微弧氧化-水热处理制备Ti6Al4V生物膜层工艺及其生物相容性研究

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Ti6A14V以其优越的力学性能、易加工性和一定的生物相容性等特点,广泛应用于临床种植体材料。但其属于生物惰性材料,不能与人体组织发生化学结合;在生物环境及负载条件下,表现出较差的耐磨性和耐腐蚀性,长期植入可能导致金属离子Al、V的渗出,并逐渐扩散至人体组织环境中,造成一定程度的不良反应。为改善Ti6A14V合金相关性能,笔者采用微弧氧化技术对合金表面进行改性处理,生成多孔结构状陶瓷膜;结合水热处理诱导薄膜表面羟基磷灰石(HA)的沉积。观察分析薄膜的微观形貌、相组成、表面HA晶体尺寸和薄膜的致密度,并检测膜层与基体的结合强度、耐磨性及耐腐蚀性。同时对材料的抗凝血性能、抗溶血性能、抗血小板黏附和细胞毒性进行测定,并将不同试样分别植入SD大鼠体内,检验其对组织及血液生化指标的影响,以期评估此种材料的生物相容性和使用安全性。   研究结果表明:恒流模式下,随着电流密度的变大和占空比的增大,薄膜表面孔洞数减少,孔径尺寸变大,且表面趋于粗糙。XRD分析膜层,主要由金红石TiO2和锐钛矿TiO2组成。随着电解液中钙磷比的减小,即电解液浓度的增加,陶瓷膜表面微孔数目下降,孔径尺寸变大;膜层中金红石TiO2的衍射峰强度增加,而锐钛矿TiO2在减少。随着电流密度的减小和占空比的降低,氧化膜与基体的结合强度逐渐增强。   水热处理试验结果表明:水热合成处理后膜层中无定形物质可转变成晶体态HA。随着处理条件的变化,生成HA的数量、晶粒尺寸和分布情况以及薄膜表面孔隙率均会发生改变。以纳米羟基磷灰石悬浊液为处理介质时,生成尺寸较小的HA晶粒,且均匀分布于薄膜表面。晶体尺寸、表面孔隙率较去离子水或氨水为处理介质时小,利于成骨细胞的攀附生长。随温度的升高,保温时间的延长,填充度的增加,薄膜表面生成的HA量增多,晶体颗粒长大,结晶度增加并表现为大晶粒吞并小晶粒而继续长大的现象,表面孔隙率也随之降低。经微弧氧化-水热合成处理(MAO-HS)生成富含HA的薄膜与基体的结合力能达到(26±2.5)N左右;在Hanks人工模拟体液中,MAO-HS试样随浸泡时间的延长试样重量逐渐递增,钛合金基体试样重量不断下降,说明MAO-HS工艺可明显提高样品的耐腐蚀性能,并可诱发钙磷相沉积。   综合对比Ti6A14V基体合金、经微弧氧化处理(MAO)试样、MAO-HS试样的生物相容性试验结果表明,MAO-HS样品表现出更为优异的抗溶血性,良好的抗凝血性和血小板黏附以及无毒性,血液学指标、血生化指标和肝脏病理均正常。说明经微弧氧化,水热合成处理过的Ti6A14V合金表面能有效提高种植体材料的生物相容性和使用安全性,更适合作为人体植入材料。
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