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《南京航空航天大学》 2010年
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低模量多孔Ti-Mg系生物复合材料的制备与性能研究

王月勤  
【摘要】:钛及其合金具有较好的生物相容性、耐蚀性和力学性能,因此在临床上长期被用作人体牙齿和骨头的替换材料。但目前已有的生物医用钛合金弹性模量与宿主骨不匹配,由此引起骨组织不能够受到足够的加载而产生应力屏蔽导致植入体松动。解决的方法就是在材料整体引入孔隙,通过控制孔隙率,植入体的弹性模量可以调整到与骨组织近似匹配,最大限度地减少应力屏蔽。同时,多孔钛的孔隙结构允许植入后新生骨组织长入,形成植入体与人体自然骨之间的生物固定。 本文根据生物医用钛合金开发的现状和存在的问题,研究并制备了新型生物Ti-Mg系复合材料。首先研究了Ti-Mg系复合材料的粉末冶金制备工艺对组织和性能的影响,确定了合适的球磨工艺和烧结工艺参数;接着研究造孔剂NH_4HCO_3含量和粒径对多孔复合材料孔隙结构和机械性能的影响;在多孔Ti-Mg复合材料的基础上,添加元素Zr提高复合材料的强度;采用SEM、XRD、能谱分析等手段分析了Ti-Mg系复合材料的微观结构和相组成;通过体外模拟环境与电化学腐蚀试验研究材料的可降解性和生物活性;随后模仿人长干骨的梯度结构进行材料设计,制备了孔隙率梯度变化的多孔复合材料。主要研究结果如下: (1)通过试验,优化的复合材料球磨和烧结工艺参数为:球磨转速300 r·min~(-1),球料比为10:1,球磨时间10h,压制压力550MPa,烧结温度630℃,烧结时间2h,烧结升温速率5℃/min。通过粉末冶金法制备的Ti~(-1)0wt%Mg(Ti~(-1)0Mg)复合材料,其抗弯强度250.7MPa,抗弯模量7.1GPa,抗压强度562.1MPa,抗压模量8.2GPa,冲击韧性6.8kJ/m2,硬度49HRA。该复合材料力学性能优良,满足人骨植入体的要求,且具有较好的生物力学相容性。此外,通过有限元模拟分析了粉末成形时的粉末流动情况以及成形时的粉体相对密度分布规律,模拟结果与试验结果一致性较好。 (2)通过添加造孔剂NH_4HCO3,采用粉末冶金法制备了多孔Ti~(-1)0Mg复合材料。研究结果表明,多孔复合材料的弯曲和压缩性能随着孔隙率的提高而降低;控制添加造孔剂的含量可以调节总孔隙率,且造孔剂的含量和粒径影响其开孔率。造孔剂的粒径对总孔隙率、抗弯和抗压强度影响不大。添加质量比为25%的NH_4HCO3制备的具有连通孔洞的多孔Ti~(-1)0Mg复合材料,孔隙率约51.4%,开孔率67.1%,孔径200um以上,抗弯强度54.5MPa,抗弯模量1.2GPa,抗压强度43.5MPa,抗压模量1.8GPa,冲击韧性2.7kJ/m~2。 (3)在多孔Ti~(-1)0Mg复合材料的研究基础上,添加Zr来提高其强度。添加10wt%Zr时,其抗弯强度121.0MPa,抗弯模量2.0GPa,抗压强度75.4MPa,抗压模量1.9GPa,冲击韧性3.1kJ/m~2。 (4)与均匀孔隙率样品相比,梯度孔隙率分布的复合材料其力学性能显著提高。添加10wt%Zr的五层梯度多孔Ti~(-1)0Mg抗弯强度168.3MPa,抗弯模量2.3GPa,符合对骨植入材料的要求。 (5)SBF浸泡实验表明,镁溶解引起氢气析出,pH升高,随着浸泡时间的增加,Mg~(2+)的溶出速度下降,表面沉积含镁碳酸磷灰石,材料的强度也相应增加,同时复合材料没有溶血反应。对Ti板进行阳极氧化生成纳米孔(管),磷灰石没有在纳米孔洞内沉积,只在孔洞边缘覆盖,而粉末冶金制备的大孔径结构,利于磷灰石涂层沉积在孔洞内。 不论从机械性能还是生物活性来看,制备的复合材料既改善了纯镁的降解速度过快的缺点,保持一定的溶解性,又满足植入体力学性能的要求,极有可能被用于承力部位骨修复的可降解植入材料。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB331

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