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脉冲激光沉积羟基磷灰石/生物玻璃复合薄膜的研究

王佃刚  
【摘要】: 羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)因其具有良好的生物相容性和生物活性,并且存在于动物的骨和牙等硬组织中,已成为临床医学上应用比较广泛的种植体材料。但是块状HA强度低、脆性大,不能应用于人体的承载部位。为了改善种植体的机械性能,可将HA作为薄膜材料沉积到金属基体如钛及其合金表面来获得机械性能和生物性能都优异的种植体。目前HA薄膜的制备方法有等离子喷涂、溶胶-凝胶、磁控溅射、电泳沉积等方法,这些传统方法在HA薄膜的制备方面都取得了一定的成功,但所制备的薄膜存在HA分解、非晶化严重、与基体结合强度低等缺点。上世纪80年代发展起来的脉冲激光沉积技术(Pulsed Laser deposition,PLD)因其能够制备化学成分计量比准确、与基体结合强度高的薄膜,在薄膜制备中逐渐显示出其优势,也为HA生物薄膜的制备提供了一项新技术。另外,HA与钛合金在热膨胀系数等机械性能上差别较大,种植体在环境温度发生变化时会导致种植体表面裂纹的产生,影响种植体的使用寿命。因此可以将生物活性更高、热膨胀系数低但溶解速度快的45S5玻璃与HA混合,制备HA/45S5复合薄膜,不但可以提高薄膜的结合强度,而且有利于薄膜生物活性的增加。本文采用脉冲激光沉积技术在钛合金Ti-6Al-4V表面制备HA/45S5复合生物薄膜,综合利用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X-射线衍射(XRD)、傅立叶转换红外光谱(FTIR)、原子力显微镜(AFM)等测试方法对沉积的薄膜的微观组织结构进行表征,通过体外模拟体液浸泡试验研究薄膜的生物活性,并对薄膜的生物安全性进行评价。 试验结果表明,脉冲激光沉积HA/45S5复合薄膜的表面存在大量的直径为0.2~3μm的球形和不规则形状的颗粒。靶材中原有45S5成分在沉积后仍旧以非晶的形式存在,HA则会部分发生分解生成β-Ca_3(PO_4)_3,其结晶度受到沉积工艺条件的影响很大。薄膜沉积后HA晶格中的羟基丢失,Si-O-Si四面体网络结构发生畸变,导致Si-O键的振动吸收峰向低值偏移,并产生Si-O非桥氧键(Si-O-NBO)。 脉冲沉积工艺对薄膜的组织结构、相组成、薄膜的结合强度等影响很大。衬底温度的升高为等离子体在基体表面的沉积注入了新的能量,有利于更多的粒子在表面沉积,导致薄膜表面颗粒数目增多,粗糙度增加,同时有利于提高薄膜的结晶度以及薄膜与基体的结合强度。衬底温度的升高还加速P的丢失,使薄膜中的Ca/P原子比增大。 反应气氛压力的减小意味着反应室中气体分子密度的降低,等离子羽辉中粒子与气体分子碰撞的几率降低,能量损失减少,沉积到基体表面的粒子所具有的动能更大,与基体的结合强度更高。但气氛压力减小会使等离子羽辉的锥角变大,P更容易丢失,薄膜粗糙度和结晶度都随之降低。微氧气氛可促使低熔点的P氧化,在薄膜冷却过程中减少P元素的丢失,降低薄膜的Ca/P原子比,并且存在CO_3~(2-)离子替代OH~-离子的现象。另外,薄膜形成的初始阶段,沉积的粒子沿着基体表面外延生长,与基体间存在很好的晶格匹配,因此激光脉冲数目越少,薄膜与基体的结合力越大。 靶材成分不同对薄膜的表面形貌影响不大,主要影响薄膜中P、Na元素的丢失程度,靶材中45S5的相对含量越高,薄膜的P、Na元素丢失越严重。45S5玻璃的添加会引起薄膜结晶度的降低,同时会影响HA的晶格取向,当45S5添加量为20 wt.%和50 wt.%时,薄膜中HA发生c轴择优取向。HA晶体结构中OH~-具有严格的[0001]取向,激光烧蚀过程中OH~-极易失去,形成了c轴取向的空穴通道。薄膜形成过程中,在外来粒子的作用下,磷灰石晶体便有可能沿着[0001]方向生长形成c轴取向。45S5的添加会降低薄膜与基体间热膨胀系数的差异,有利于提高薄膜与基体的结合强度,但过高的45S5添加量又会导致薄膜非晶化严重,使结合强度降低。本试验中,当45S5的添加量为20 wt.%时,薄膜结合强度最大,临界载荷为18.7N。 45Pa氩气气氛下,衬底温度为200℃时50 wt.%HA+50 wt.%45S5薄膜为非晶态,适当热处理可有效提高薄膜的结晶度以及与基体的结合力。600℃热处理1h后薄膜的临界载荷为17.5N,但随着温度的提高和保温时间的延长,热处理又会破坏薄膜的完整性,使薄膜与基体的结合强度呈下降趋势。热处理温度一定时,随着保温时间的延长,薄膜晶粒尺寸逐渐增大。保温时间为2h时,700℃热处理的薄膜中的HA呈现a轴取向,薄膜表面析出细小的颗粒物,800℃热处理的薄膜的HA则呈现c轴取向,薄膜表面析出针状组织。热处理温度的提高和保温时间的延长会使Si-O四面体网状结构中由外来粒子引起的晶格畸变程度降低,导致FTIR结果中Si-O单非桥氧功能团吸收峰强度减弱甚至消失,同时使739cm~(-1)附近的Si-O弯曲振动吸收峰向高值区偏移。 体外模拟体液浸泡试验表明生物薄膜在模拟体液浸泡过程中的初始阶段溶解行为占主导地位,而后以沉淀行为为主,所制备的HA/45S5薄膜具有良好的生物活性,但薄膜的溶解和沉淀速率受到结晶度的影响。 含有45S5成分的薄膜在浸泡过程中,薄膜中的Na~+、Ca~(2+)等离子会迅速与体液中的H~+或者H_3O~+发生离子交换,P元素则以PO_4~(3-)、HPO_4~(2-)、H_2PO_4~-等形式快速溶于体液中,而薄膜中的Si-O-Si键遭到破坏后Si元素以Si(OH)_4的形式溶解于体液中。体液中Si(OH)_4在薄膜表面附近浓度很大,极易发生缩聚反应形成[SiO_2]聚合体,并在薄膜表面沉积后形成多孔网状结构的富Si凝胶层,加上Zeta电势的作用,当薄膜表面附近体液中Ca~(2+)、PO_4~(3-)离子浓度达到饱和时,Ca~(2+)、PO_4~(3-)离子的扩散会在凝胶层上形成非晶CaO-P_2O_5,非晶CaO-P_2O_5与OH~-、CO_3~(2-)等离子结合后便结晶形成羟基磷灰石或者碳酸磷灰石。HA薄膜在模拟体液浸泡时,新钙磷层的形成过程主要受Zeta电势的影响。当薄膜表面附近的溶液中Ca~(2+)、PO_4~(3-)离子达到饱和时,Ca~(2+)、PO_4~(3-)离子便会交替在薄膜表面沉积形成新的钙磷层。 薄膜在模拟体液浸泡后的FTIR结果表明溶解过程中原始薄膜的基团的吸收峰强度逐渐减弱甚至消失,随后新沉积的磷灰石的基团的吸收峰出现并不断增强。在沉积过程中,磷灰石结构中容易形成CO_3~(2-)离子的B型替代形成碳酸磷灰石。XRD结果表明随着浸泡时间的延长,非晶薄膜逐渐有HA析出,结晶度逐渐升高,而结晶度较高的HA薄膜和衬底温度为600℃时50 wt.%HA+50 wt.%45S5薄膜浸泡后其结晶度经历先降低后增高的过程。 通过溶血试验、L929细胞毒性作用试验和急性全身毒性试验对所制备的薄膜进行了生物安全性评价。结果表明,本试验中所制备的薄膜无细胞毒性作用,不会引起溶血反应和急性全身毒性反应,对细胞生长和增殖无抑制现象,对试验动物没有产生毒害作用,具有良好的生物相容性,符合生物安全性要求。


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