钛合金表面激光合成与熔覆稀土生物陶瓷复合涂层的研究

【摘要】： 在钛合金基体上涂覆以羟基磷灰石(HA)为主的生物陶瓷涂层制成的复合生物材料，既有优良的力学性能，又有优良的生物相容性，被认为是最有希望的新型生物骨替换材料之一，因此成为近年来生物材料领域研究最为活跃的方向之一。本文依据 HA 可以通过适当的含钙、磷盐的混合物在烧结过程中反应合成，以及激光技术已广泛用于涂层制备的事实，提出通过激光处理在钛合金表面同步合成及熔覆以HA 为主的生物陶瓷复合涂层，可以节约成本，并缩短生产周期。同时，在涂层中添加了少量Y_2O_3，获得了良好的效果。 试验证明，在经过激光重熔预处理的TC4表面，预涂敷80％CaHPO_4，·2H_2O、20％CaCO_3以及另加1％Y_2O_3的混合粉末，以较低的功率密度(13～15W／mm~2)和较高的扫描速度(630mm／min)进行激光处理，实现了 HA 的同步合成与熔覆，获得的稀土生物陶瓷复合涂层的物相组成为：Ca_(10)(PO_4)_6(OH)_2(HA)、β-Ca_3(PO_4)_2(β-TCP)、α-Ca_3(PO_4)_2、Ca_2P_2O_7、Ca_2Y_2O_4和CaY_4O_7。该涂层晶粒细小、表面呈多孔状，形貌与自然骨十分相似，并且其成分、组织和性能都具有梯度分布。涂层复合材料具有良好的综合力学性能，其强度和硬度高于自然骨，并具有一定的塑性和韧性，由于涂层的弹性模量介于基体与自然骨之间，所以植入体的生物力学相容性也能得到改善。 生物学试验表明，涂层材料对肌肉、红系细胞及成纤维细胞均无毒副作用，大剂量地注入动物体内也未引起明显的急性毒性反应，表明其具有较好的血液相容性和组织相容性。动物植入试验证实，钛合金与涂层在生物体内均有良好的生物相容性。但钛合金属生物惰性材料，植入较长时间后，被纤维组织包裹而与活体硬组织隔离；稀土生物陶瓷复合涂层则具有一定的生物活性，它不影响破骨细胞与成骨细胞的活性，在体内有细胞介导的降解，植入60天后，新骨生长直接发生于涂层表面，表现出较好的骨传导性。 稀土元素可以显著改善涂层的相组成、组织和性能。温度场计算表明，在激光加热过程中，Y_2O_3并未完全熔化，又因为其密度较大，所以倾向于下沉，使钇元素富集于界面，这一点也为成分分析所证实。富集于界面的钇阻碍了基体元素向涂层的迁移，降低了涂层的稀释度，有利于 HA 等生物陶瓷相的合成。同时，热分析试验证明，Y_2O_3对 HA 的合成具有催化作用，并且钇可以提高 HA 和β-TCP 的高温稳定性，所以涂层中产生了较多的生物活性陶瓷相。残留于涂层中的钇多具有细化晶粒的作用，可以提高其力学性能。含稀土的涂层与基体的界面结合强度为42.76MPa，比不含稀土者提高了两倍以上；同时，钇还提高了涂层在酸、碱和生理盐液中的耐腐蚀性能。