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Ti6Al4V表面医用氧化钽复合涂层的制备及其性能研究

丁子彧  
【摘要】:Ti6Al4V钛合金在生物相容性、耐腐蚀和力学性能等方面具有良好的综合性能,是当今医用植入体的首选材料。但是,体液环境的腐蚀性使长期服役的Ti6Al4V植入材料释放有毒的Al~(3+)、V~(2+)等金属离子,引发宿主产生不良反应,导致植入体失效;另外,Ti6Al4V本身不具备抗菌功能,细菌感染率高,对人体健康构成极大威胁。本文基于Ti6Al4V临床应用中存在的问题,采用磁控溅射技术在其表面制备多功能医用涂层,围绕涂层的成分设计、制备与表征、结合强度、电化学腐蚀和抗菌等方面开展系统地研究。基于功能梯度材料理论,提出了新型多功能医用复合涂层的设计理念。该涂层由5层薄膜组成,第1至第5层依次为Ti、TiO_2、Ta_xO_y-TiO_2,Ta_xO_y和ZnO-Ta_xO_y。其中第1至第3层为中间层,其作用是提高涂层统的结合强度,第4层Ta_xO_y薄膜起抗腐蚀作用,最外层的ZnO-Ta_xO_y薄膜为抗菌层。采用磁控溅射技术在Ti6Al4V表面上制备了含有不同中间层的Ta_xO_y复合涂层(SL、ML-1、ML-2和ML-3),利用SEM、XRD和EDS对涂层试样进行了表征,系统研究了涂层试样的微观结构、结合强度、硬度与弹性模量、润湿性和耐腐蚀性能。结果表明:(1)Ta_xO_y薄膜呈非晶结构,由单晶或多晶组成。(2)随着中间层层数的增加,涂层试样的疏水性增强,硬度和弹性模量提高,结合力增大,其中ML-3的涂层结合力是无中间层SL试样的9.09倍。(3)随着中间层层数的增加,涂层试样在模拟体液环境下的自腐蚀电位增加,腐蚀电流减小,耐腐性能越好,其中ML-3试样的涂层保护率为92.43%。研究了掺杂ZnO的Ta_xO_y多层复合涂层的润湿性、耐腐蚀性和抗菌性能。结果表明:随着ZnO掺杂量由2.36 wt.%增加到5.53 wt.%,涂层试样表面的水接触角由103.12°减小到86.9°,亲水性增强;涂层试样的腐蚀电位较Ti6Al4V的腐蚀电位正203 mV以上,腐蚀电流密度较Ti6Al4V的腐蚀电流密度小5.56μA·cm-2以上;掺杂ZnO的复合涂层对金黄色葡萄球菌的生长具有显著的抑制作用,而且ZnO掺杂量越多,杀菌率越高,其中ZML-200的杀菌率为98.92%。


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