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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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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘玮健;徐日炜;薛蓉;李默闻;余鼎声;;组织工程用聚乳酸梯度支架的制备及分形研究[J];北京化工大学学报(自然科学版);2006年03期
2 王鲁,王富耻,吕广庶,张丽华,范天佑;ZrO2-ZiCrAl系功能梯度热障涂层界面残余热应力研究[J];北京理工大学学报;1998年05期
3 张永君,严川伟,王福会,楼翰一;镁及镁合金环保型阳极氧化电解液及其工艺[J];材料保护;2002年03期
4 袁兵;袁森;蒋百灵;袁芳;;镁合金微弧氧化及后续涂装耐盐雾腐蚀的研究[J];材料保护;2006年09期
5 魏斌,费敬银;钛合金生体材料及其表面改性[J];材料导报;2000年07期
6 宋久鹏;Barriere Thierry;柳葆生;Gelin Jean-Claude;;升温速率对氧化铝粉末烧结行为的影响[J];材料导报;2007年03期
7 耿芳;谭丽丽;张炳春;郑丰;杨柯;;多孔镁作为新型骨组织工程材料的研究探索[J];材料导报;2007年05期
8 袭迎祥,王迎军;羟基磷灰石生物陶瓷涂层的制备方法[J];材料开发与应用;1999年06期
9 刘康美;多孔钛抗腐蚀性能的研究[J];稀有金属材料与工程;1989年05期
10 付涛,李浩,张玉梅,徐可为;电流密度对电结晶羟基磷灰石生物涂层性能的影响[J];稀有金属材料与工程;2000年04期
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1 丁莉芸;放电等离子烧结技术制备Ti-Mg系合金的研究[D];武汉理工大学;2004年
2 孙红霞;多孔镁的制备及镁合金表面磷酸钙涂层的研究[D];兰州理工大学;2005年
3 朱成才;铜—石墨复合材料的半固态制备及其摩擦性能研究[D];北京交通大学;2006年
4 姜斌;粉末冶金—添加造孔剂法制备开孔泡沫铝及其性能研究[D];天津大学;2006年
5 赵治国;离子注入改善Ti和ZrO_2表面生物活性的研究[D];天津大学;2006年
6 赵立臣;生物医用新型低弹性模量亚稳β钛合金的设计及性能研究[D];河北工业大学;2007年
7 杨涵崧;生物活性多孔钛医学材料的研究[D];佳木斯大学;2007年
8 夏东升;粉末冶金钛基复合材料的制备及其生物活性和摩擦学研究[D];暨南大学;2007年
9 赵朝勇;生物力学相容多孔钛的表面活化及与骨界面结合研究[D];四川大学;2007年
10 王开东;搅拌摩擦加工制备Al_2O_3、Ti颗粒增强AZ31镁基复合材料及其力学性能[D];大连理工大学;2009年
【共引文献】
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1 张宝霞;段忠清;;等离子喷涂NiCrAl/Cr_2O_3-8%TiO_2涂层残余应力模拟分析[J];安徽科技学院学报;2010年04期
2 孙小燕;汪江节;王鹏;;泡沫金属孔结构对其力学性能的影响[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2006年04期
3 程慧静;张崇民;苗信成;袁皓;孙文刚;;泡沫铝的研究现状与应用展望[J];鞍山科技大学学报;2005年06期
4 宁仁德;周建生;;改良冻融制备成年兔周围神经去细胞材料的研究[J];蚌埠医学院学报;2009年04期
5 李长青;左洪波;张明福;韩杰才;孟松鹤;;高能球磨Al_2O_3-Y_2O_3粉体混合物的研究[J];兵器材料科学与工程;2006年03期
6 肖琪聃;吕振林;李阳;;熔渗法制备Ti_3SiC_2陶瓷中硅的熔渗时间研究[J];兵器材料科学与工程;2010年06期
7 张忠明;王婷;马莹;张俊;徐春杰;;Mg_(99.2)Ca_(0.6)Mn_(0.2)合金在SBF溶液中腐蚀性能的研究[J];兵器材料科学与工程;2012年02期
8 杨灵芳;左禹;;类仿生溶液中电沉积羟基磷灰石涂层机理的探讨[J];北京化工大学学报(自然科学版);2009年01期
9 张继心;张巍;李久青;马征;曾桂芝;;镁合金在大气环境中的电偶腐蚀[J];北京科技大学学报;2006年05期
10 张刚;赵中伟;曹才放;黄少波;;磷酸盐分解钼酸钙的热力学[J];北京科技大学学报;2009年11期
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1 郭洪飞;徐莘;霍慧彬;安茂忠;;镁合金表面微弧氧化处理及其耐蚀性研究[A];2004年全国电子电镀学术研讨会论文集[C];2004年
2 ;Study on Primary Resonance of Ceramic and Metal Functionally Graded Material Rectangular Plate Subjected to Mechanical Force[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
3 姚远;俞永伟;王家伟;郭俊;钱懿;;有限元分析在骨支架设计中的应用[A];第五届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2009年
4 杨琴;蒋斌;;镁合金的腐蚀与防护研究进展[A];2007高技术新材料产业发展研讨会暨《材料导报》编委会年会论文集[C];2007年
5 左桂福;刘超;何芳;万怡灶;;聚甲基丙烯酸甲酯/羟基磷灰石纳米复合材料的制备及表征[A];第十届中国科协年会论文集(三)[C];2008年
6 杨涵崧;李慕勤;吕迎;;真空烧结法制备生物多孔钛的研究[A];第十二届中国体视学与图像分析学术会议论文集[C];2008年
7 李艳霞;张巨成;刘俊友;刘国权;;电子封装用轻质、高硅含量铝硅合金的研究进展[A];第七届全国材料科学与图像科技学术会议论文集[C];2009年
8 刘道新;唐长斌;李凡巧;唐宾;秦林;;钛合金表面等离子渗铌及其耐磨性能研究[A];高性能防腐蚀涂装及表面保护技术的应用与发展——第16届全国表面保护技术交流会论文集[C];2011年
9 冯祖德;苏奇深;李佐臣;;电泳方法制备磷酸钙生物陶瓷镀层的研究[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
10 时海燕;胡仁;庄燕燕;林昌健;;电化学制备羟基磷灰石涂层的生物活性研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
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1 徐开东;镁合金高能表面强化研究[D];华中科技大学;2010年
2 吴迪;微波辐射法聚乳酸及其共聚物的合成与性能研究[D];陕西师范大学;2010年
3 肖桂勇;雾化干燥法制备羟基磷灰石微球的结构表征及其生物学行为研究[D];山东大学;2010年
4 陈欣;蛋白质在不同界面的识别、吸附及稳定性研究[D];浙江大学;2009年
5 吴波;电化学合成羟基磷灰石涂层及其性能研究[D];大连理工大学;2011年
6 李松凯;寰枢椎侧块关节融合器的研制及力学研究[D];第二军医大学;2011年
7 周风金;后路寰枢椎限制性非融合内固定装置的设计及其可行性研究[D];第二军医大学;2011年
8 吕维玲;AZ91D镁合金微弧氧化膜制备的调控及膜层表征方法的研究[D];兰州理工大学;2010年
9 李翠珍;CRP与ROP联用制备PCL嵌段共聚物及其性能和应用研究[D];华东理工大学;2011年
10 戴程隆;用于局部快速止血和骨修复的可降解介孔硅基干凝胶设计制备与性能研究[D];华东理工大学;2011年
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1 吕彩霞;n-HA/CS复合材料的制备、性能表征及其应用研究[D];河北大学;2007年
2 贺睿;AZ81基稀土镁合金组织与腐蚀性能的研究[D];河南理工大学;2010年
3 王海涛;生物镁合金的生物相容性研究[D];郑州大学;2010年
4 任振伟;高压扭转工艺对生物镁锌钙合金组织及性能的影响[D];郑州大学;2010年
5 杨萌;n-HA/PA66及Mg-Zn-Zr/HA复合材料的生物相容性研究[D];天津理工大学;2010年
6 叶新羽;生物可降解骨固定用Mg-Zn-Zr合金研究[D];天津理工大学;2010年
7 赵国良;AZ91D镁合金表面电沉积镍的研究[D];长春工业大学;2010年
8 施涛;钛合金微弧氧化耐磨陶瓷层制备与性能研究[D];北京交通大学;2011年
9 林金峰;钛换热管胀接研究[D];华东理工大学;2011年
10 靳明坤;过共晶高铬铸铁挤压成形件质量及其冲击磨料磨损性能分析[D];昆明理工大学;2009年
【二级参考文献】
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1 宋希文,安胜利,赵文广;氧化铝超细粉末的烧结特性[J];兵器材料科学与工程;2001年02期
2 张宇民,刘殿魁,韩杰才,赫晓东;多孔陶瓷材料制备工艺研究进展[J];兵器材料科学与工程;2002年02期
3 丁华东,浩宏奇,李雅文,金志浩;复压对铜石墨含油材料强度的影响[J];兵器材料科学与工程;1997年05期
4 刘颖,胡传,陈忠江,王国红,白立来;材料愈合途径[J];北京工业大学学报;1998年02期
5 张宏泉,闫玉华,李世普;生物医用复合材料的研究进展及趋势[J];北京生物医学工程;2000年01期
6 徐智谋,郑家燊,张联盟;功能梯度材料和低温制备研究现状及展望[J];表面技术;2000年02期
7 陈勇军,史庆南,左孝青,王茗,吴新光;金属表面改性——离子注入技术的发展与应用[J];表面技术;2003年06期
8 陈宏,郝建民,王利捷;镁合金微弧氧化处理电压对陶瓷层的影响[J];表面技术;2004年03期
9 吴瑜光,张通和;离子束医用生物聚合物材料改性研究[J];北京师范大学学报(自然科学版);2002年01期
10 白晓军,刘海蓉,陈宗璋;电镀条件对不锈钢基Ni-HAP复合生物材料中HAP含量的影响[J];材料保护;1999年09期
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1 徐丽娟;肖树龙;陈玉勇;;Mo含量对牙科用Ti-Mo合金显微组织及性能的影响[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(5)[C];2007年
2 康永林;宋仁伯;李激光;王吉文;赵爱民;毛卫民;;半固态钢铁材料流变轧制的工艺研究及控制技术[A];第八届全国塑性加工学术年会论文集[C];2002年
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1 温变英;聚合物梯度材料的制备及材料结构与性能研究[D];北京化工大学;2003年
2 曾泉;纯钛种植材料表面构建生物活性过渡层的研究[D];四川大学;2005年
3 朱胜利;多孔TiNi形状记忆合金的研究[D];天津大学;2005年
4 李众利;复合BMP三维连通多孔钛在人工假体表面修饰中的应用[D];中国人民解放军军医进修学院;2006年
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1 刘芳;Ti基生物医用材料的研制[D];中南大学;2002年
2 孙红霞;多孔镁的制备及镁合金表面磷酸钙涂层的研究[D];兰州理工大学;2005年
3 陶姗;新型生物医用近β型钛合金的组织及力学性能[D];昆明理工大学;2005年
4 张波;钛表面活化与生物活性研究[D];四川大学;2005年
5 李虎;生物力学相容多孔钛的制备及其活化研究[D];四川大学;2005年
6 李伯琼;多孔钛的孔隙特征和力学性能的研究[D];大连交通大学;2005年
7 贾宝强;熔、溶脱盐造孔法制备金属通孔多孔材料研究[D];西安理工大学;2005年
8 韩钰;钛/羟基磷灰石(Ti/HA)生物复合材料的SPS制备研究[D];武汉大学;2005年
9 汪劲松;镍质多孔材料及镍微滤膜的研制[D];中南大学;2005年
10 赵万祥;冷压—溶解—真空烧结法制备泡沫铝工艺及性能的研究[D];天津大学;2005年
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9 李世红,付绍云,周本濂,曾其蕴;竹子──一种天然生物复合材料的研究[J];材料研究学报;1994年02期
10 ;佛吉亚发车用生物复合材料[J];塑料科技;2014年02期
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1 高智芳;王静;左桂福;高川;王玉林;万怡灶;;生物复合材料发展动态[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
2 刘亚;陈民芳;胡荣香;朱胜利;崔振铎;杨贤金;;TiNi/HA生物复合材料的研究[A];复合材料:生命、环境与高技术——第十二届全国复合材料学术会议论文集[C];2002年
3 张迪;冉旭;刘景和;;羟基磷灰石人工骨生物复合材料的研究进展[A];科技创新与节能减排——吉林省第五届科学技术学术年会论文集(上册)[C];2008年
4 高智芳;王静;左桂福;高川;王玉林;万怡灶;;生物复合材料发展动态[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
5 陈斌;彭向和;王军;梁锡昌;;生物复合材料及仿生复合材料的研究[A];第三届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1998年
6 尹玉姬;陈亦平;刘文广;姚康德;;生物复合材料研究与开发进展[A];人才、创新与老工业基地的振兴——2004年中国机械工程学会年会论文集[C];2004年
7 刘彬;张立宪;高华健;;泊松比在生物复合材料中的作用[A];2006年全国固体力学青年学者研讨会论文摘要文集[C];2006年
8 宋凡;;生物复合材料中的结构与性能关联[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(上册)[C];2008年
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8 陈柳珠;Ti/TiO_2/HA生物复合材料的制备及生物活性研究[D];暨南大学;2006年
9 郭乃玮;竹纳米纤维素晶须的制备及其生物复合材料运用[D];中原工学院;2012年
10 罗平辉;磁控溅射技术制备HA/YSZ/PI生物复合材料[D];江苏大学;2006年
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