e r a m i cf i l m s h o w e v e r r e c e n t l y , t h eo p t i m i z a t i o na n dq u a n t i f i c a t i o no fp r e p a r a t i o n p a r a m e t e r so ft h i sk i n do ft h i nf i l m ，a sw e l la st h e o r yr e s e a c ho ft h eg r o w t hm e c h a n i s m a n dp r o p e r t i e ss t i l ln e e df a r r e a c h i n gs t u d y t h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fh y d r o x y a p a t i t ei sv e r y w e l l ，i ti sak i n do fr e p a i ra n dr e p l a c em a t e r i a lo fb o n e b u tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f h y d r o x y a p a t i t e i sn o t g o o d t i t a n i u ma n dt i t a n i u ma l l o yh a v ev e r yg o o dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sf o r m e d i c i n a lu s e , a n di t sc h e m i s t r ys t a b i l i t ya n db i o l o g i c a ls t a b i l i t ya r ev e r yg o o d ， b a tt h e yh a v en ob i o l o g i c a la c t i v i t y 1 nt h i ss t u d y , h a f l i 0 2t h i nf i l m sa r es y n t h e s i z e db yr f m a g n e t r o ns p u t t e r i n go nt i t a n i u ms u b s t r a t e s ，a n dt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gp r o p e r t i e so f h a t i 0 2t h i nf i l ma r ed i s c u s s e de m p h a t i c a l l yt h r o u g hc h a n g i n gp r e p a r a t i o np a r a m e t e r s m e a n w h i l e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , c o m p o s i t i o na n db i o c o m p a t i b i l i t yo ft h eh a t i 0 2 t h i nf i l m sa r ei n v e s t i g a t e dd e e p l y i nt h i s p a p e r , h a t i 0 2 t h i nf i l m s s y n t h e s i z e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g a r e a n a l y s e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：l a s e rs t e pf i l m t h i c k n e s sd e t e c t e ri su s e dt o i n v e s t i g a t et h et h i c k e n s so ff i l m s ；t h ei n t e r f a c ea d h e s i v es t r e n g t hb e t w e e nt h ef i l ma n d s u b s t r a t ew a sm e a s u r e db ys c r a t c h i n gt e s t ；t h ef i l m s f o r m a t i o n ，s u r f a c ec o m p o s i t i o n ， s u r f a c em o r p h o l o g ya n ds t m c t u r ew e r ei n v e s t i g a t e db yx r d ，s e ma n de d s c o n t a c t a n g l em i c r o s c o p yi su s e dt oj u d g et h eh y d r o p h i l i c i t ya tr o o mt e m p e r a t u r e ；m o r e o v e r , t h ea n t i c o a g u l a n tp r o p e r t yo fh a t i 0 2t h i nf i l m si se v a l u a t e db ym e a n so fm e a s u r i n g c l o t t i n gt i m e ，s i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b f ) a n dc e l lp l a n tw e r ea l s ou s e dt ot e s tt h e b i o c o m p a t i b i l i t yo ft h ef i l m s t h er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： i nt h i sr a n g eo fp r e p a r a t i o np a r a m e t e r s ，h a t i 0 2t h i nf i l m sc o a t i n go nt h et i t a n i u m n t ， 一 a b s t r a c t s u b s t r a t e sa r eg l a b r o u s ，c o m p a c t ，a n de v e n h a t i o ：t h i nf i l m sr e v e a lh y d r o p h o b i c p r o p e r t ys i n c et h ec o n t a c ta n g l eo fw a t e ri sr a t h e rb i g t h ep r e p a r a t i o np a r a m e t e r s ， s u c ha ss u b s t r a t et e m p e r a t u r e ，s p u t t e r i n gp o w e r ，s p u t t e r i n gt i m e ，w o r k i n gp r e s s u r ea n d s u c hs u b s e q u e n tt r e a t m e n t sa sh e a tt r e a t m e n t ，r e m a r k a b l yi n f l u e n c et h ed e p o s i t i o n v e l o c i t y , a n da n t i c o a g u l a n tp r o p e r t yo fh a t i 0 2t h i nf i l m s t h ew a t e rs t e a mh e a t t r e a t m e n tc a nm a k et h ef i l mm o r ec r y s t a l s p u t t e r i n gm a k et h ef i l m sc a pl o w e r ，a d d s o m ec a ot ot h et a r g e tc a nm a k et h ef i l m sc a pn o r m a l t h ei n t e r f a c ea d h e s i v e s t r e n g t ho ft h ef i l ms y n t h e s i z e db yr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n go nt i t a n i u ms u b s t r a t e si s v e r yg o o d at i e 2l a y e rb e t w e e nt h ef i l ma n ds u b s t r a t ec a nm a k et h ei n t e r f a c ea d h e s i v e s t r e n g t he v e nh i g h e r t h eb i o e o m p a t i b i l i t yo fh a t i 0 2t h i nf i l m si sv e r yw e l l a f t e rs o a k e d i ns b f , t h e r ei sal a y e ro fc a l c i u ma n dp h o s p h a t eo nt h es u r f a c eo ff i l m ，a n dt h ec e l lp l a n t e x p e r i m e n ta l s op r o v e dt h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fh a t i 0 2t h i nf i l m si sv e r yw e l l ，w a t e r s t e a mh e a tt r e a t m e n tc a nm a k et h ef i l mm o r eb i o e o m p a t i b l y m e a n w h i l e ，h a t i 0 2t h i n f i l m so nt i t a n i u ms u b s t r a t e ss h o wt h a tt h ea n t i c o a g u l a n tp r o p e r t yh a sb e e nc o m p r o v e d r e m a r k a b l yb ye o m p a r i t o nw i t hr a wt i t a n i u m g e n e r n a l l y , h a t i 0 2t h i nf i l m sb e f o r e h e a tt r e a t m e n th a v eb e t t e r a n t i c o a g u l a n tp r o p e r t y h o w e v e r , h e a tt r e a t m e n ti s d i s a d v a n t a g e o u st oi m p r o v ea n t i c o a g u l a n tp r o p e r t yo fh a t i e 2t h i nf i l m s k e yw o r d s ：h a t i 0 2t h i nf i l m s ，r fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g , p r e p a r a t i o np a r a m e t e r s , b i o c o m p a t i b i l i t y i ， 、 - _ ， - 7 f i i h k i i | 关于硕士学位论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解大连轻工业学院有关保留、使用学位论文的 规定，大连轻工业学院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 是否保密( 否) ，保密期至年 月日为止。 学生签名： 盘为主导师签名：邈望 年月日 第一章前言 第一章前言 随着科学技术的进步与发展，生物医学材料领域日趋受到了各国医学及材料 学界的高度重视。生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 是指用于医疗的能植入生 物体或能与生物组织相结合的一类特殊的功能材料，是对生物体进行诊断、治疗和 置换损坏组织、器官或增进其功能的材料i 。生物材料的出现很早。由于当时工业 不发达，直到2 0 世纪3 0 年代，随着工业的发展才出现少数的医用材料。2 0 世纪中 后期，高分子工业的迅猛发展推动了生物材料的发展。即便如此，一些临床应用 的生物材料原来并不是针对医用而设计的。由于这些材料在设计时未考虑应用时 的要求，因此，存在生物相容性的问题。 随着人们对生物材料认识的提高，人们从工程技术原理和方法了解人的生理 病理过程，并从工程角度解决防病治病的问题，具有不同性质及功能的生物材料 应运而生目前的研究已经进入到植入材料的微观结构与宏观性能与人体组织相 互作用时生物理化特性变化的阶段。生物相容性对材料应用的重要性众所周知，研 究表明，材料表面的成分、结构、形态和其亲、疏水性以及电荷，都会影响材料 与生物体之间的相互作用1 2 1 ，通过物理、化学、生物等方法可使生物材料的生物相 容性得到大幅度改善。 在生物医用金属材料中，钛及其合金以其优异的力学性能、良好的生物相容 性及在生物环境下优良的抗蚀性，被广泛地用于生物医用材料中，已成为最有发 展i j i 景的医用材料。尤其是在临床上用来修复和替代人体硬组织，得到了越来越 广泛的应用p 1 ，比如人工牙、人工关节、人工骨等。主要是因为钛在高温下与氧结 合生成的t i 0 2 具有良好的性能【钔。实验证明在生物医用材料表面上制备t i 0 2 薄膜， 对于提高材料的生物相容性是一种行之有效的方法。 然而，作为人体植入材料，钛及其合金存在以下两个问题：( 1 ) 弹性模量与自 然骨相差悬殊，生物力学相容性欠佳，容易造成应力集中和骨吸收的不良后果p j ； ( 2 ) 成分和组织结构与入骨截然不同，虽然已有研究表明在体内钛种植体与骨之间 无纤维包襄形成，但也只是一种机械嵌连性的骨整合，而非强有力的化学键厶i “， 即为生物惰性。因此，对钛及其合金进行表面改性十分必要。 在生物医用材料表面镀膜是改善生物材料生物相容性最直接、最有效的途径。 第一市前言 要实现理想的表面改性需要兼顾生物材料与生物体的相容性和生物材丰 本身的机 械、物化性能【7 1 。在金属表面制备生物陶瓷薄膜技术综合了这两个方面而成功地应 用于生物材料表面改性，但由于血液相容性与组织相容性在材料表面相互作用过 程的复杂性，在对其生物作用机理的了解、对相容条件的控制以及对处理效果的 有效表征方面还有待于完善【8 1 。随着生物技术在理论研究和应用研究方面的进一步 发展，它与生物材料的交叉融合必将更加深入，并在众多领域中有更加广阔的应 用的景【9 1 。 羟基磷灰石( h a ) 具有生物相容性和生物活性，是较好的生物陶瓷材料。被广 泛应用于骨组织的修复与替代技术现已形成多种制备羟基磷灰石粉末、块体材 料及多孔材料的方法。但是，由于材料本身力学性能较差制约了羟基磷灰石的进 一步应用，因此提高及制备综合性能优越的生物陶瓷复合材料是当今研究的重心 和热点。 为了赋予钛及其合金以生物活性，已经开发研究了多种表面处理技术，主要 采用等离子喷涂、激光熔覆、离子束辅助沉积、溶胶一凝胶、电结晶及化学处理 等1 1 0 - 1 5 l 方法在钛及合金表面制备羟基磷灰石活性层但国内外的研究以单一h a 涂 层居多由于金属基体与涂层问的膨胀系数不匹配，加热或冷却过程中会产生残 余应力，使涂层的附着强度受到一定的限制【1 6 l 。因此，提高涂层的结合强度，确 保其在体内的稳定存在，使材料能够满足临床应用的需求是急需解决的问题。 一个有效的方法就是在钛金属表面制备羟基磷灰石复合涂层。本论文利用磁 控溅射制备薄膜技术，结合高温水蒸气处理，探索在钛基体表面制备t i 0 2 增强的 h a 复合生物薄膜，以期改善薄膜与基体的界面结合强度，提高基体的生物医学性 能，从而在高性能植入材料的制备领域进行有益的尝试。 2 第二审文献综述 第二章文献综述 2 1 羟基磷灰石材料的研究现状 人工骨材料的研究和开发是一个全球性关注的课题，具有巨大的社会和经济 效益。在近代医学领域里，金属种植体是临床上常用的一种生物医用材料。近年 来取得了很大发展，但也存在着一些负面的影响，主要是溶出的重金属离子对人 体有不良影响【 l 。提高植入体的生物相容性是急需解决的问题，实验证明在生物 医用材料表面制备生物活性薄膜，对于提高材料的生物相容性是一种行之有效的 方法 骨替换材料与骨组织间的理想结合方式是骨键合。在这种结合方式下，由于 琴* 植入体与骨之间界面结构连续而使功能呈现连续性。对于有适宜的表面形态的生 4、 物活性材料，骨键合过程既包括化学键合作用，又包括机械物理的嵌合交联作用 爹。 1 1 8 l 。而要形成骨键合，材料必须具有生物活性。 8 由于医用金属材料的结构和性质与骨组织相差很大，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，即它不是生物活性材料；此外，由于会属与 骨组织的弹性模量相差悬殊，植入体生物力学相容性欠佳，易产生应力集中和骨 ， 吸收等不良后果。为了赋予金属材料以生物活性，已经研究开发了多种进行表面 活化处理的工艺技术i ”l 。这些处理方法或是直接在金属材料表面涂覆h a 或其他磷 酸盐涂层；或是使金属处理后置于生理环境或模拟生理环境，在表面诱导h a 形成。 表面活性化处理后，骨替换材料既保持了金属材料高的力学强度，又有生物活性。 1 9 7 6 年日本青木等人与美国j a r c h o 等人分别合成了羟基磷灰石材料。h a 材料 与其它生物材料显著不同之处在于它是由与人体硬组织( 骨和牙) 的无机质相同的 物质构成的。解决了因金属、有机高分子等生物医学材料中的生物相容性和人体 适应尚不令人满意这一课题。 羟基磷厌石种植材料属于生物陶瓷之一，其与生物硬骨组织中的磷酸钙盐有 相似的化学成分和结构与骨组织极易结合，因而具有良好的生物相容性和生物活 性【2 m 。目前主要应用于骨修复、替代材料和牙种植体领域，也用于人工血管、气管 3 第二章文献综述 等软组织及药物控释和送达载体，还是一种优良的生物化学吸附剂。虽然羟基磷 灰石生物陶瓷材料的生物活性好，但力学性能尚有不足，限制了它在人体承力部 位的应用1 2 “。单一的羟基磷灰石材料往往难以满足医学要求。为此，人们采用不 同工艺方法，开发了多种羟基磷灰石复合材料。其中，在金属基体表面涂覆上羟 基磷灰石生物陶瓷，制备成生物陶瓷医用金属复合材料，既保持了基底金属的强 度和韧性，又具有涂层的生物活性及生物相容性，成为理想的人造植骨材料。 为了解决生物惰性人工关节存在的上述问题，生物活性人工关节的发展显得 至关重要。近几年国内外投入大量资金研究生物活性人工关节，其中金属基体羟 基磷灰石复合材料是人们关注的焦点。金属基体羟基磷灰石复合材料是将生物活 性陶瓷h a 和金属基复合。使材料兼具金属和陶瓷的优点，得到的既具有金属的强 度和韧性，又具有h a 表面生物活性的复合生物材料。研究还发现，虽然许多金属都 可作h a 涂层的基底，但认为钛及钛合金基体是最理想的。因为钛及钛合金比其它 金属材料具有更好的机械和生物相容性，其强度大，弹性模量低，能与h a 发生憝 全化学反应，结合牢固1 2 2 1 。因而钛及钛合金基体h a 生物涂层材料，即具有金属材 料优越的力学性能，又突出了h a 最好的生物活性，目前此种材料已被用于制备临 床应用的人工关节，较其它硬组织替代材料具有更大的优越性 2 2 羟基磷灰石的性质及其生物相容性机理 羟基磷灰石分子式是c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，属六方晶系，晶格参数为 a = b = 0 9 4 2 1 n m 、c = 0 6 8 8 2 n m ，c a p 原子比为1 6 7 。体积质量为3 1 6 9 c m 3 ，性脆，折 射率为1 6 4 1 6 5 ，微溶于水，水溶液呈弱碱性( p h 7 9 ) ，易溶于酸，难溶于碱。 h a 是强离子交换剂，分子中的c a 2 + 容易被有害金属离子和重金属离子交换还可与 含有羧基的氨基酸、蛋白质及有机酸等发生交换反应。h a 的表面性能取决于其结 构，h a 表面主要存在2 个吸附位置，当o h 一位于晶体表面时，该位置联结着2 个c a “， 在水溶液中，这个表面的o h 一至少在某一瞬间空缺，由于2 个c a 2 + 带正电，形成一 个吸附位置。同理，当表面的c a “在某一瞬间空缺时，表面形成另外一个吸附位置， 而该位置带负电荷，能吸附阳离子和蛋白质分子上的基团。 h a 是骨无机相的主要成份，约占干骨组织的4 5 。其用来做植骨材料具有以 下优点：良好的生物相容性，无免疫排、斥反应，无毒；与无机骨基质成份 4 ， 畸 第一章文献练述 相近，有适当的空隙度，便于骨组织长人，可与宿主骨直接愈合；良好的机械 性能及化学稳定性，在体内能长期稳定地行使骨组织功能，力学强度高，成骨较 快，抗腐蚀性好，耐磨损性强等；来源充足、可高压消毒、储存方便。但其力 学性能差，脆性大，材料的抗弯强度低，在生理环境中的抗疲劳与破坏强度不高， 为一种典型的脆性材料，使其应用受到较大的影响。 人工合成的h a 化学成份及结构与骨质中无机盐极为相似，h a 具有高度生物活 性和良好生物相容性，无毒、无刺激、无过敏、致畸、致突变及溶血等，适合于 体内长期植入。与骨组织的键合能力很强，是良好的骨缺损填充材料。羟基磷灰 石是典型的生物活性陶瓷，植入体内后能与组织在界面上形成化学键合。它与骨 形成键合表现在：在光学显微镜水平下，新骨和h a 植入体在界面上直接接触，其 间无纤维组织存在；h a 植入体一骨界面的结合强度等于甚至超过植入体或骨自身的 结合强度，如果发生断裂，则往往是发生在陶瓷或骨的内部，而不是在界面上； h a 植入体一骨界面的高分辨透射电子显微镜显示，新生骨中盐晶体系由体中晶粒外 延生长形成。羟基磷灰石和骨键接的机制不象生物玻璃那样需要通过在其表面形 成富硅层，进而形成中间键接带以实现键合。致密羟基磷灰石陶瓷植入骨内后， 由成骨细胞在其表面直接分化形成骨基质，产生一个宽为和m 一5 , u m 的无定形电子 密度带，胶原纤维束长入此区域和细胞之间骨盐结晶在这个无定形带中发生。随 着矿化成熟，无定形带缩小至0 0 5 u m 一0 2 z m ，羟基磷灰石植入体和骨的键合就是 通过这个很窄的键接带实现的。 羟基磷灰石的空隙率和多孔性特征都有助于提高其生物相容性。生物骨组织 的多孔结构，使其能够适应一定范围的应力变化，同时多孔组织能够使血液流通， 保证了骨组织的正常生长代谢。多孔材料有利于活性组织长人移植材料内，使植 人材料与宿主组织有更大的接触面及更强的稳定性研究表明，7 5 , u r n 是允许哈佛 氏系统进入h a 的最低限度，孔径小于l o 叩m 骨长入受限，孔径大于2 5 吮m 才有骨单 位长入，开孔率以3 0 5 0 为宜【2 3 1 。将人骨形成发生蛋白加载于孔径为1 0 0 2 0 0 u m 的不同几何形态( 大孔颗粒状，大孔块状，蜂巢状) 的大孔羟基磷灰石陶瓷 中，再植人大鼠体内，在所有这三种羟基磷灰石陶瓷样品中，碱性磷酸酶和骨钙 素在蜂巢状羟基磷灰石陶瓷植入体中的含量是最高的。这些结果显示，具有特殊 几何形的多孔羟基磷灰石陶瓷能够为血管的形成提供结构基础。 人骨成分中h a 的质量分数约6 5 ，人的牙齿釉质中h a 的质量分数则在9 5 以 上。羟基磷灰石主要由钙磷构成，这两种成分都是骨组织常见成分，骨组织钙盐 5 第一章文献综述 是以结晶羟基磷灰石和无定形磷酸钙构成，因而羟基磷灰石种植材料不仅在成分 而且在结构上与人体骨组织磷钙盐一致，所以，耗基磷灰石和骨组织在接触界面 可互相作用，形成化学结合。而绝非医用金属与召组织的机械性嵌连结合。h a 的 表面水化层通过氢键与水相有很好的相容相【2 4 1 。h a 的表面电荷主要是c a 2 + 和 ( 0 h ) 一。这是因为所有定势离子中h a 对这两种离子的吸附能力最强，含有与人体 组织发生键合的( o h ) 一等基团。它的表面与人体组织通过键的结合达到完全的亲合 或部分被人体组织吸收和取代 2 5 】。所以h a 材料所具有的骨传导作用不仅为新骨形 成提供生理支架，并且与组织形成骨性结合。体内实验表明，羟基磷灰石植入后 一周，生成一层含纤维结合蛋白的约6 0 0 a , 的结构，一个月后骨细胞代谢活跃，大 量成骨细胞增殖，新骨开始沉积，三月后新骨不但长入羟基磷灰石颗粒间隙，还 长入颗粒中孔隙，半年后已形成完整的骨结合界面与植入体成为一个整体骨1 2 酣。 羟基磷灰石不抑制细胞生长，一般认为它只具有骨引导作用，而无骨诱生性，但 亦有人认为存在骨诱生性1 2 7 1 羟基磷灰石材料以其优良的生物相容性成为了当今 骨修复与替代材料的热点，同时在牙种植体领域也有广泛的应用 2 3 羟基磷灰石薄膜的制备方法 薄膜的制备过程是将一种材料( 薄膜材料) 转移到另一种材料( 基底) 的表 面，形成和基底牢固结合的薄膜的过程。所以，任何薄膜制备过程都包括：源蒸 发、迁移和凝聚过程。羟基磷灰石薄膜的制备方法很多，目前主要采用的有等离 子喷涂法、溶胶一凝胶法( s o l g e l ) 、电化学方法、仿生溶液生长法和磁控溅射法 等。 2 3 1 等离子聩涂法嘲 等离子喷涂是利用等离子枪产生的直流电弧，将h a 粉料高温加热熔融后高速 喷涂至基体表面形成涂层，其优点是喷涂过程中衬底可以保持相对较低的温度( 通 常低于3 0 0 ) ，不会破坏基体材料的力学性能，但也有明显缺陷。因为等离子喷 涂是一个线性工艺，当粗糙表面喷涂层厚度不均匀时，因h a 与基体的热膨胀系数 不同，在喷涂过程中h a 涂层会产生歼裂，因等离子喷涂涉及高温过程，易使h a 发生分解，导致原材料必须是高纯度的h a 粉末，从而增加了成本 等离子喷涂是目前唯一广泛应用的制备商品化种植体涂层的技术，因为它以 6 第二章文献综述 等离子焰流为热源，利用等离子枪产生的等离子流将粉末加热和加速，在熔融或 接近熔融的状态下喷向基底表面形成涂层。所以喷涂后一般要对涂层进行热处理， 以降低涂层的残余应力，提高结晶度。等离子喷涂可以获得较为适宜的涂层厚度 ( 5 0 1 5 0 t m ) ，及较高的涂层结合强度，适合工业化生产，因此已在人工牙根、髋 关节等上获得了广泛应用。 但近年来的研究表明：随着植入时间的延长，涂层脱落造成种植体失效的事 件逐年增多。涂层失效的因素主要有：( 1 ) 涂层结合强度低，内应力高( 尤其是张 应力) 或应力分布不均匀；( 2 ) 涂层不致密( 气孔率通常 5 ) ，不能有效阻止生理组 织液的渗透；( 3 ) 涂层结构设计不合理，非组成梯度设计的涂层造成涂层内应力突 变，非孔结构梯度设计的涂层则造成涂层与骨组织结合部为一平面，不能形成材 料与骨组织交织的过渡区域。为了改善涂层性能，近年来人们对等离子喷涂h a 复 合涂层进行了大量的研究，一种方法是通过对涂层组成的设计来获得羟基磷灰石 复合涂层 2 9 0 3 1 j ，即把h a 复合粉体( 物理混合或包覆) ，如h a f r i 、h a t i 0 2 。 h a t i d l 4 v 复合粉体等通过等离子喷涂法涂覆在基材表面，第二相粒子的加入可 改善h a 与钛合金基体的界面结合强度而不会降低涂层的生物活性。k h o r 等【3 2 l 研究 了h a y s z 复合涂层，发现加入氧化锆可降低h a 的分解。氧化锆加入量小于等于“ 3 0 w t 时，涂层中存在痕量c a z r 0 3 ；涂层在8 0 0 c 下热处理2 h 后，大多数无定形磷 酸钙、t c p 和t t c p 均转变成h a 晶相，氧化锆从四方晶相转变为立方晶相。另一种方 法是通过对涂层结构的设计来获得h a 复合涂层，如在钛合金与h a 涂层之间再喷涂 了一层z r 0 2 涂层以缓和涂层应力【3 3 】。 2 3 2 溶胶一凝胶法伽 溶胶一凝胶( s o l g e l ) 法是2 0 世纪6 0 年代发展起来的制备玻璃、陶瓷等无 机材料的新工艺。近年来是制备氧化物薄膜广泛采用的方法，此技术一致被认为 是目前重要而且具有前途的薄膜制备方法之一。溶胶一凝胶法是将涂层配料制成 溶胶，使之均匀覆盖于基底的表面，由于溶剂迅速挥发，配料发生缩聚反应而胶 化，再经干燥和热处理，即可获得涂层。采用溶胶一凝胶法制备氧化物薄膜，其 所用的前驱体可以是醇盐也可以是无机盐。利用s 0 1 g e l 技术可以在玻璃、陶瓷、 金属、塑料衬底上制备出不改变衬底性质的薄膜或赋予衬底一种光学、电子、化 学器件应用的新颖特性。s 0 1 g e l 技术和传统的制备薄膜的方法相比而言，它的主 7 第二帝文r 综述 要特点在于容易操f 1 和批量生产，所制备i q 薄膜纯度较高，低温制备工艺，而且 省去了粉体制备过稻。但是，制备的薄膜小够均匀，厚膜容易丌裂。 通过改变热处瑚温度、保温时日j 、以及涂层溶液中的有机添加剂，可以很容 易改变涂层中相的结晶度、相的种类、孔隙的大小等微观特性参数。溶胶一凝胶 法应用于制备生物材料方面，是在近年兴起并得到发展的。与传统的无机材料制 备法相比，溶胶一凝胶法有如下优点：( 1 ) 制备温度低，从而避免了高温分解；( 2 ) 体系中组分的分却是均匀的，可以达到纳水级甚至分子级水平；( 3 ) 材料制备过程 易于控制，产物纯度高。溶胶一凝胶法的缺点是凝胶在烧结过程中有较大的收缩， 涂层易开裂。由于其生产周期长，成本高，适用于实验室小批量生产。目前，溶 胶一凝胶法的一般化学理论已基本建立，但关于其分子问反应的热力学和动力学 理论体系不很完善，对多组分凝胶体系的系统理论研究也淡行得较少溶胶一凝 胶法获得的涂层一般为纯的h a ，结合强度较低。提高涂层结合强度的途径主要有 两个，一是采用混和法i ”l ，即将h a 超细粉体与t i 0 2 溶胶混合，再通过浸渍法涂覆 在基材表面，于4 0 0 6 0 0 c 烧制获得h a t i 0 2 复合涂层；另一途径是引入过渡层【3 6 l ， 在h a 涂层与钛基材之间引入过渡层t i 0 2 或c a t i 0 3 来改善结合强度。 2 3 3 电化学方法州 电化学方法是基于电化学原理，在电场作用下沉积生物陶瓷涂层，常用的有 电沉积技术和电泳沉积技术。电沉积技术是在含有c a 2 + 和( h 2 p 0 4 ) 溶液中，适当调 节p h 值，控制一定的电极电位，在作为阴极的金属基底表面上沉积出磷酸钙类生 物活性陶瓷。电泳沉积技术是将铅作为阳极，金属基底作为阴极，两者保持一定 的距离浸入含有涂层材料成分的乙醇溶液中，通直流电，采用不同的电场强度和 不同的沉积时间可以得到致密或多孔、厚度各异的涂层。电化学方法是在低温 ( 9 0 ) 的涂层，比较稳定，溶解较少；较低的结晶度( 6 0 7 0 ) 则容易发生溶解及降解一般认为，涂层的结晶度与涂层和基体的结合状况 成反比，具有较低结晶度的涂层有着较好的结合力。涂层晶粒越小，涂层与基体 的润湿性越好，涂层与基体的结合性就会越牢固因此，提高涂层植入稳定性的 有效途径，就是适当提高涂层的结晶度和减小涂层晶粒尺寸 2 4 2 钙磷比对薄膜质量的影响 按照分子式计算h a 的c a ：p 理论值为1 6 7 ，但受制造过程的影响，其组成相当 复杂，c a ：p 值发生变化，由于羟基磷灰石的c a ：p 值是一个较重要的参数，将直接 影响它的高温稳定性，从而影响羟基磷灰石的烧结后的成分和力学性能。当c a ：p 1 5 5 时高温稳定性较差，极易分解成a 一磷酸钙当c a ：p = 1 6 7 时，强度会达到最 大值，这是因为c a ：p i 6 7 时，烧结过程中容易 分解产生c a o ，从而影响了烧结试样的致密度，导致材料强度突然降低。 钙磷比间接的反应薄膜中的钙磷基团是否按照标准的比例结合。标准羟基磷灰 石的钙磷比为1 6 7 ，磁控溅射制得的羟基磷灰石薄膜的钙磷比与标准值变化不大。 但由于选择溅射，磷的溅射产额比钙稍大，薄膜又处于非晶相，所以未经热处理 的薄膜钙磷比有一定的下降，经一定温度的热处理后基本恢复到标准的钙磷比。 然而，溅射复合靶材时，当靶材中含有大量更易溅射的原子时，钙的溅射产额将 大大降低，从而导致薄膜的钙磷比有较大降低，影响薄膜的性质。这需要采取特 殊的手段加以改进，如在薄膜中加入一定量的c a o 4 8 1 或对制备后的薄膜采用水蒸 第二章文献综述 汽热处理等。以往的研究侧重于制备c a ：p 比为1 6 7 的理想化学配比纯羟基磷灰石涂 层，但研究发现人体骨组织中的无机物主要是c a ：p 比在1 5 1 1 6 7 的缺钙羟基磷灰 石( d h a ) 和b c a 3 ( p 0 4 ) 2 的混合相。这种相组成的生物陶瓷材料植入人体后与骨的 结合力高于单相h a ，且b c a 3 ( p 0 4 ) 2 在人体液中的降解速度远远大于纯h a 【4 9 1 ，并 在降解过程中留下许多孔洞，更有利于新骨的长入。 2 4 3 热处理对薄膜质量的影响 热处理是影响薄膜质量的重要步骤。制备的薄膜一般为非晶态且存在羟基的 缺失，基片一般需大气条件下的热处理。热处理可恢复羟基并显著提高涂层的晶 化程度，使涂层与基体结合紧密，呈现有利于骨性结合的内部致密、表面多孔的 梯度结构。由于羟基磷灰石在有水分子存在的潮湿气氛中更加稳定，由此近来发 展了水蒸气气氛下的热处理。水蒸气热的加入，使反应向着有利于生成稳定的晶 态羟基磷灰石的方向进行【5 们。因此，薄膜的结晶度和薄膜与基体间的结合强度被 提高了由于制备过程会造成一定的羟基损失，所以在水蒸气条件下进行热处理 不仅可以恢复薄膜的晶态结构，同时能产生羟基基团，使已经分解的羟基磷灰石 在一定程度上重新合成。有研究表明6 0 0 c 左右是获得理想羟基磷灰石薄膜的热处 理温度1 5 ”过低则无法形成理想的晶相，过高则会造成羟基磷灰石的分解。提高 涂层植人稳定性的一条有效途径就是适当提高涂层的结晶度对羟基磷灰石涂层 进行水蒸气处理，可大大降低非晶相向晶相的转变温度，加快其他磷酸钙杂质相 向羟基磷灰石的转变，有效提高涂层的结晶度。 2 4 4 提高薄膜结合强度的方法 好的生物涂层材料不仅要具有足够高的结合强度，还应具有良好的化学稳定 性和适当的厚度，以确保涂层在相当长的时间内不会被溶解和吸收，且其结合强 度也不会产生大的衰变。h a 涂层种植体临床的许用强度为i o m p a 。采用单一的涂 层技术或简单工艺要获得满意的涂层是很困难的。目前，研究者主要是结合多种 制备方法，通过对涂层的组成和结构设计来提高涂层的结合强度和稳定性。 复合薄膜具有单个成分所具有的性能的组合，能够明显的提高薄膜的质量。 人造羟基磷灰石虽然化学组成与生物组织很相似，但其结晶程度和结构稳定性要 比自然骨骼中的羟基磷灰石晶体高，因此植入生物体后长期不易降解，始终作为 1 4 第二章文献综述 一种异质体残留在骨骼缺损组织中。在涂层中掺人少量固溶杂质元素，制备复合 薄膜可以改善材料生物活性和生物降解率。 磁控溅射制备薄膜的一个显著特点就是薄膜的膜基结合强度与其它方法相比 较高，但国内外的研究以单一h a 涂层居多。由于金属基体与涂层间的膨胀系数不 匹配，加热或冷却过程中会产生残余应力，使涂层的附着强度受到一定的限制。 因此，进一步提高涂层的结合强度，确保其在体内的稳定存在，使材料能够满足 l 临床应用的需求是急需解决的问题。 一个有效的方法就是在金属表面制备复合涂层。有研究采用等离子喷涂技术 p 2 j ，在钛合金表面制备了z r 0 2 增强h a 复合涂层，以及有z r 0 2 过渡层的h a 涂层， 结合强度均大于3 0 m p a 。有人将3 0 的y s z 与羟基磷灰石混合球磨，采用等离子喷 涂技术在钛合金表面制备的y s z h a 复合涂层，界面结合强度在4 0 m p a 左右。还有 研究用等离子喷涂制备了h a a 1 2 0 3 ，复合涂层，结合强度从i i m p a 提高到1 2 6 m p a ， 提高不大。用与基体成分相同的粉末来复合h a 涂层是一种较好的办法，有报道【”l + 用高速氧焰法制备了h a t i 6 a 1 4 v 复合涂层，其结合强度可达2 0 m p a 。肖秀峰等【l 用电沉积制备的h a t i 0 2 复合涂层的结合强度达2 1 m p a 有报道用磁控溅射技术， 并结合高温水蒸气处理，在钛合金表面制备t i 0 2 增强的h a 复合生物薄膜工艺，以+ 期改善薄膜与基体的界面结合，提高膜的结晶度，从而为高性能植入材料的制备 开辟一个新途径。所制得的薄膜的结合强度高于2 0 m p a l 5 5 】。另有研究用磁控溅射 技术在医用金属表面制各t s i h a 复合薄膜【5 6 l ，实验表明硅的加入不仅增加了薄膜， 的生物活性，掺杂还增强了生物陶瓷涂层的结构稳定性。 梯度材料是通过两种或两种以上性质不同的材料连续改变其组成、组织和结 构等要素，使其内部界面消失，得到性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料。 研究表明，涂层与基体之间热膨胀系数的不匹配是产生残余应力、降低结合强度 的主要原因。为解决涂层与基体之间存在的宏观界面，使两者的热膨胀系数达到 最佳匹配，设计功能梯度涂层是一种行之有效的方法，包括组成梯度设计和孔结 构梯度设计。组成梯度设计通常是在基体与h a 涂层之间引入中间缓冲层，孔结构 梯度设计一般是通过