TLM医用钛合金微弧氧化工艺及生物相容性研究

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钛及钛合金由于具有良好的机械性能和生物相容性能而被广泛用作生物植入物材料,但是钛及钛合金的生物活性和耐磨性较差而限制了其进一步的应用。故有必要对钛及钛合金的表面进行进一步优化处理。本课题采用微弧氧化工艺(MAO)在Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb(TLM)新型钛合金表面制备一层含钙磷的生物膜层。在磷酸盐电解液体系下,采用正交试验,研究Ca/P 比、氧化时间、电流密度、占空比四个因素对膜层硬度、厚度、粗糙度的影响规律,从而确定了最佳的微弧氧化工艺。在最佳工艺参数下,研究了氟化钠添加剂对膜层厚度硬度、粗糙度、结合力、相组成等基本性能的影响;此外,通过模拟体液(SBF)体外浸泡实验,分析了氟化钠添加剂对膜层浸泡后形貌和相组成、耐蚀性、润湿性以及凝血时间等体外性能的影响。通过正交试验可以看出,本课题TLM钛合金微弧氧化最优工艺参数为:Ca/P 比为3.67、氧化时间30min、电流密度8A/dm2、占空比40%。在最佳工艺参数下,研究了氟化钠添加剂对膜层厚度硬度、粗糙度、结合力、膜层形貌、相组成等基本性能的影响。研究表明,随着NaF浓度的增加,氧化电压和膜层厚度均呈上升趋势,而膜层硬度、表面粗糙度、结合力均呈先增大后减小的趋势,当NaF浓度为3.0g/L时,膜层综合性能最优。微弧氧化膜层主要由O、Ti、Ca、P、F四种元素组成,膜层物相主要为金红石型(Rutile)TiO2、锐钛矿(Anatase)TiO2、CaTiO3以及基体钛。此外,通过模拟体液体外浸泡实验,分析了氟化钠添加剂对膜层浸泡后形貌和相组成、耐蚀性、润湿性以及凝血时间等体外性能的影响。研究表明,在模拟体液里浸泡后,膜层表面生成了白色颗粒状的羟基磷灰石,但随着NaF添加量的增加和浸泡时间的延长,微弧氧化膜层的白色球状颗粒发生了部分溶解。当NaF添加量为3.0g/L时,膜层具有最优异的耐腐蚀性能。随着NaF含量的增加,膜层表面的接触角先减小后增大,在NaF添加量为3.0g/L时,膜层的润湿性最好。随着NaF含量的增加,NaF改性后钛合金的吸光度先增加后降低。在NaF添加量为3.0g/L时,钛合金的吸光度达到最大值为0.3。当氟化钠浓度在2.0g/L和3.0g/L时,膜层质量增加值较大,且膜层质量呈现先增加后降低的趋势。膜层在模拟体液浸泡的前10天,模拟体液中pH值总体呈现上升趋势;而在浸泡的后8天,模拟体液的pH值总体呈现下降趋势,这可能是由于含钙和磷的微弧氧化膜层通过吸收模拟体液中的Ca2+、HPO42-生长,使得模拟体液中pH值降低。
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