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TC4钛合金超疏水涂层的制备、耐蚀性和血液相容性研究

张鹏  
【摘要】:为提高生物医用材料TC4钛合金的耐蚀性和血液相容性,本文采用微弧氧化技术在TC4钛合金表面先制备粗糙多孔的二氧化钛陶瓷膜层、采用碱溶液水热处理在TC4钛合金表面制备钛酸钠陶瓷膜层,再经全氟辛基三氯硅烷(PFOTS)乙醇溶液疏水处理后得到超疏水膜层。采用SEM、XRD、EDS和XPS等方法研究超疏水膜层表面显微组织结构,利用接触角测试仪测量其表面湿润性,利用电化学工作站评价其耐腐蚀性能,采用血液相容性和抗菌性测试研究其体外生物学性能。在微弧氧化技术下制备得到的陶瓷膜层主要由锐钛矿TiO2组成,表面粗糙多孔,膜层的粗糙度随微弧氧化正向电压和处理时间的增加而增加,随脉冲频率的增加而减少。碱热处理下制备的陶瓷膜层主要由Na2Ti6O13组成,表面形貌呈草叶型针状且存在许多微小的裂纹,膜层表面粗糙度随水热处理液中溶质NaOH浓度的升高而增加。在两种表面改性方法下制备得到的陶瓷膜层均具有微纳米粗糙结构,通过自组装技术,疏水处理后得到超疏水膜层。结果表明,在优化微弧氧化电参数和疏水处理实验参数后,CA最高为155°,具有超疏水性质;水热处理体系中CA最大为159°,具有较好的疏水性质。超疏水膜层抑制了TC4钛合金中对人体有较大影响的Al、V等离子的释放,通过EDS分析,Al元素约占1.51%,V元素约占0.10%。对TiO2和Na2Ti6O13陶瓷膜层进行XPS分析,结果表面,膜层表面存在大量羟基,这些羟基能与PFOTS乙醇溶液中水解过后的羟基通过化学键结合,从而在陶瓷膜层表面形成一层低表面能物质分子膜,得到超疏水性能。TC4钛合金基体的腐蚀电流密度Icorr为3.393×10-7 A/cm-2,极化电阻值Rp为1.17×105Ω/cm2;微弧氧化体系中超疏水膜层Icorr为2.139×10-8 A/cm-2,Rp为2.07×106Ω/cm2;碱热处理后超疏水膜层Icorr为6.336×10-8 A/cm-2,Rp为3.42×105Ω/cm2。超疏水膜层的腐蚀电流密度比基体均降低了一个数量级,极化电阻均大于基体,提高了基体的耐腐蚀性能。该自组装技术制备得到的超疏水膜层符合Cassie-Baxter模型。界面与液体接触时,接触面为固-气-液三相共存复合接触面,在膜层表面-腐蚀液体的界面上存在一层“气垫”,减少了液体与膜层表面的接触面积。该三相共存复合界面能有效阻止液体的渗透,阻止对材料的腐蚀等反应的发生。分别对基体、陶瓷膜层、超疏水膜层进行溶血率、动态凝血时间和血小板粘附试验,结果表明,超疏水膜层具有最低的溶血率、最长的动态凝血时间且几乎没有血小板的粘附,说明具有超疏水性质的TC4钛合金的血液相容性得到了较大的改善。抗菌实验表明,超疏水膜层表明粘附的细菌数量最少,说明超疏水膜层有效提高了TC4钛合金的抗菌性能。


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