（材料学专业论文）钛合金种植体表面生物活性陶瓷涂层研究.pdf

摘要 摘要 钛基羟基磷灰石( h a ) 材料具有良好的综合性能和生物相容性，是当今生 物医用材料研究的热点。本论文利用微弧氧化技术，采用自制的微弧氧化装置， 在钛材表面制备了含钙、磷的生物活性陶瓷涂层，研究了不同工艺参数对涂层的 影响；对其进行了生物相容性的初步研究；利用人体模拟体液( s b f ) 对该涂层 进行了培养实验，探讨了其表谣生成h a 的沉积机理与成长过程。 本论文研究了在含有磷酸根的铵盐分别与磷酸钙、碳酸钙、醋酸钙形成的电 解液中，通过微弧氧化技术在钛材表面制备了含钙磷的活性涂层。实验结果表 明，该涂层是一种多孔状、与基体结合牢固、具有陶瓷特性的混合物；电解 液配方是影响涂层组织和成分的主要因素，电解液中钙盐为醋酸钙时涂层的含 钙量最高；微弧氧化的其它工艺参数如电解液温度、微弧氧化时间、电流和电 压的大小对涂层有不同程度的影响。在目前实验条件下，电解液中钙、磷摩尔 比为9 1 5 之间、电解液温度为3 0 5 0 、微弧氧化时间在8 0 分钟以内、电流 密度在1 o 锄2 以内、电压7 0 1 5 0 v 时可得到表面形貌与基体结合力最佳的涂 层。 生物相容性是生物医学材料的重要评价指标之一。本论文对微弧氧化的涂层 采用急性溶血试验和体外细胞毒性试验进行了生物相容性的初步评价。实验结果 表明，该材料的急性溶血率为2 0 3 ，细胞毒性为1 级，初步检验合格，能满足 临床应用材料的生物相容性要求。 模拟体液培养实验是检测材料生物活性最基本的实验方法。本论文通过 s e m 、e d s 和等检测方法对微弧氧化涂层在模拟体液中培养后形成含h a 的涂层进行了研究。模拟体液培养结果表明，采用微弧氧化技术在钛材表面制备 的涂层，可以通过模拟体液培养获得h a ，该涂层表面的钙磷含量较培养前都有 所提高。h a 优先在一些有缺陷的位置如裂纹、孔洞中形核长大：模拟体液培养 形成的h a 衍射峰较宽，h a 的结晶度低；涂层表面首先形成球状或颗粒状h a 晶体，然后进一步长大成团聚状或棒状的h a 晶体。 关键词钛；羟基磷灰石( h a ) ；微弧氧化；生物相容性；模拟体液培养 a b s t r a c t w i t l lf 打。珀b l ec o m b i n a t i o np r o p e r t ya l l db i o c o m p a t i b i l i t y ，h y d r o x y a p a t i t eo n t i t a n i u ms “b s 仃a t ei sm eh o t s p o ti nt l l e 册g eo fb i o m a t e r i a lr e s e a r c 舡b 昭e do n m i c r o - a r co x i d a t i o nt e c h n o l o g y ，m e c o a t i n go fb i o c 留如1 i c t h a ti th a sc a l c i u m p h o s p h a t ec o m p o u n dw a sf 曲r i c a t 酣o nm es u r f h c eo ft i t a i l i u ma l l o ys u b s 心a t ew i t h t 1 1 ef a d l 时o fm i c m - a r co x i d a t i o n 脚eb yo 啪d v e s n ei n f l u e i l c et om ep r o p e r t y o f c o a t i n g 惭md i 骶删吐 p r o c e s s i n gp a 删n e t e r s w 鹪 i n v e s t i g a t c d ， 趾di t s b i o c o m p a t i b i l i t yw 勰p r e l i m i n a r ys n l d i c d e x p c r i m e to fm ec o a t i n gi m m e r s i o ni n s i m u l a t e db o d yn u i d ( s b f ) w a sp m c e s s e d ，a l l ds e d i m e i l t a t i o nm e c h 姐i s m 髓dg r o w m p m c e s so ns u r f k eo f t h ec o a t i n gw e r ed i s c u s s e d t h eb i o c e r 锄i cc oa _ d n gt h a ti th 船c d l d u mp h o s p h a t ec o m p o m l dw 踞f 曲r i c a t e d o nt i t a i l i u m a l l o ys u b s t r a t et h r o u 班m i c r o 盯co ) 【i d a t i o nt e c h n 0 1 0 9 如w h i c hm e e l e c 仃o l y t ew e r ec o m p o s e do fp h o s p h a t i c 锄m o n i as a l ta n dc a 3 ( p 0 4 ) 、c a c 0 3 、 ( c h 3 c o o h ) c a h 2 0i n d i v i d 砌1y nw 船s h o w n 舶me x p 甜m e n tt 1 1 a tm ec o a t i n gw a s t l l ec 盯锄i ci n t e n t l i x t t l r ew h i d hw a sp o r o i l sa n df i m l l yc o m b i i l e dw i t ht l l et “锄i u m s u b s 仃a t e t h ei n g r e d i e n to f l ec o a t i n gw a s m a i 工l l yd e t 锄i n e db ym ed i r e c t i o o f m e e l e c t r o l ”ea n dm ec a l d u mc o n t e mo fm ec o a t i n gw 髂m o r e 、h e n 廿l e ( c h 3 c o o h ) c a h 2 0w a se l e c t e da st h a l lo 也e r sd i d 1 1 1 eo m e rp r o c e s s i n gp a r 锄e t e r s ，s u c h 嬲 t c i i l p e m t w eo fe l e c 咖l y t c ，d i s c h 鹕et i l i i e a i l dtd s i t ya n dv o l t a g eo f m i c r 0 - a r co x i d a t i o n ，w e 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i o a c t i v em a f e f i a l s ) 是类能诱发或调节生物活性的生物医 学材料，或是在材料界面上诱导出特殊生物反应的材料，这种反应导致组织和材 料之间形成键接。一些生物医用高分子材料，如天然高分子材料，合成的多肽、 仿酶、仿核酸和一些可降解的合成高分子材料，都被视为生物活性材料。生物惰 性材料( b i o i n e r tm a t e r i a l s ) 是指一类在生物环境巾能保持稳定，不发生或仅发生微 弱化学反应的生物医学材料。氧化物陶瓷、医用碳素材料及大多数的医用金属材 料都是生物惰性材料】。 生物材料的应用起步很早。早在公元前5 0 0 0 年就已经用人工牙植入口腔颚 骨来修复失牙。到f 九世纪中叶，金属材料开始在医学临床上应用，主要用于对 人体某些组织和器官的加固、修复和替代，它包括医用不锈钢、医用钴合金、钛 合金、形状记忆合金、钽铌锆合金以及医用磁性合金等，具有良好的力学性能、 较好的生物相容性和耐蚀性。目前，金属材料在畸齿整形、脊柱矫形、断骨接合、 颅骨修补、心血管支撑等方面有着广泛的应用。然而，金属材料属于生物惰性材 料，植入人体后，与人体组织不发生亲和性的化学反应，始终作为宿主的异体存 在，容易产生松动、变形。更有甚者，由于大多数金属材料的抗腐蚀性能较差， 在长期的体液作用下，材料表面的金属离子向机体游离扩散，刺激周围组织发炎， 甚至坏死，最终导致种植失败。不仅如此，反应物进入血液中还会经循环系统造 成全身中毒，有可能导致畸变、致癌等。这些问题至今仍未很好解决。如何进一 步改善植入材料的生物相容性、抗腐蚀能力，增强其与活体组织的结合力，提高 安全使用性仍是金属生物材料推广应用的主要问题。出于植入材料和人体的相互 作用仅在表面的几个原子层处，故表面改性技术应运而生。通过对金属材料的表 作用仅在表面的几个原子层处，故表面改性技术应运而生。通过对金属材料的表 北京工业大学工学硕士学位论文 面改性可以有效地改善各种性能，使基体的金属特性与基体的表层生物活性更好 地结合起来，为金属生物材料的应用打下良好的基础。其中物理化学方法是目前 应用最广的方法 。 二十世纪五十、六十年代，随聚合物化学科学的发展，新型的生物医学高分 子材料迅速发展起来，目前已被广泛用于人体各种组织的修复与置换，例如韧带、 肌腱、皮肤、血管、人工器官、骨、牙等人体软硬组织。高分子材料的主要特点 是韧性、弹性好，容易加工成形，缺点是抗腐蚀、抗老化性能较差，且由于高纯 聚合物的制备十分困难，植入人体的材料常有单体释放和其它降解产物生成。有 可能会导致毒性或致癌反应【6 】。 七十年代中期，生物陶瓷崭露头角。生物陶瓷的研究始于生物惰性的氧化物 材料，如氧化铝、氧化锆陶瓷。这一类材料强度和硬度较高，耐磨性、化学稳定 性和耐腐蚀性能较其它类型的材料好，还具有优良的生物相容性，主要用于制备 人工关节及其它植骨材料，但韧性较差。生物活性羟基磷灰石材料的出现引起人 们极大的关注。它的化学成分与人体硬组织的无机质成分极为相近。已经进行的 研究表明，人体骨的矿物相为羟基磷灰石，约占骨组织的7 5 左右，成熟骨的主 要部分由羟基磷灰石晶体紧密地嵌入胶原基体中构成。人们已经用人工方法制出 了各种活组织，但是对于绝大多数硬组织损坏的治疗方法，目前还只能用传统的 金属、陶瓷、有机高分子材料来植入替代。在这种情况下，与人体硬组织成分类 似的羟基磷灰石材料显然具有无可比拟的优势【鲫l 。 八十年代后，人类开始将生物技术应用于研制生物材料，在材料结构及功能 设计中引入了生物支架活性细胞，利用生物要素和功能去构建所希望的材 料，从而提出了组织工程的概念。标志着医学将走出组织器官移植的范畴，步入 到制造组织和器官的新时代。大力研究和开发新一代生物医用材料生物相容 性良好并可被人体逐步降解吸收的生物材料，是二十一世纪生物医用材料发展的 重要方向。 1 2 生物相容性 1 2 1 生物相容性的概念 生物相容性是生物医用材料研究设计中首先考虑的重要问题。生物医用材料 第l 章绪论 是用于医疗的能植入生物体或能与生物组织相结合的材料，因此它的存在环境为 生物环境，而生物环境是非常复杂的环境系统，不同植入部位具有不同的成分、 温度、p h 值、电势等。特别是生物内部环境具有极强的腐蚀性，既有高度的化 学活性，又存在极其多样化的符合机械应力，同时生物环境具有稳定性，由于材 料的介入而造成环境偏差会引起复原反应。这就要求材料有很强的适应性。 生物相容性就是生物医用材料与生物体之间相互作用产生各种复杂的生物、 物理、化学反应的一种概念。材料与活体系统相互作用可分为两个方面：一是材 料反应，即活体系统对材料的作用，包括生物环境对材料的腐蚀、降解、磨损、 和性质退化，甚至破坏。第二个反应是宿主反应，即材料对活体系统的作用。包 括局部和全身反应，如炎症、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。 1 2 2 生物相容性的分类及评价 生物医用材料的生物相容性按材料接触人体部位不同一般分为两类：血液相 容性和组织相容性，两者相互关联又有所区别。植入材料在人体中大多数情况既 要与组织接触又要与血液直接接触，因此两类相容性都要考虑。但是若材料用于 心血管系统与血液直接接触，则应主要考察材料的血液相容性，若与心血管系统 外的组织和器官接触，则应主要考察材料的组织相容性。 血液相容性涉及材料表面与血液各种成分相互作用的问题，材料和血液之间 发生的反应主要表现为：材料表面出现血浆蛋白被吸附，血小板被粘附、聚集、 变形，凝血系统、纤溶系统被激活，最终形成血栓。 组织相容性要求材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。当医用 材料与装置植入体内某一部位时，局部组织对异物的反应属于一种机体防御性对 答反应，植入物体周围组织将出现白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞聚集，发生不同 程度的急性炎症。当材料有毒性物质渗出时，局部炎症不断加剧，严重时出现组 织坏死。长期存在植入物时，材料被淋巴细胞、成纤维细胞和较远细胞包裹，形 成纤维型包膜囊，使正常材料和组织隔开。若出现慢性炎症，材料周围的胞囊壁 增厚，则会逐步出现肉牙肿或发生癌变。 生物材料在研究和生产时，必须通过生物学评价，以确保安全。1 9 9 2 年国 际标准化组织( i s o ) 正式公布了医疗装置生物学评价系列国际标准 北京工业大学工学硕士学位论文 i s 0 1 0 9 9 3 1 1 9 9 2 至i s 0 1 0 9 9 3 1 2 1 9 9 2 十二个部分标准。我国在1 9 9 7 年颁布了自 己的生物学评价标准g b 厂r 1 6 8 8 6 1 1 9 9 7 。不同用途的生物医用材料和医疗器械的 生物学评价项目的内容和水平都不相同。 1 3 牙种植体材料的研究现状 1 3 1 牙种植体材料的历史 在口腔医学的历史中，以采用材料修复的历史最古老。从使用的材料性质 来看，经历了从天然物质、金属、陶瓷、高分子和复合材料的综合发展过程。从 公元前的古埃及、古罗马和古代中国的古墓中，已发现采用石头替代失牙修复的 实例，之后又采用木质、象牙作为牙的修复材料，但采用天然材料进行原始的修 复方法，经历了漫长的时期。1 8 7 8 年，在临床出现了金属桩冠修复和铱金属制 作牙种植体修复，开创了口腔植入材料的先例。1 9 3 0 年钴铬合金的出现和1 9 3 1 年醋酸纤维素引入口腔医学，扩大了修复的种类。特别是1 9 3 7 年采用甲基丙稀 酸甲酯作义齿基托，使口腔修复工艺大大简化，修复技术与效果明显提高。1 9 4 0 年发明钛及钛合金，1 9 6 0 年氧化铝陶瓷和聚羟酸水门汀问世，以及1 9 7 1 年的玻 璃离子水门汀的应用，将口腔临床修复推向一个崭新的阶段。1 9 7 3 年的生物玻 璃陶瓷和1 9 7 8 年的羟基磷灰石陶瓷作为植入体成功应用于临床后，丰富了牙种 植体材料的发展。在2 0 世纪9 0 年代中期，植入体材料的精细化和功能化大大促 进了口腔生物材料的研究与应用发展。近年来，新的高强度口腔陶瓷材料、新型 复合树脂和高黏性生物粘接材料、生物降解材料和钛金属的推广应用，均给临床 带来了惊人的变化【1 0 。 1 3 2 牙种植体材料的研究现状 作为牙种植体材料，主要有金属类，包括钛及钛合金、c o c r - m o 合金；生 物陶瓷类，包括单晶氧化铝陶瓷、h a 、生物玻璃陶瓷和生物炭；聚合物；复合 材料等。单晶氧化铝陶瓷强度高，亲水性强，表面光滑，有利于牙龈的附着，但 不能形成骨性结合。炭素陶瓷的生物力学相容性好，但力学性能不理想。聚合物 基种植材料弹性模量较低，减少了金属较高弹性模量所致的应力屏蔽和应力集中 所导致的骨吸收，多数可以降解吸收；不足之处是某些降解产物可能对机体有一 第1 章绪论 定的危害，机械强度差，负荷区使用受限，多数呈疏水性，不能形成骨性结合。 因此聚合物作为硬组织替代修复材料，不如金属和生物陶瓷那样广泛【1 0 】。 表1 1 各类生物材料综合性能的比较 1 曲1 el - 1c p 撕s o no f c o m b i n 撕o np r o p e 啊o f b i 伽a t 甜a l s 表1 1 是各种生物材料综合性能比较1 2 】，从表1 1 中知，与聚合物与陶瓷材料 相比，金属材料获得广泛应用的原因主要是它具有较高的强度、韧性和加工性能。 目前，牙种植体的基体多采用金属类材料，c o c r m o 合金具有比其它种植合金 更优良的耐磨性，但较易出现铬钻离子的富集，对成骨细胞有一定的毒性，目前 较少使用。钛是化学活性很高的金属，在生物体内可以立即生成一层化学性质稳 定的氧化膜，从而具有很好的化学稳定性和抗腐蚀性能，具有良好的生物相容性， 植于骨内可实现骨融合式愈合。另外还具有其它优点：如弹性模量小( 约为其它 医用材料的一半) 且更接近于骨，有利于骨界面力的传导，防止因过分的应力集 中所带来的危害，这在牙种植体的应用中尤为重要；比强度大，具有较强的机械 性能，同时重量轻，符合人体植入材料的要求；钛在地球储量大，在金属中排列 第四，价格也相对较低，宜于推广【1 1 。 但是，钛及钛合金也并非尽善尽美，主要表现为工业用钛合金属于生物惰性 材料，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，对机 体组织的愈合无明显促进作用，愈合时间较长。为此，需要赋予金属材料以生物 北京工业大学工学硕士学位论文 活性，就是金属表面改性( 活化) 材料。目前的解决方法有两种：一种是金属表 面改性，指的是金属处理后，置于生理环境或模拟生理环境中在表面诱导h a 的 形成；一种是金属表面活性涂层，指的是通过处理，在表面生成具有生物活性的 h a 等涂层。这样便既保留了钛的良好力学性能，又增加了植入体的生物活性。 1 4 钛基种植体表面改性的研究进展 钛及其合金生物相容性好、质量轻、耐生理腐蚀、来源丰富，且具有较优越 的机械性能，是临床中硬组织和器官替换常用的生物医用金属材料之一。钛及其 合金作为生物惰性材料植入体内，在种植初期，与植入组织问存在一层纤维组织： 种植后期，与骨组织结合方式仅为骨整合，不存在骨性结合。为了缩短种植期， 赋予钛及其合金种植体具有综合的生物学性能，在其表面施加具有骨诱导或引导 作用的生物活性涂层，即钛材表面改性，成为近十几年来重要的研究方向之一。 1 4 1 钛基种植体表面生成陶瓷涂层 等离子喷涂以高纯度的h a 粉末为原始粉，采用等离子喷涂法制备钛基h a 涂层生物材料，具有效率高、涂层均匀、重复性好和适合工业化生产等特点【1 】。 该方法已被应用于制作人工牙根和人工髋关节等承力的种植体，是当前制备这类 材料的最主要的方法。但这种方法也存在一些问题【1 4 】，如：等离子喷涂是线型工 艺，用于多孔或形状复杂的基底上难以使涂层均匀一致；制备过程中温度高，冷 却时基底与涂层界面会存在很高的残余应力；等离子喷涂的高温过程易使h a 发 生分解，导致涂层中产生杂质相，h a 的结晶度较低；涂层结构致密度较低，植 入人体后，生理组织液容易沿连通孔隙渗透到基底界面，造成界面腐蚀，引起涂 层剥落；原始材料要用高纯度的h a 粉末，价格昂贵。 涂覆一烧结法【1 5 1 将纳米级的h a 粉料分散在乙醇溶剂中，加入适量的粘结 剂，并使粉料均匀分散，将钛基体浸入其中，待其表面形成一层涂层后取出，在 9 0 0 1 0 0 0 烧结，如此反复数次，形成厚度可控的h a 涂层。该方法具有工艺 简单、涂层致密、涂层厚度可控等特点。但在制备过程中由于采用了较高的温度 反复烧结，使得钛基体的性能下降和h a 的分解，同时由于钛基体和h a 涂层的 热膨胀系数相差较大，它们之间在烧结过程中产生较大的热应力。降低了基体与 第1 章绪论 涂层的结合强度，甚至造成涂层的开裂和剥落。 溶胶一凝胶法u 6 1 将涂层配料制成溶胶均匀覆盖于基体表面，由于溶剂的迅 速挥发，配料发生缩聚反应而胶化，再经干燥和热处理得到涂层。优点是：制备 温度低，避免了h a 的高温分解；体系中组分分布均匀；材料制各过程易开展， 产物纯度高。缺点是：凝胶干燥过程中易开裂；难以得到较厚的涂层。 电化学反应法【1 7 1 目前基于电化学原理制备金属基底生物陶瓷涂层的方法有 电沉积技术和电泳沉积技术等。电化学方法制备h a 涂层是在温和条件下进行， 避免了高温喷涂引起的相变问题以及基体与涂层之间的热应力问题，电化学过程 是非直线过程，可以在现状复杂和表面多孔的基体上制备出均匀的陶瓷涂层。这 类方法制备的生物陶瓷涂层本身和涂层与基底的结合力有待进一步提高。 激光熔覆法1 叼在基底材料表面上预先涂覆一定比例的c a h p 0 4 - 2 h 2 0 和 c a c 0 3 混合粉末，然后用激光器进行溶覆处理，使合成与涂覆h a 涂层一步完成。 制得的涂层与基底的结合良好，硬度、强度较高，有一定的韧性，但涂层的均匀 性和稳定性较难控制。 仿生溶液生长法n 9 1 模仿自然界生理磷灰石的矿化机制，即先配制一种与人 体体液组成几乎相同的溶液s b f ( s i i 删1 a t e db o d y 删d ) ，然后将金属基板置于此溶 液中，以仿生物环境下在金属基板表面上生长出羟基磷灰石涂层。纯金属基板无 生物活性，因此常需要对金属表面进行预处理，如通过溶胶一凝胶涂层法在表面 上预形成金属氧化物层，从而能与溶液作用形成羟基磷灰石涂层。但仿生溶液法 还存在许多不足，主要有：目前还没有形成种植体生物活性表面最佳方法：没有 形成能生产具有更好生物活性涂层的水溶液；目前的涂层几乎是纯磷酸钙涂层， 若从仿生学角度看，真正制备出与骨组织相似的仿生涂层还需作进一步的研究。 除上述几种方法以外，还有低温燃烧法、爆炸喷涂法、离子束溅射法【1 0 】。 上述方法制各的金属基生物陶瓷涂层复合材料都存在着一个界面结合问题，因基 材与涂层材料的弹性模量及热膨胀系数等物理和力学性能差别很大，界面间受力 状况难以匹配，致使临床应用中容易出现涂层脱落等现象1 2 0 1 。因此，如何保持涂 层组织的生物相容性，同时使涂层与基材界面形成牢固的结合，是制各生物陶瓷 涂层材料的关键问题。 北京工业丈学工学硕士学位论文 1 4 2 钛材表面氧化物的活化 钛表面的t i 0 2 是致密的钝化层，引导磷酸盐沉积的能力差，甚至不能诱导。 通过适当的处理，制备表面活性二氧化钛及其溶胶，发挥表面钛羟基( t i 0 h ) 的功 能，与骨组织形成键合。对钛表面氧化物活化的应用也有两种方式，一是保持表 面活性t i 0 2 植入体内，二是置入人体模拟体液( s b f ) 中进行仿生矿化，形成磷 酸钙涂层后再植入体内。钛材表面氧化物活化的方法主要有： 阳极氧化法川以钛为阳极，含少量水的硝酸钠甲醇溶液为电解液，电解中 在在钛表面生成钛酸甲酯迅速水解，形成无定形t i 0 2 ，然后热处理，使无定形层 转化为锐钛矿型t i 0 2 ，为纳米级晶层，吸附有水，富含有羟基。 溶胶一凝胶法m 1 溶胶一凝胶法是通过在钛及钛合金表面涂覆钛凝胶而使其 具有生物活性。将溶有蒸馏水的酒精加入钛酸酯并强烈搅拌，用硝酸酸化防止 t i 0 2 沉淀，得到前驱体。硝酸钙膦酸酯溶液混合并加入前驱体中，酒精挥发后 得到涂覆混合物溶液。基体在涂覆溶液中浸提，溶液涂覆在基体表面。高温处理 得到结晶表面膜。热处理后，将其浸入s b f 中，表面有磷灰石沉积。植入动物 体内，植入体与骨之间形成直接骨性结合，无纤维组织介入。若要得到梯度涂层， 则可选用不同t i c a p 比的混合物，多次浸提。热处理使其结晶化，涂层的化学 纯度和结晶度均较高。涂层厚度减小，粗糙度增加，结合强度增大。结合强度可 达3 0 m p a 4 0 m p a 。涂层形貌和性质与基体预处理，溶液粘度和成分等有关【2 3 1 。 碱热处理法【2 3 】将钛或钛合金置入6 0 的n a o h 溶液中2 4 h ，再以5 m i n 升温至6 0 0 保温l h 进行热处理。然后在3 6 5 的s b f 中浸泡，在钛或钛合金 表面形成类骨磷灰石。不经过热处理的样品在s b f 中也形成表面磷灰石层，但 经热处理后形成的表面层与基体的结合更紧密。与其他生物活性涂层，如4 5 s 5 玻璃，a w 玻璃陶瓷等相比，碱热法处理形成的涂层具有更高的基体结合强度。 植入动物体内，只经碱热处理，不经s b f 浸泡的样品和经s b f 处理形成表面类 骨磷灰石的样品都与骨组织形成直接结合，结合强度明显高于不经碱热处理的样 品。而且表面形成类骨磷灰石的样品能促进植入后早期骨结合。 酸碱两步化学法【2 4 2 5 1 首先将钛或钛合金在等量的1 8 ( 质量分数，下 同) h 2 s 0 4 和4 8 h c l 混合溶液中浸蚀3 0 l i n ；然后在1 4 0 的o 2 nn a o h 溶液 中煮沸5 h ，最后再浸入过饱和磷酸钙溶液( s c s ) 中，短时间内钛可在表面形成较 第1 章绪论 厚的磷酸钙层。在过饱和磷酸钙溶液处理之前，可以进行预钙化：将两步处理后 的钛或钛合金置入0 5 nn a 2 h p 0 4 溶液中过夜，再在饱和c “o h ) 2 溶液中浸泡5 h 。 经预钙化处理的样品表面c a - p 沉积速度更快。 另外，钛材表面的氧化物的活化还有双氧水等强氧化剂处理法、表面接枝诱 导矿化成核、离子注入、低温等离子辉光放电法等 1 0 】。钛及钛合金的各种表面化 学活化方法具有共同的优点，所需设备简单，成本较低；可在复杂形状的材料表 面均匀涂层；在仿生体液中形成的磷灰石层为类骨磷灰石，与天然骨成分和结构 相近；可以通过改变仿生体液的成分来改变涂层的成分，可以使蛋白质、骨生长 因子、抗生素等有机物质在涂层中与h a 共沉积。但是各种化学法的共同缺点就 是步骤复杂、费时。 1 5 主要研究内容 综上所述，对于牙种植体，尽管人们采用了各种各样的方法对钛合金进行了 表面处理，但还是存在诸如钛表面的羟基磷灰石结合强度不够等这样或那样的问 题，钛表面的生物活化上始终没有能够达到理想的临床应用效果。即使是已经投 入临床应用的用等离子喷涂法制备的钛基h a 涂层牙种植体，也没有达到理想状 态。因此，寻求新的表面改性和涂覆方法以制备更加理想的牙种植体仍然是一个 迫切需要解决的课题。 微弧氧化( m i c r o a r co ) 【i d a t i o n ) 又称微等离子体氧化、阳极火花沉积或等离子 电化学沉积，采用该技术获得陶瓷涂层的综合性能远远优于其它方法所得到的陶 瓷膜层1 2 6 1 。对钛合金表面进行微弧氧化，可获得与钛合金有很好的结合强度，且 表面粗糙、多孔的氧化物层。如果配制合适的电解液，还可获得含有磷钙化合物 的复合涂层，这种表面粗糙、多孔且含有磷钙化合物的复合涂层有利于在人体模 拟液中获得与基体结合牢固的h a 层。 因此，本文拟配制含磷、钙盐的电解液，调整其配方及控制微弧氧化工艺的 不同参数，通过先进的测试手段，分析微弧氧化制备钛材表面活性涂层的特征， 寻求最佳的电解液及其配方，探讨各工艺参数对涂层的影响，优化微弧氧化技术 在钛材表面制备磷、钙涂层的工艺：然后对获得的含磷、钙涂层的试样在人体模 拟液( s b f ) 中浸泡培养，检验其生物活性并探讨影响其生物活性的主要因素， 对其进行急性溶血试验和体外细胞毒性试验等生物相容性研究，以期能满足临床 北京工业大学工学硕士学位论文 应用材料的生物相容性要求，为钛种植体材料更快地走向实际应用做出贡献。 本文的主要研究内容包括几个部分： ( 1 ) 建立微弧氧化实验台，配制不同成分的含磷、钙盐的电解液，确定实 验工艺。 ( 2 ) 利用扫描电子显微镜、能谱分析仪和x 射线衍射仪等对微弧氧化制备 的钛材表面活性涂层的特征进行分析，寻求最佳的电解液及其配方。 ( 3 ) 探讨各工艺参数，如电解液配方、电解液温度和微弧氧化放电时间、 电流与电压的大小等对涂层的影响。 ( 4 ) 对微弧氧化后的试样进行急性溶血试验和体外细胞毒性试验等生物相 容性实验研究。 ( 5 ) 在恒温箱中，将制各的含磷、钙涂层的试样置于人体模拟液( s b f ) 中浸泡培养，获得h a 生物活性层，对s b f 培养结果进行分析，探讨液相诱导 羟基磷灰石沉积的机理和主要影响因素。 1 6 本章小结 本章阐述了生物医用材料的发展概况，介绍了生物相容性的分类和评价 标准，介绍了牙种植体材料的研究现状，总结了目前钛基种植体材料的各种 表面改性方法并分析了其中的不足之处，提出了采用微弧氧化技术在钛材表 面制备活性涂层并对其进行生物相容性研究的思路，给出了本课题研究的具 体内容和方法。 第2 章钛台金微弧氧化制备含钙、磷涂层的研究 第2 章钛合金微弧氧化制备含钙、磷涂层的研究 2 1 微弧氧化技术简介 微弧氧化( m i c m 。a r co x i d a t i o n ) 又称微等离子体氧化、阳极火花沉积或等离子 电化学沉积，是一种在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术，即将a l 、t i 、 m g 等金属及其合金置于电解质水溶液中。利用电化学的方法，使其材料微孔中 产生火花放电斑点，在热化学、等离子化学和电化学共同作用下生成陶瓷涂层， 它是在阳极氧化基础上建立起来的一种新的制备陶瓷涂层方法1 2 7 1 。据文献【2 6 】 报导，用这种方法得到的a 1 2 0 3 膜层，厚度可达3 0 0 岬，硬度超过2 0 0 0 h v ，最高显 微硬度超过3 0 0 0 h v ，绝缘电阻大于1 0 0 ，与基体结合力强，尺寸变化小，其综合 性能远远优于其它方法所得到的陶瓷膜层，使铝合金的耐磨损、耐腐蚀、抗热冲 击及绝缘性能得到极大改善，从而可广泛应用于航空、航天、机械、电子、装饰 等领域。在美国，1 9 世纪5 0 年代就有兵工厂开始了该技术的应用研究。而前苏联 在1 9 世纪7 0 年代中期就开始研究微弧氧化技术并达到了很高的水平。到1 9 世纪8 0 年代中后期，微弧氧化技术已成为国际研究热点并开始应用，我国从1 9 世纪9 0 年代初开始关注此技术。目前，该技术已正成为国际材料科学研究热点之一 2 8 - 3 0 】。 在微弧氧化过程中，一般有四个不同的阶段。样品放入电解液中，通电后材料 表面有大量气泡产生，金属光泽逐渐消失，这是第一阶段：第二阶段是当电极间 电压超过某一临界值时，材料表面出现大量的不稳定的白色弧光，这是由于氧化 膜某些部分被击穿，发生了微区弧光放电现象；第三阶段是随着电压的升高和时 间的推移，弧光不断向深层移动。随氧化膜的加厚，导电通道封闭，使弧斑减少 直到消失。然而，微等离子体现象仍然存在，氧化并未终止，进入第四阶段，即 氧化、溶解、凝固平稳阶段。因击穿总是在相对部位进行，因此最终生成的氧化 膜很均匀。 钛在自然情况下会与氧反应生成一层稳定的、保护性的氧化膜。在植入体内， 钛表面氧化膜不仅起到抗腐蚀的作用，还可以促使钙磷层在其表面沉积。但自然 生成的钛表面氧化膜很薄( 1 0 2 0 l 】m ) ，易因操作因素或在负载条件下受到损伤， 丧失保护作用，从而加重磨损、腐蚀和金属离子的释放。通过阳极氧化技术，可 在钛表面形成厚1 2 岬，无定形的t i 0 2 氧化膜，但这层膜仍然较薄，与基体结 北京工业大学工学硕士学位论文 合较弱，膜层性能也较差3 1 捌。微弧氧化技术将工作区域由普通的阳极氧化法的 法拉第区域引入到高压放电区域( 电位由几十伏提高到几百伏，氧化电流也从小 电流发展到大电流，由直流发展到交流1 3 3 1 ) ，是对传统阳极氧化技术的突破。在 处理过程中，微弧区瞬间高温烧结作用直接把钛基体金属氧化烧结成具有晶态陶 瓷相结构的t i 0 2 陶瓷膜。由于t i 0 2 陶瓷膜是从基体上原位生长的，厚度均匀，因 此与基体材料结合紧密，不易脱落，其最大厚度可达2 0 0 3 0 0um ，且内层极其 致密，极大的提高了钛金属的耐磨性、耐蚀性，将有效的抑制钛离子的释放 3 4 3 5 ； 而在外层，微弧氧化能在植入体表面产生一层多孔、粗糙的氧化膜，改善了骨界 面的生物学反应，影响骨形成细胞的数目、类型、细胞产物和基质的表达，有利 于植入体与骨之间的生长3 “2 1 。 目前，国内外利用微弧氧化对钛种植体进行表面活化的研究不多h 3 5 舶，该技 术基本上还是处于初步的研究阶段。因此，进行该项技术的研究，将使我们的研 究工作处于国内外的领先地位。目前，我国牙缺损、牙缺失患者达总人口的l 5 l 3 p ”。而在口腔领域中，现有的人工种植牙基本都是进口产品，价格昂贵。因 此，本研究具有很高的科研价值和实际意义。 2 2 试验设备及方法 2 2 1 实验装置 本文的微弧氧化试验装置如图2 1 所示，由直流电源、电解槽、搅拌器、冷 却水槽等部分组成。电源为连续可调三相半控桥式整流直流电源，电压范围0 1 0 0 0 v 。试样材料为t i 6 a 1 4 v ，尺寸为2 0 i n m 5 5 衄2 m m ；微弧氧化电解液 为钙盐和磷盐的混合溶液。电解槽置于冷却水槽中，通过向冷却水槽中加入冰块， 控制电解液的温度。试验过程中用无级调速搅拌器对电解液进行搅拌，以使电解 液均匀一致，并起到散热的目的。 2 2 2 试样材料的选择 本试验采用的试样材料( 阴极) 为：石墨或钛片。阳极材料为金属钛片，并 将钛片制作成长为2 嘶m 、宽为5 5 m m 、厚约2 m m 的本实验用标准试样。 微弧氧化电解液采用包含钙盐( 如( c h 3 c o o ) 2 c a h 2 0 、c a c 0 3 、c “h c 0 3 ) 2 、 第2 章钛台金徽弧氧化制各含钙、磷涂层的研究 c a 3 口0 4 ) 2 、c a a 2 等) 、磷酸盐( c a h p 0 4 、c “h 2 p 0 4 ) 2 、n h 2 h p 0 4 等) 和其它化 合物( 如水玻璃等) 的溶液或悬浊液，先加直流电压对钛进行阳极氧化；然后加 大电压( 直流) 在阴极或阳极处起弧在钛合金表面烧结磷钙化合物。预置厚度约 为0 o l 1 om m 。然后在空气中自然干燥【5 5 】。 豳2 _ l 徽弧曩优麓置示意豳 f 嘻2 ld i 嘲瑚嘲嫩$ 融c ha f 痢铷e 皙co 虹d 啦叽t e n f i e 2 2 _ 3 工艺流程 实验的操作过程是：取去离子水和磷、钙类盐，按一定的配方和比例配置微 弧氧化电解液；将钛片表面打磨去捧氧化膜，用酒精或丙酮进行超声波清洗。用 螺旋测微器测量钛片的厚度：用钛丝将钛片和电源联接。把作为微弧氧化阳极的 钛片和作为阴极的石墨置于电解液中，钛片上部略高出电解液液面。开通搅拌器， 使电解液搅拌均匀；接通电源并升电压至5 0 8 0 v 。首先在钛片表面进行阳极氧 化过程，在钛片表面形成氧化膜，阳极氧化过程约为3 1 0 分钟。此过程后加大 电压使钛片表面起弧，开始微弧氧化过程。对电压、电流、反应时间进行调节， 并定时用螺旋测微器测量涂层的厚度。在整个实验过程中随时用温度计测量电解 液温度，对电解液进行冷却，使电解液温度保持在1 5 7