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镍钛合金表面多层薄膜的制备研究与评价

胡德平  
【摘要】:镍钛形状记忆合金现已逐渐用于制作人体硬组织植入体,作为人体植入材料,镍钛合金存在以下两个问题:一、弹性模量与自然骨相差悬殊,生物力学相容性欠佳,容易造成应力集中和骨吸收的不良后果;二、成分和组织结构与人骨截然不同,其具有生物惰性,植入体内只是一种机械嵌连性的骨整合。因此,对钛及其合金进行表面改性十分必要。 类金刚石薄膜的研究近年发展迅速,对医用金属材料而言,单采用物理气相沉积或化学气相沉积技术制备的DLC薄膜性能还不能满足植入物的需要,薄膜与医用金属材料之间的结合力差,主要由于薄膜与基体不同的热膨胀性能而导致膜基之间存在很高的内应力,从而导致应用过程中薄膜出现剥落、起皱等现象。对此,本实验采用人们提出的过渡层技术,利用双放电腔微波-ECR等离子体源,结合复合PVD的方法,先后在NiTi基体上沉积Si和Si/α-C∶H过渡层,然后制备类金刚石薄膜,以期找到一个合理的工艺参数来指导类金刚石的制备。实验结果表明:当沉积时间在60min左右时可获得具有最好结合强度的梯度薄膜,而超过或低于这个时间值会导致膜基结合强度降低。 羟基磷灰石被认为是目前生物相容性最好的生物陶瓷之一,但国内外的研究以单一HA涂层居多。由于金属基体与涂层间的膨胀系数不匹配,加热或冷却过程中会产生残余应力,使涂层的附着强度受到一定的限制。因此,提高涂层的结合强度,确保其在体内的稳定存在,使材料能够满足临床应用的需求是急需解决的问题。如在镍钛合金表面形成氧化钛薄膜而形成的陶瓷层,可有效地改善腐蚀性能和磨损性能,更重要的是在人体与合金中的镍离子之间形成一道屏障,防止镍离子进入人体。本工作先后利用溶胶-凝胶法制备了氧化钛和羟基磷灰两种薄膜,然后结合氧化钛和羟基磷灰石各自的优点,制备二氧化钛/羟基磷灰石的生物活性薄膜。实验结果表明:HA/TiO_2/NiTi体系比纯HA/NiTi体系的结合强度有着良好的腐蚀性能及结合强度。 本研究工作的结果表明,无论是在制备类金刚石薄膜还是制备羟基磷灰石薄膜时,在薄膜之间引入过渡或缓冲层来减小薄膜与基体之间的应力差距是有必要的。


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