钛种植体表面不同孔隙结构微弧氧化薄膜制备及钙磷沉积

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表面活化改性可改善钛种植体的生物活性与生物相容性,保护其不受体液腐蚀等因素的影响;同时还可缩短植入后的愈合期,提高骨整合效果。本课题将微弧氧化(MAO)和磁控溅射(MS)两种技术结合应用,一方面采用微弧氧化技术在钛表面制备多孔膜,通过调控微弧氧化电解液的成分及微弧放电过程中的单脉冲能量,获得孔径50μm的大尺寸孔隙,构建有利于成骨细胞长入及形成高强度结合界面的复杂孔结构;另一方面采用磁控溅射技术对多孔薄膜进行表面钙磷活化,提高其生物活性。此外,采用SEM、EDS及XRD对多级微孔结构微弧氧化膜的微观形貌、化学成分及相组成进行表征;使用涡流测厚仪、粗糙度测试仪和划痕仪对膜层的厚度、粗糙度和结合力进行研究;采用表面张力测量仪测定膜层的润湿角。最后,通过模拟体液浸泡实验研究磁控溅射处理对多孔膜活化的效果。   结果表明:采用局部溶解的方法可以将传统微弧氧化工艺形成的尺寸约1-2μm的小孔隙薄膜进行局部孔隙的溶解与整合,获得孔径约50μm的大孔,为大尺寸骨细胞的生长提供了有利的多孔结构。相比之下,传统微弧氧化工艺仅能制备出小孔隙薄膜,而高能量法则使薄膜产生大量裂纹和剥脱。局部溶解法制备的具有多级微孔结构的微弧氧化薄膜的结合力约为55N,接近传统微弧氧化膜层的结合力,说明局部溶解未影响膜基结合。此外,多级微孔结构薄膜的粗糙度和表面能均有所提高,因而有助于Ca、P沉积和细胞生长。外加电压和溶液种类影响局部溶解法制备的大孔隙薄膜的微观结构。当外加电压达到初期小孔隙薄膜的起弧电压(300V)时,才能有效溶解形成大尺寸孔隙;但是,外加电压过高导致过度溶解,损害膜层的多孔结构。与NaOH溶液相比,NaCl溶液的微区溶解作用过强,不适宜局部大尺寸孔隙的制备。在外加电场作用下,具有强烈溶解与腐蚀性的OH-等离子在初期小孔隙微弧氧化薄膜上形成微区富集,到达一定浓度的吸附离子改变了吸附位置的薄膜性质,使该处薄膜的溶解速度远大于其他区域,从而形成大尺寸孔隙。在微弧氧化多孔膜表面磁控溅射钙磷元素并经过退火处理后,膜层表面生成了部分晶化的Ca4P2O钙磷化合物。模拟体液浸泡实验表明,纯钛表面没有任何新物质的产生,仅微弧氧化处理的试样表面有Ca、P物质沉积,但无HA形成,而经微弧氧化和磁控溅射处理的试样表面生成了HA。
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