溶胶-凝胶法在多孔钛表面合成羟基磷灰石/二氧化钛生物复合薄膜

摘要

钛及其合金具有优良机械性能和耐腐蚀能力，因此在临床上长期被用作移植材料，如作为牙齿和骨头的替换物。但是目前所应用的钛合金生物力学与人骨不匹配，这是因为它们的弹性模量远远大于人骨。目前有较多的研究集中在制备与人骨相似的多孔骨架上。本文用粉末冶金法制备和人骨具有相似弹性模量的多孔钛，并且用溶胶-凝胶法在其表面合成HA/TiO2生物薄膜提高它的生物活性。 制备多孔钛所用的原料是商业纯钛粉(粉末尺寸≈10μm)和碳酸氢铵粉末(NH4HCO3)。制备的方法是先将这两种粉末按比例充分的混合，经过剧烈搅拌后将混合物放入模具中用80MPa的压力压制，接着分别在180℃和1200℃保温30min和2H。 本文合成的是开孔型多孔钛，通过它表面的扫描电镜图片可测出它的孔径在30-250μm之间，它的孔隙率在7.3％-35.4％之间。从它们的光学金相图片上可以看出这是一种α相的钛合金，并且它的晶粒尺寸在2-10μm范围内。多孔钛的弹性模量可以通过它的应力-应变曲线图计算得到，计算结果表明它的弹性模量在9.92-7.20GPa之间，相对Ti-6Al-4V等钛合金要低得多，并且很接近人骨的弹性模量(7-25GPa)。从多孔钛断口表面的SEM图可知道它的断裂方式是脆性断裂，从它的断口表面光学金相图发现裂纹穿过晶界向前扩展，表明它断裂时是穿晶断裂。 用溶胶-凝胶法在多孔钛表面合成了具有生物活性的HA/TiO2复合薄膜。合成TiO2溶胶的前驱体是太酸正丁酯(C16H36TiO4)，并且用二乙醇胺作为催化剂减缓它的水解速度。合成羟基磷灰石(HA)溶胶用的前驱体是亚磷酸三乙酯(C2H5O3PO))和硝酸钙(Ca(NO3)2.4H2O))，方法是先将前者用纯净水水解24H，最后将后者加进去。用提蘸法以12cm/min的速度在多孔钛表面合成TiO2薄膜，然后在600℃保温20min。用同样的方法和速度在TiO2薄膜表面合成HA薄膜，接着在不同温度下进行热处理。用DSC、XRD、和SEM分析了凝胶和薄膜的组成、表面和截面形貌。实验结果表明HA在560℃开始形成，并且随着温度的升高结晶度有所升高。HA薄膜表面致密没有裂纹，从截面图上也没有看到内部存在裂纹和气孔。HA/TiO2的厚度约为10μm。 HA/TiO2薄膜在模拟体液(SBF)中浸泡24H后，从它的形貌图上可看到他的表面出现了一些很小的颗粒，浸泡336H后薄膜表面被一层新的薄膜所覆盖，EDX测试表明它们是类骨磷灰石。经过浸泡后XRD图中属于HA的衍射峰明显升高。EDX测试表明薄膜表面的Ca/P原子比浸泡前是1.69，24H后降到1.46，336H后是1.40。在这一过程里，HA薄膜诱导SBF中的Ca和P等离子形成类骨磷灰石。这些现象表明HA/TiO2具有优良的生物活性。 在37±0.5℃的Ringer溶液中测试了样品经过不同处理后的耐腐蚀性能。实验结果表明表面有HA/TiO2薄膜的多孔钛具有最低的自腐蚀电流密度(1.757μA/cm2)从而具有最好的耐腐蚀性能。这说明HA/TiO2薄膜可以提高多孔钛基体的耐腐蚀性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图索引、附表索引

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第一章 绪论

第二章 多孔钛的制备及其性能测试

第三章 溶胶-凝胶法合成TiO2薄膜

第四章 溶胶-凝胶法合成HA薄膜

第五章 HA/TiO2薄膜的性能测试

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢