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Ti-Ag/Ti-HA梯度复合材料的组织及力学与矿化性能研究

焦美琪  
【摘要】:纯钛(CP-Ti)具有低密度、高比强度、良好耐蚀性和生物相容性,因而在医学领域中得到了广泛应用。但是在临床应用中发现,纯Ti抗拉强度约为400MPa左右,难以满足人体高承载部位的使用要求;弹性模量较高易产生应力-屏蔽效应,同时纯Ti属于生物惰性材料,与人体组织之间难以形成骨性结合,会降低植入体的使用寿命。在纯钛中添加适量Ag元素进行合金化,可以显著提高纯Ti的强度和耐腐蚀性能,降低弹性模量,赋予材料一定的抗菌性。但是Ti-Ag合金仍然属于生物惰性材料,表面无生物活性且难以与人体组织形成骨性结合。纯Ti多孔化处理可使其弹性模量显著降低,且多孔结构可以促进骨组织向内生长和血管化,生物活性明显提高,容易形成稳定的生物固定(骨整合);然而多孔化也会导致纯Ti的强度显著下降,难以满足力学性能要求。针对以上问题,本文设计了Ti-Ag/表面多孔Ti-HA梯度复合材料,中间为Ti-15.63Ag合金,周围为多孔Ti-HA层。通过中间基体合金保持材料具有优异的力学性能和耐蚀性能,同时表面多孔层及添加的HA陶瓷可以为材料提供良好的生物活性,从而改善和提高纯Ti在临床应用中存在的问题。采用放电等离子烧结技术(SPS),制备了Ti-15.63Ag/表面多孔Ti-HA梯度复合材料,研究了不同烧结温度和不同HA添加量对Ti-Ag/表面多孔Ti-HA梯度复合材料的微观组织、界面结合、孔隙特征、力学性能和矿化能力的影响。得出了以下结论:采用SPS制备的Ti-Ag/表面多孔Ti-HA梯度复合材料的基体Ti-Ag合金主要由α-Ti和Ti_2Ag相组成。Ti-Ag/多孔Ti梯度复合材料在950℃和1000℃时,界面处存在裂纹,温度升高到1050℃和1100℃时,内外形成稳定的冶金结合,1150℃时,有融化迹象,孔洞连通在一起,界面划分区域不明显,达不到梯度复合材料设计要求,温度的升高,使材料的孔隙率由50.1%降低到36.6%。所制备的Ti-Ag/表面多孔Ti-HA梯度复合材料在最佳温度1100℃下表面多孔层由α-Ti和HA相和少量Ca O、Ca Ti O_3、Ti_5P_3等杂相组成;HA含量的增加使得杂相的含量呈增大趋势,HA含量超过7%以后,由于金属-陶瓷化合物的物化性质的差异导致在界面处开始出现裂纹和缺陷,界面结合变差;孔隙率随着HA含量的增加从36.6%逐渐增加到51.3%,孔隙尺寸逐渐增大。烧结温度的升高使得Ti-Ag/表面多孔Ti梯度复合材料压缩弹性模量由9.7GPa增加至12.4GPa,抗压强度由865MPa增加至1180MPa;温度的升高使基体更加致密,同时界面结合强度较高,因而力学性能越来越好;Ti-Ag/表面多孔Ti-HA梯度复合材料随着HA含量的增加,压缩弹性模量由12.4GPa降低到8.6GPa,抗压强度由1180MPa降低到835MPa;HA含量增加使得界面和表面多孔层基体出现较多裂纹和缺陷,中间基体合金中存在微孔,复合材料的力学性能显著下降。Ti-Ag/表面多孔Ti-HA梯度复合材料的腐蚀电流密度随着HA含量的增加逐渐增大,表明HA的加入会降低材料的耐腐蚀性。Ti-Ag/表面多孔Ti-HA梯度复合材料在Hank’s溶液中浸泡7天后,随着HA的加入,磷灰石沉积越来越多,HA的添加使孔隙率升高,增加了浸泡过程中与模拟体液的接触面积,从而促进表面离子交换,促使更多的磷灰石沉积在材料表面,生物活性得到显著提高。


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