（材料加工工程专业论文）钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究.pdf

博士学位论文 摘要 本工作利用高功率c 0 2 激光器，通过激光熔覆技术在t i 6 a 1 4 v 合金表面制 备了梯度生物活性陶瓷涂层，实现了钛合金的生物活化改性处理。通过光学显微 镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 、荧光显微镜、x 射线衍射仪( x r d ) 、电子探针 ( e p m a ) 、同步热分析仪( t g d s c ) 、电感偶合等离子体发射光谱仪( i c p ) 、 显微硬度计等检测手段，主要开展了以下几方面研究： 首先对本试验条件下的激光熔覆工艺参数进行了优化。当固定输出功率 p = 2 5 k w 、光斑尺寸d = 1 5 m m x l m m ，激光熔覆扫描速度为1 2 0 1 6 0 m m m i n 时 方有可能生成h a 。通过显微组织观察及显微硬度测试，结合激光熔覆传热、传 质过程的分析计算，确定本工作条件下的优化工艺参数为：激光输出功率 p = 2 。5 k w ，光斑尺寸d = 1 5 m m x l m m ，扫描速度g = 1 4 0 m m m i n ，a r 气保护。 其次对激光熔覆生物陶瓷复合涂层的组织结构进行了研究。结果表明：涂层 与基材之间实现了牢固的冶金结合；由涂层至基体存在成分梯度，钛含量逐渐减 少，磷、钙含量逐渐增多；涂层由h a 、p t c p 、c a t i 0 3 等多种陶瓷相组成，熔 覆粉末c a p 为1 4 时生物活性陶瓷相的生成能力更佳：凹凸不平的涂层表面除 了具备典型的粒状和短杆状h a 形貌特征外还出现了团絮状、蜂窝状及片状等多 种微观形貌。多种形貌共存的表面使涂层的微观表面积大大增加，为新生骨组织 的生长提供更多的接触面，起到更好的生物固定作用；局部出现的微孔( 熔覆带 中间区域孔径约为1 1 0 1 s m ，两侧约为1 0 0 6 0 0 p m ) 通过组织液的微循环能使宿 主骨长入材料并与之相互嵌插连成一体，对新生骨组织沿着攀附生长十分有利。 本工作还研究了o 2 0 8 w t 稀土氧化物c e 0 2 对梯度复合涂层的影响及其 催化合成机理。利用s e m 、x r d 、t g d s c 和显微硬度等检测手段发现；添加 0 4 0 6 w t c e 0 2 时涂层组织均匀，降低了熔覆层的开裂倾向性，对生成h a 和 d - t c p 等生物活性陶瓷相具有促进作用；添加0 6 w t c e 0 2 激光熔覆涂层中的断 裂韧性值比未添加稀土氧化物试样略有提高接近人体致密骨；涂层中添加 o 6 w t c e 0 2 的残余应力比未添加稀土氧化物涂层中的小；结合反应动力学计 算，提出稀土氧化物c e 0 2 催化生物活性陶瓷相的可能机理：对应生物活性陶瓷 相可能生成的温度范围，添加0 6 w t c e 0 2 体系对应温度范围的反应活化能比未 添加稀土氧化物体系的小，更易使反应物分子热激活成为可以发生有效碰撞的活 化分子，使生物活性陶瓷相能在更大的温度范围内形成，提高h a 和1 3 - t c p 的 高温稳定性，从而促进h a 等生物活性相的生成。 钛合金表面激光熔覆制各生物陶瓷涂层及其生物活性研究 最后，通过模拟体液浸泡和体外细胞培养实验对激光熔覆生物陶瓷复合涂层 的生物活性和细胞相容性进行了测试。模拟体液浸泡实验表明，激光熔覆生物陶 瓷复合涂层具备生物活性。利用s e m 、x r d 、e d x 、i c p 等检测手段发现：随 着在s b f 中浸泡时间的延长，涂层表面团絮状物质不断增多，磷灰石相在其表 面形核并不断长大；表面沉积物以片状为主，还出现了球状、毛绒状及一些密集 生长的细针状等，局部还发现了少量h a 晶须( 直径约0 3 0 8 p m ，长径比约为 1 0 4 0 ) ，这对增强涂层韧性十分有利。该涂层在s b f 中浸泡后磷灰石所对应的 衍射峰明显增强，c a o 对应的衍射峰强度大幅降低，表明该涂层在s b f 溶液中 具有快速诱导磷灰石沉积的能力。而未处理的基材即使在s b f 中浸泡1 4 天后， 其表面仍未生成磷灰石相的沉积物，只有残留的浸泡痕迹及生长的盐类沉积物。 体外细胞培养实验表明，随细胞培养时间( 2 d 、4 d 、6 d ) 的延长，激光熔覆 生物陶瓷涂层表面的细胞增殖呈现上升趋势，而且其成骨细胞增殖数量比未处理 的基材及培养板对照组高，细胞生长更为旺盛，细胞毒性评级为0 级( 无毒) 。 s e m 观察发现细胞很好地铺展于涂层表面，紧密贴壁，呈长梭形，形态完整饱 满，伪足往外伸展明显；荧光显微镜观察发现活细胞在涂层表面存活完好且成长 旺盛。这表明该涂层能够很好的被成骨细胞所接受，具有良好的细胞相容性。 关键词：激光熔覆；生物陶瓷；复合涂层；生物活性 i i a b s t r a c t b a s e do nh i 曲p o w e rc 0 2l a s e r , t h eb i o a c t i v em o d i f i e d t r e a t m e n to f r i - 。6 a i 。4 v a l l o yw a sr e a l i z e d t h eg r a d i e n t b i 。a e t i v ec e r a m i ec 。a t i n gw a sf a b r i c a t e do n t h e s u r f a c e 。ft i - 6 a 1 4 v a l l o yb y l a s e r c l a d d i n g t h e c o m p 0 豇钯叭n 三二 i n v e s t i g a t e d b y0 p t i c a l m i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n g e l e c t r 。n m l c r o s c o p e q e m j n u o r e s c e n 衙o s c 咿一乞竺专篓答= = o 踟n 砸p r o m b e e 。叫m l c r o a n 。a l y s i s ， ( e p m a ) ，t h e r m a lg r a v i m e t r y a n dd i f f e r e n t i a l s c a n n l n g c a 旧n k u 川“= ： i n d u c t i v 。e l yc o u p l e dp 1 a s m ao c p ) a n d m i c r 。h a r d n e s s ( h v ) i n s t r u m e n t a t i o n 1 h e f i r s t l y ，t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o fl a s e fc l a d d i n gw e r eo p n m l z e d ：。h e e x p e r i m e a lc 。n d i t i 。n i nt h e c 。n d i t i 。n 。fl a s e ro u t p u tp 。w e r2 5 k wa n d1 a s e rb e ，m s i ：e15 m m 1m m ，t h eh y d r 。x y a p a t i t ec 。u l db ep r 。b a b l y 如r m e d a t1 a s e r l s c a n n l n 三 s p e e do f12 0 。1 6 0 m m m i n b a s e do nm i c r 。s t r u c t u r eo b s e r v a t i 。n ，m i c r 。h a r d n e s s a n d a n a l y t i c a l c a l c u l a t i 。n sa b o u t h e a t r a t m r a e n t s e m r s i s 。s f i o l n a s e a r n c d l a m d d a i s n s gw t r a e n r e s f a e s r f o d u l l r 。i w n g s ：l l a a s s e e r r c l a d d i n g ，t h eo p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s 0 1 1 a s 够。1 n u “b ”。 ：u t p u tp o w e r2 5 k w ，l a s e r s c a n n i n gs p e e d 14 0 m m m m a 以h 山跚瓢笳 s e c o n d l y ， t h em i c r o s t r u c t u r e o fl a s e r - c l a d d e d c o m p o s i t e c o a t 登s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h ec 。a t i n gw a sm e t a l l u r g i c a l l yb 。n d e d t 。t h e t i t a n i u m a 1 1 。ys u b s t r a t eb yt h ea c t i 。n 。fl a s e r g 豫d i e n t c o m p o n e n tw a s v a ，r i e dl f r o m ， c o a t i n gt 0 s u b s t r a t e t h ec 。n t e n t 。ft i t a n i u m w a s g r a d u a l l y d e c r e a s ，e d a n dt h e c a l c i u 二a n dp h o s p h 。r u sw e r e g r a d u a l l yi n c r e a s e d t h “a s e r - c m 如d c o m p o s i t e c 。a t i n g c 。n t a i n e d s a u n c d hc b a i 】o c a i c u t m i v e t i t p a h n a a t s e e s ( c a a s t i h 。y 3 d ) r o x y a p a t i t e ( h a 一) , 一1 3 r - t r l i ：e a 1 c i + u ：、m ，。 p h o s p h a t e ( 1 3 - t c p ) a n 扎8 1 d 哪n 协= r 鬟嬲, i e t c w l a s b h ee t t a v e r t l l l t h a n y 0 1 0 t h u i u 矾痂l lv c e r a m i cp h a s e sf o r m a t i o nw i t hc l a dp o w d 盯so f 吼省1 一m 洲吼“一“一：一儿 b e s i d e sg r a n u l a ra n dr 。d - l i k em 。r p h o l 。g y 。f t h ec l a s s i c a lh a m ：p h 0 1 。g y t h ： m 。r p h 。1 0 。g y 。ff l o c e u l e n t ，h 。n e y c 。m b a n dm i c r 。p 。r e e x i s t e d o n t h cs u r f a c eo i f c 。二。s i r ec 训n g t h ea p p e a r a n c e s o f m u l t i f o r m m o r p h o l o g 沁s o n t h e c o a t i n gm a d e t h e 二e a s 。fc 。a t i n ge x t r e m e l yi n c r e a s e d a n d m o r ec 。n t a c ta r c aw a s p r o v i d e d f o ，、r t h e g r o w t ha n d b i 。n x 舭n 。f n e wb o n e t i s s u c t h ep o r c s ( a p e n u r c ：c 1 a db e n4 _ 驾； c l a de d g e3 0 8 0 弘m ) e x i s t e di nl 。c a lz o n em a d e t h eh 。s tb 。n eg r 。wi n t om a t e n a l sb y u i t h em i c r o c i r c u l a t i o no ft i s s u ef l u i da n dc o m b i n e dt o g e t h e rw i t hc h i m e r i s m t h e s e m a yb ei nf a v o ro ft h eo s s e o u st i s s u et og r o w a l o n g t h i r d l y ，t h ee f f e c to f0 2 - 0 8 w t r a r ee a r t ho x i d ec e 0 2o nl a s e r - e l a d d e d b l o a c t l v ec e r a m i cc o a t i n ga n dt h em e c h a n i s mw a sa l s oi n v e s t i g a t e db ys e m ，x r d t g d s ca n dm i c r o h a r d n e s s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo f c o a t i n g o f0 4 0 6w t r a r ee a r t ho x i d ec e 0 2w a sh o m o g e n e o u s m o r e o v e r ，t h ea d d i t i o no f 0 4 0 6w t c e 0 2c o u l dr e d u c et h et e a r i n gt e n d e n c ya n d a c c e l e r a t et h ef o m a t i o n o fh aa n di b - 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s h a p e dm o r p h o l o g i e s t h ec e l lp a s t e dt h ew a l lc l o s e l y a n dt h em o r p h o l o g y w a sc o m p l e t ea n df u l la n dt h ep s e u d o p o do b v i o u s l ys p r e a dt oo u t w a r d t h es t a t eo f v i a b l ec e l lw a so b s e r v e db yf l u o r e s c e n c em i c r o s c o p e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e v i a b l ec e l lc o m m e n d a b l ys p r e a do nt h eb i o c e r a m i cc o a t i n g ，k e e p i n gt h e i rh e a l t h y s p i n d l e s h a p e dm o r p h o l o g i e s f u r t h e r m o r e ，t h es e mm o r p h o l o g yw a sc o r r e s p o n d i n g t ot h em t tc o l o r i m e t r yr e s u l t so fc e l lp r o l i f e r a t i o nc o u n t t h ec o a t i n gw a sf i n e a c c e p t e db yo s t e o b l a s ta n dh a dw e l le e l lb i o c o m p a t i b i l i t y k e y w o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；b i o c e r a m i c ；c o m p o s i t ec o a t i n g ；b i o a c t i v i t y v 钛合金表面激光熔覆制各生物陶瓷涂层及其生物活性研究 插图索引 图1 1 长骨构造示意图3 图1 2 骨缺损的愈合过程5 图1 3 羟基磷灰石晶体单位晶胞及其生长示意图1 0 图1 - 4 功能梯度材料与传统复合材料组织变化及性能参数分布1 3 图1 5 等离子喷涂示意图1 5 图1 - 6 激光熔覆添料方式示意图一1 8 图2 1 本工作技术路线2 2 图3 - l 激光器基本结构及积分镜示意图2 7 图3 2 涂层的梯度成分设计示意图2 9 图3 3 激光熔覆过程示意图3 0 图3 - 4 涂层与基体结合界面处的微观形貌3 2 图3 5 熔覆层截面显微硬度分布3 4 图3 - 6 试样不同加热时间对应的温度分布3 7 图3 7 预置涂层中钙的一维扩散模型3 9 图4 1 激光熔覆复合涂层截面外观4 4 图4 2 温度梯度g 和凝固速度r 对凝固组织形貌的影响4 4 图4 3 激光熔覆复合涂层截面的整体形貌4 5 图4 4 激光熔覆生物陶瓷涂层不同区域显微组织形貌4 5 图4 5 复合涂层近表层位置的显微组织形貌4 7 图4 - 6 熔覆层中树枝晶的主要元素面分布4 7 图4 7 复合涂层中过渡区域的显微组织形貌4 7 图4 8 熔池边缘固液界面上的形核机制4 8 图4 - 9 生物陶瓷复合涂层表面形貌5 0 图4 1 0 生物陶瓷复合涂层表面的微孑l 形貌5 l 图4 1 1 梯度钛植入体力学及生物性能示意图5 2 图4 1 2 复合涂层截面显微组织形貌5 3 图4 1 3 涂层与过渡层结合界面一5 3 图4 1 4 熔覆层截面次表面层与过渡层之间的主要元素面分布5 3 图4 1 5 涂层与基体结合界面区域的元素面分布5 4 图4 1 6 激光熔覆不同梯度层的x 射线衍射图谱5 5 图4 1 7 不同钙磷比激光熔覆涂层的x 射线衍射图谱5 6 v i 博士学位论文 图4 1 8 激光熔覆复合涂层局部表面形貌5 7 图4 1 9 高温熔池中的微观结构演变5 7 图4 2 0 激光熔覆过程中磷酸钙陶瓷相的形成机理示意图5 8 图5 1 未添加稀土氧化物激光熔覆层表面形貌6 2 图5 2 添加稀土氧化物c e 0 2 的激光熔覆层表面形貌6 3 图5 3 对应图5 2 a 中a 、b 区e d x 分析6 3 图5 4 未添加稀土氧化物时熔覆层截面形貌6 4 图5 5 添加不同含量稀土氧化物时熔覆层截面形貌6 5 图5 - 6 不同含量c e 0 2 激光熔覆层的x r d 图谱6 6 图5 7 显微硬度测试压痕及对应区域显微组织形貌6 7 图5 8 复合涂层的显微硬度分布曲线6 8 图5 - 9 显微硬度压痕处裂纹形貌6 8 图5 1 0 显微硬度压痕形貌及压痕面积示意图7 0 图5 1l 激光熔覆涂层截面的残余应力分布曲线7 0 图5 1 2 未添加稀土氧化物配方的t g d s c 曲线7 2 图5 1 3 添加c e 0 2 配方的t g d s c 曲线。7 3 图5 1 4 添加y 2 0 3 配方的t g d s c 曲线7 3 图5 15 未添加稀土氧化物配方不同升温速率下的d s c 曲线7 5 图5 1 6 添加不同稀土氧化物配方不同升温速率下的d s c 曲线。7 6 图5 1 7l i l i t 2j ( 1 r ) 关系曲线及其拟合直线图7 7 图6 1 添加c e 0 2 试样在s b f 中浸泡7 天后的表面形貌8 4 图6 2 未添加c e 0 2 激光熔覆试样在s b f 中浸泡7 天后的s e m 图8 4 图6 3 未处理基材在s b f 中浸泡7 天后的表面形貌8 4 图6 4 添加c e 0 2 涂层在s b f 中浸泡1 4 天后的典型表面形貌。8 5 图6 5 生物活性玻璃陶瓷在s b f 中浸泡后表面磷灰石形貌( t k o k u b o ) 8 6 图6 6 添加c e 0 2 涂层在s b f 中浸泡1 4 天后的其它表面形貌8 7 图6 7 添加c e 0 2 涂层在s b f 中浸泡1 4 天后出现的晶须形貌8 7 图6 8 未添加c e 0 2 试样在s b f 中浸泡1 4 天后的表面形貌8 8 图6 9 基体在s b f 中浸泡1 4 天后的表面形貌8 8 图6 10 模拟体液中离子浓度与浸泡时间关系8 9 图6 1 ls b f 浸泡前后激光熔覆生物陶瓷涂层表面的x r d 图谱9 0 图6 1 2 不同培养时间m t t 比色法测定的o d 值变化9 2 图6 13 激光熔覆生物陶瓷涂层表面细胞生长形貌9 4 图6 1 4 未处理基材表面细胞生长形貌9 4 图6 1 5 试样表面的活细胞宏观生长形态9 5 v i i 钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究 图6 1 6 金属植入物表面分子水平的反应9 6 图6 1 7h a 在s b f 中类骨磷灰石的形成过程示意图9 6 v i i i 博士学位论文 插表索引 表1 1 羟基磷灰石与骨、牙力学性能参数比较l o 表2 1t i 6 a i 4 v 合金的化学成分( w t ) 2 3 表2 2 模拟体液( c s b f ) 和人体血浆的离子浓度( m m ) 2 4 表2 3 配制1 0 0 0 m lc s b f 试剂及配方。2 5 表3 1 熔覆粉末梯度成分设计方案2 8 表3 2 不同钙磷比下c a h p 0 4 2 h 2 0 和c a c 0 3 的含量2 9 表3 3 激光熔覆工艺参数3 l 表3 4 扫描速度与熔深及熔宽的关系3 3 表3 5 不同温度下扩散系数d 的计算值4 0 表5 1 稀土元素铈和钇的性质一6 1 表5 2 生物陶瓷复合涂层断裂韧性计算结果6 9 表5 3c a h p 0 4 2 h 2 0 c a c 0 3 体系各温度点动力学参数。7 8 表5 4c a h p 0 4 2 h 2 0 c a c 0 3 0 6w t c e 0 2 体系各温度点动力学参数7 8 表5 5c a h p 0 4 2 h 2 0 c a c 0 3 0 6w t y 2 0 3 体系各温度点动力学参数7 9 表6 1 细胞毒性评级标准9 2 i x 钛合金表面激光熔覆制各生物陶瓷涂层及其生物活性研究 缩略语中英文对照 x 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 帮芬眨 日期：臃亿月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 鄞级 1日期：臃2 - 月尹日 日期：x 一年，y 月a 一日 博上学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 生物材料学( b i o m a t e r i a l ss c i e n c e ) 属于生命科学与材料科学的交叉前沿领 域，涉及材料、医学、物理、生物、化学等诸多学科。生物材料( b i o m a t e r i a l s ) 通常包括两种定义【1 。3 】：一是天然生物材料( n a t u r a lb i o l o g i c a lm a t e r i a l s ) ，即由 生物过程形成的材料，如胶原纤维、蚕丝等结构蛋白，骨、牙、贝壳等生物矿物 以及木材、竹等复合纤维；另一种是生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) ，即与 生物系统相结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。 但随着医用材料及组织工程的发展，两种生物材料有着越来越多的重叠，因而生 物材料的定义也逐渐扩大。1 9 9 7 年，美国s i s t u p p 教授在s c i e n c e 上发表的 论文中将生物材料定义为“b i o m a t e r i a l sa r ed e f i n e dh e r ea se i t h e rn a t u r a l l y o c c u r r i n gm a t e r i a l si nl i v i n go r g a n i s m so rm a t e r i a l sd e s i g n e dt or e p a i rh u m a n s 4 j ， 即活组织中的天然材料以及用于修复人体的材料。 随着现代工业、交通、体育等事业的不断发展，加之自然灾害和局部战争的 频繁发生，骨作为人体的主要承载部件在各种意外事故中极易受到损伤。此外， 由于先天或后天畸形、感染及肿瘤切除等疾病原因所造成的骨病变在临床中也十 分常见【5 ，6 1 。据统计【7 1 ，2 0 0 1 年全球骨科修复器材的年销售额达到1 4 7 亿美元， 约占世界医疗器械产业年销售额的十分之一，且年增长率高达2 6 。2 0 0 0 年我 国人工关节替换年需求增长率高达3 0 ，远高于美国同期的4 。尽管如此， 1 9 9 6 2 0 0 1 年期间，我国骨组织替代材料和制品所占世界市场份额仍不足1 5 ， 其广阔的发展空间是不言而喻的。 修复受损的骨组织、避免临床中时常发生的骨延迟愈合甚至不愈合，对保障 发生意外人群的健康、提高生活质量、延长寿命具有十分重要的意义。现代医学 中，对骨缺损的修复方法主要依靠自体骨移植( a u t o g r a f t i n g ) 、异体骨移植及人 工合成替代材料。新鲜的自体骨成骨潜能大，能提供活细胞并通过骨形成、骨传 导和骨诱导的机制促进骨再生，被认为是修复骨缺损的理想材料，常以髂嵴、胫 骨前内侧面和腓骨中段作为其供骨区。但由于供体有限，且对供骨部位有损伤， 自身取材造成患者额外的手术痛苦，同时增加潜在感染机会，易引起并发症，因 而自体骨移植在临床实践中存在难以克服的局限性；异体骨移植又分为人作为供 体的同种异体骨移植( a l l o g r a f t i n g ) 和动物作为供体的异种移植( h e t e r o g r a f t ) 。 钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究 异体骨移植虽然具有传导成骨的作用，但由于基因差异等原因可能引起剧烈的免 疫排异反应及交叉传染等危险【l0 1 。因此，随着生物医学和材料科学的发展，人 工合成替代材料的研究受到广泛关注。目前，人工合成替代材料主要有医用金属 材料、生物陶瓷、聚合物和复合材料等。 迄今为止，用于骨组织修复和替换的材料仍然首推金属及其合金，如不锈钢、 钛及钛合金、钻铬钼合金及钴铬合金等。但由于骨与植入体内金属医用材料之间 的弹性模量存在较大差异( 致密骨：3 9 1 1 7 g p a ，t i 6 a i 4 v ：1 1 0 g p a ) ，弹性 模量的不匹配易使金属材料在体内产生应力遮挡，造成植入体的失效【3 , 1 1 , 1 2 。同 时，由于金属医用材料缺乏生物活性，与骨组织之间的结合只是一种机械嵌联， 植入人体后不能与周围骨组织形成牢固的化学键合，从而导致植入材料与人骨之 间接触面上存在微动，甚至发生脱落，从而影响了植入的安全性。 随着人们对生物材料质量和安全性要求的提高，生物陶瓷材料成为生物材料 的一个重要研究领域。根据生物陶瓷材料在生理环境的化学活性可分为生物惰性 陶瓷、生物活性陶瓷和可降解生物陶瓷。生物活性陶瓷化学性能稳定，具有良好 的生物活性和生物相容性，植入人体后对组织无刺激和排斥作用，能与骨形成很 强的化学结合，为新骨的形成提供支架，发挥骨传导作用。但由于其力学性能指 标低于人体致密骨，尤其是韧性较差( 致密h a 断裂韧性k i c 约为0 7 0 1 3 0 m p a m l ，2 ，仅为钛合金的1 4 0 1 7 0 ；人体致密骨断裂韧性约为2 2 4 。6 m p a m 2 ) 3 , 7 , 1 3 】，因此极大地限制了其在人体承重部位的应用。 可见，单一的金属材料或生物陶瓷材料无法满足生物体内长期硬组织替换的 要求，正在向多种材料复合、性能互补的方向发展，复合材料的开发和应用成为 骨组织替代材料研究必然的发展趋势。目前，通过各种表面工程技术对金属医用 生物材料进行生物活化改性处理，获得力学性能优异、生物活性和生物相容性良 好、无毒副作用的生物医用复合材料，被认为是开发新型生物陶瓷涂层材料的有 效途径之一，成为生物医学工程领域一个十分重要的研究方向。 本工作利用高功率c 0 2 激光器，运用梯度成分设计拟在钛合金表面制备生 物活性陶瓷复合涂层。通过激光熔覆对钛合金表面进行生物活化改性处理，在保 持基体所具备优异力学性能的同时，更重要的是赋予材料生物活性，即可使新生 的骨直接沉积并结合到金属表面，与骨形成骨性结合，从而延长种植体的使用寿 命。该课题的研究拟在钛合金表面获得生物活性陶瓷涂层，同时其组织结构及生 物活性等方面的研究为i 豳床应用提供了科学理论依据，具有重要的学术价值及广 阔的应用前景。 2 12 硬组织替换生物材料 121 硬组织的生理学特征及物理性质 人体组织根据其机械性能分为硬组织、软组织和弹性组织，硬组织往往指骨 和牙齿1 。运动系统( 1 0 c o m o t o rs y s t e m ) 由骨、骨连结和肌肉三部分组成，约 占人体质量的6 0 7 0 。运动是由肌肉收缩乖引骨骼而产生的。在运动过秤中， 骨足运动的杠杆，骨连结是运动的枢纽， 的支架，称骨骼。肌肉附着于骨的表面 的器官和进行杠朴运动等功能i 。骨是 肌是运动的动力。骨和骨连结构成人体 与骨骼共同完成支持人体、保护体腔内 l 矿物质和骨组织构成的活性组织。从 骨的结构卜看，骨是由尺寸小于l o o n m 的磷酸钙盐晶体弥散分布在胶原蛋白咀 及其他生物聚合物中构成的连续多相复合体。骨组织由细胞、脂肪、天然聚合物 ( 例如多糖、骨胶原、聚磷酸