生物医用纯钛表面ZrN/Ag涂层组织结构及性能研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:my363
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钛具有低密度、高比强度和良好的生物相容性等优点,在人工关节、齿根等植入物领域极具吸引力。然而,钛耐磨性较差、本身不具备抗菌性以及耐蚀性能需要得到进一步提升。因此本课题采用多弧离子镀技术在纯钛基体表面制备ZrN涂层,主要提高纯钛基体耐磨性和耐腐蚀性;并采用离子注入技术在ZrN涂层表面注入Ag,起到抗菌作用;从而形成ZrN/Ag复合涂层,并探究了其对耐磨损性能、耐腐蚀性能和抗菌性能的影响。采用多弧离子镀技术在纯钛基体表面制备ZrN涂层,涂层表面平整致密,存在少量金属颗粒,厚度约为10μm,与基体之间结合良好。之后采用离子注入技术在ZrN涂层表面注入4种不同注入剂量(1×1016ions/cm~2、5×1016ions/cm~2、10×1016ions/cm~2和15×1016ions/cm~2)的Ag离子。ZrN涂层为单一ZrN相,Ag离子注入后以纳米颗粒形式存在于ZrN涂层表面。ZrN涂层显微硬度为1792.2HV0.1,相较于基体提高了5倍,且Ag离子注入后并未对显微硬度产生明显影响。通过摩擦磨损试验探究纯钛基体、ZrN涂层和ZrN/Ag涂层的耐磨损性能。结果表明纯钛基体为典型的磨粒磨损机制,在15N载荷时,ZrN涂层和ZrN/Ag涂层的比磨损率分别为纯钛基体的7.6%和7.4%;直至载荷增加到20N时,涂层失效从而失去对基体的保护作用。通过电化学试验探究ZrN涂层和ZrN/Ag涂层在Ringer’s溶液中的耐腐蚀性能。电化学测试结果表明:纯钛基体自腐蚀电位为-266m V,ZrN涂层和ZrN/Ag涂层(由低剂量至高剂量)的自腐蚀电位分别为-215m V、-91.7m V、-86.3m V、-98m V、-50.3m V,纯钛基体自腐蚀电流密度为73.6n A/cm~2,ZrN涂层和ZrN/Ag涂层(由低剂量至高剂量)的自腐蚀电流密度分别为53.7n A/cm~2、35.5n A/cm~2、31.8n A/cm~2、31.7n A/cm~2、29.5n A/cm~2,电化学阻抗测试显示涂层具有更大的阻抗值,均表明涂层具有更好的耐腐蚀性能。并且探究ZrN涂层和ZrN/Ag涂层在Ringer’s溶液中的耐磨损腐蚀性能,结果表明涂层可以有效的提高纯钛耐磨损腐蚀性能。不同剂量ZrN/Ag涂层在Ringer’s溶液中浸泡30天后的Ag离子浓度(由低剂量至高剂量)分别为7.75ppb、9.17ppb、13.25ppb、19.80ppb,表明银离子释放在安全范围内。通过涂布平板法进行抗菌试验,结果表明4种不同注入剂量的银离子(由低剂量至高剂量)对大肠杆菌的抑菌率分别为89.39%、94.41%、98.32%和99.44%,表明纳米银具有良好的抗菌性能。通过细胞增殖实验,并采用CCK-8法检测不同注入剂量ZrN/Ag涂层的细胞培养3天增殖率(由低剂量至高剂量)分别为91.2%、91.9%、86.5%和80.3%,毒性水平为1级,这表明在人体内是安全的。
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