收藏本站
《南京航空航天大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

钽基纳米晶涂层在模拟生物环境下的性能研究

刘林林  
【摘要】:随着全球范围内人口老龄化的加剧,骨质疏松、退行性关节炎等骨科疾病的发病率日益增多,催生了巨大的骨替代修复材料市场。在金属生物材料中,钛合金以其优异的力学性能、高的腐蚀抗力和良好的生物相容性成为目前应用最广泛的骨科植入材料。然而,骨诱导能力的缺乏和潜在的有害离子释放,可能导致钛合金植入体的短期失效,引发健康危害和二次翻修。本课题采用双阴极等离子溅射沉积技术在传统医用钛合金Ti-6Al-4V ELI表面制备β-Ta、Ta_2N和TaN三种纳米晶涂层,研究上述涂层在改善钛合金耐腐蚀性能和生物活性方面的作用,探索其潜在的医学应用价值。继结构分析和力学性能测试之后,采用多种电化学分析技术对涂层在0.9%NaCl、Ringer’s和Hank’s三种模拟生理溶液中的电化学腐蚀行为进行详细深入的研究,同时考察压痕损伤和浸泡时间对涂层腐蚀抗力的影响,并从钝化膜化学成分、致密性和半导体特性三个方面探讨涂层的腐蚀保护机理。此外,采用模拟体液浸泡法对比考察三种涂层与Ti-6Al-4V ELI基体的磷灰石形成能力,并对所生成磷灰石作细致的结构分析表征,探讨涂层表面磷灰石的诱导及生长过程。最后,对三种涂层的抗菌性能及血液相容性作初步的评估测试。主要结论如下:1)采用双阴极等离子溅射沉积技术制备的β-Ta、Ta_2N和TaN涂层致密均匀无缺陷,与基体结合良好,厚度达到25~40μm,表面呈特殊的纳米突起形貌;TEM分析显示三种涂层均由尺寸在6~30 nm的等轴状纳米晶粒组成。2)β-Ta、Ta_2N和TaN三种涂层的硬度和弹性模量均明显高于Ti-6Al-4V ELI基体;β-Ta和Ta_2N涂层具有高的断裂韧性和机械损伤耐受性,TaN涂层相对低的断裂韧性使其在9.80 N的压痕载荷下发生开裂,腐蚀抗力严重下降;β-Ta、Ta_2N和TaN三种涂层与基体的结合强度均大于滑动工况应用要求的30 N。3)β-Ta、Ta_2N和TaN三种涂层均显著提高了Ti-6Al-4V ELI在0.9%NaCl、Ringer’s和Hank’s三种生理溶液中的电化学腐蚀抗力。较之Ti-6Al-4V ELI和商用纯Ta表面的钝化膜,三种涂层表面的Ta_2O_5钝化膜具有高的致密性、大的物理厚度、低的施主浓度和小的载流子扩散系数,呈现高的稳定性和阻隔性,赋予涂层极其优异的电化学腐蚀抗力。此外,β-Ta和Ta_2N涂层可对Ti-6Al-4V ELI基体提供长期稳定的腐蚀防护作用,其腐蚀抗力随浸泡时间的延长持续增大,而TaN涂层在Ringer’s溶液中浸泡120 h后腐蚀抗力大幅下降。4)β-Ta、Ta_2N和TaN涂层在模拟体液中浸泡14天后表面生成了完整的含碳酸根的类骨磷灰石层,显示出优良的磷灰石形成能力,显著提高了Ti-6Al-4V ELI基体的体外生物活性。5)β-Ta、Ta_2N和TaN三种涂层具有优异的抗菌性能和良好的血液相容性,有望在血管支架、人工心脏瓣膜等其他医学生物领域得到应用。
【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】:2017
【分类号】:TG174.4

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李兰兰;肖凤娟;梁晔;谷牧青;;钛金属-羟基磷灰石涂层骨植入体界面结合强度研究进展[J];国际骨科学杂志;2014年03期
2 王松;廖振华;刘伟强;;类金刚石膜在人工关节领域的应用和研究进展[J];功能材料;2014年05期
3 严学华;尹君;程晓农;;氮分压对Ta–N薄膜摩擦性能的影响[J];硅酸盐学报;2011年05期
4 高亮;杨建广;陈胜龙;杨济豪;吴玉山;;沉积法制备TaN薄膜的研究现状及其应用[J];材料导报;2010年13期
5 章晓文;林晓玲;陈嫒;;FIB的工作原理及其应用[J];电子产品可靠性与环境试验;2009年S1期
6 曹辉亮;刘宣勇;丁传贤;;医用钛合金表面改性的研究进展[J];中国材料进展;2009年Z2期
7 杨维虎;左奕;张利;李峻峰;王江;李玉宝;;制备条件影响碳酸羟基磷灰石晶格的计算分析[J];无机化学学报;2009年02期
8 梁迎春;宋代平;陈明君;白清顺;;钛系生物医用材料表面粗糙度影响细胞黏附的新进展[J];机械工程学报;2008年07期
9 蔡苇;符春林;邓小玲;程文德;;CMOS器件用金属栅材料的研究进展[J];金属功能材料;2008年03期
10 南黎;刘永前;杨伟超;徐慧;李瑛;吕曼祺;杨柯;;含铜抗菌不锈钢的抗菌特性研究[J];金属学报;2007年10期
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 刘林林;微合金化和复合化对纳米晶Ti_5Si_3涂层性能影响的研究[D];南京航空航天大学;2011年
2 倪永金;钛表面电泳沉积羟基磷灰石及其复合涂层的研究[D];厦门大学;2007年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 谭富煜;周宏伟;谢瑞珍;邹娇娟;林乃明;唐宾;;不锈钢的双层辉光表面合金化研究现状[J];热加工工艺;2015年24期
2 王亚敏;周震;宋光保;杨晓喻;;不同粗化亲水纯钛表面对人成骨细胞粘附水平的影响[J];广东牙病防治;2015年11期
3 张而耕;陈强;;类金刚石涂层的研究进展及其应用[J];粉末冶金工业;2015年05期
4 张珍容;姚异渊;罗凯;万隆;刘宣勇;;纯钛表面立方介孔SiO_2薄膜诱导沉积碳磷灰石层[J];无机材料学报;2015年07期
5 杜承天;梁琛;赵丽婷;李琳;金建;杨中东;;TC4钛合金阳极氧化及其PTFE复合涂膜耐摩擦磨损性能研究[J];材料与冶金学报;2015年01期
6 王永霞;向红亮;杨彩萍;刘东;;含铜双相不锈钢在无菌/含菌环境下的耐蚀性研究[J];中国腐蚀与防护学报;2014年06期
7 王帅;杨春光;徐大可;沈明钢;南黎;杨柯;;热处理对3Cr13MoCu马氏体不锈钢抗菌性能的影响[J];金属学报;2014年12期
8 张续;刘锋平;张倩;叶必雄;毕怡文;宋邦国;陈远生;潘力军;;两种铜制储水容器的抑菌效果评价[J];环境卫生学杂志;2014年05期
9 蔡思祺;赵萱;罗强;李欣蔚;蔡启舟;;纯Ti表面微弧氧化-碱热处理仿生陶瓷膜的制备及耐蚀性[J];中国腐蚀与防护学报;2014年03期
10 殷银锁;杨春光;王东辉;;含铜抗菌不锈钢的抗菌机制及其应用[J];中国医学工程;2013年10期
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 龚伟;纳米羟基磷灰石在古象牙修复及QCM-D芯片中的应用研究[D];西南交通大学;2018年
2 王铃铃;电偶合对钛合金TC4表面化学转化膜结构和性能的影响[D];山东大学;2017年
3 杨凯;TC4表面阴极等离子电解沉积氧化铝基复合涂层及性能[D];南京理工大学;2016年
4 胡伟;纳米晶Ta_2O_5和TaON涂层在模拟生理溶液环境中的性能研究[D];南京航空航天大学;2016年
5 何剑鹏;碳纤维表面电沉积法制备羟基磷灰石涂层及玻璃纤维增强不饱和聚酯微孔塑料的研究[D];陕西科技大学;2015年
6 钱阳;质子交换膜燃料电池金属双极板表面制备纳米晶Zr基涂层[D];南京航空航天大学;2015年
7 黄朝;电泳沉积羟基磷灰石涂层的微波合成研究[D];华中科技大学;2013年
8 贾毅恩;钛合金-羟基磷灰石功能梯度材料的激光加工工艺研究[D];杭州电子科技大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 钱超;樊英姿;孙健;;三维打印制备钛/羟基磷灰石复合体及功能梯度材料[J];中国组织工程研究;2013年29期
2 黄利平;谢有桃;季珩;赵君;郑学斌;;真空等离子喷涂HA/Ta复合涂层[J];热喷涂技术;2013年02期
3 Shi-fang ZHAO;Wen-jing DONG;Qiao-hong JIANG;Fu-ming HE;Xiao-xiang WANG;Guo-li YANG;;Effects of zinc-substituted nano-hydroxyapatite coatings on bone integration with implant surfaces[J];Journal of Zhejiang University-Science B(Biomedicine & Biotechnology);2013年06期
4 郑学斌;谢有桃;;热喷涂生物陶瓷涂层的研究进展[J];无机材料学报;2013年01期
5 林雪;郝建军;刘丽愉;;生物活性陶瓷涂层材料的制备及研究进展[J];电镀与精饰;2012年04期
6 陈艳霞;翟雪松;;界面形貌对涂层残余应力影响的数值模拟[J];太原科技大学学报;2012年02期
7 王英波;鲁雄;李丹;冯波;屈树新;翁杰;;脉冲电化学沉积法制备羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层的研究[J];高分子学报;2011年11期
8 李素敏;张芹;赵玉涛;笪祖林;刘晓燕;张钊;;HAF/YSZ梯度复合涂层的制备及结构和性能[J];中国组织工程研究与临床康复;2011年47期
9 王银海;陈晓怡;杨贤燕;苟中入;;纯钛表面微量元素协同掺杂仿生复合涂层的制备与表征[J];硅酸盐学报;2011年11期
10 王英波;鲁雄;冯波;屈树新;翁杰;;电化学沉积法制备磷酸钙/明胶复合涂层的研究[J];无机材料学报;2011年01期
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026