激光快速成形制備鈦表面HA涂層及其成骨相關性能研究.pdf

1、純鈦等金屬材料具有良好的機械性能和生物相容性，但其不具有生物活性，無法與植入區(qū)骨組織形成化學結合，其固位只能依靠機械嵌合；以羥基磷灰石為代表的磷酸鈣陶瓷具有較好的生物活性，能夠與植入區(qū)骨組織形成穩(wěn)定的化學結合，然而其機械性能差，無法承受生理載荷。表面涂層技術可以將二者的優(yōu)勢結合在一起，目前在純鈦等金屬表面制備磷酸鈣涂層的技術較多，然而均存在結合強度低、物相活性差等問題。激光熔覆技術能夠使涂層與基材之間發(fā)生冶金結合，提高涂層的結合強度，但

2、是其涂層內部物相的生物活性及穩(wěn)定性較差。本課題將激光快速成形技術應用于純鈦表面磷酸鈣生物活性陶瓷涂層的制備研究，以CaHPO4·2H2O和CaCO3混合粉末為原料，探討了原料粉末鈣磷比、激光功率、掃描速度和熱處理條件對涂層生成物相的影響規(guī)律；在優(yōu)化的工藝條件下，在純鈦表面制備出了HA涂層；并對該涂層材料的機械、理化和生物學性能進行了評價，探索出了一種純鈦表面HA涂層制備的新方法，為HA涂層材料的進一步制備研究及應用奠定實驗基礎。

3、　　研究方法：
　　1.通過分組設計，進行涂層的成形制備，利用X射線衍射和能譜分析技術，分析原料粉末鈣磷比值、激光功率、掃描速度和熱處理條件對涂層內部物相的影響規(guī)律。
　　2.在優(yōu)化的條件下制備出純鈦表面HA涂層，利用X射線衍射、能譜分析、掃描電鏡等技術及力學實驗對其微觀組織結構、元素分布、物相組成和機械性能進行表征。
　　3.采用靜態(tài)浸泡實驗方法，以經表面處理后的純鈦為對照組，對涂層材料在模擬體液中的溶解和沉積行為進

4、行研究。
　　4.采用成骨細胞與材料共培養(yǎng)技術和動物骨內植入實驗，研究涂層材料與成骨相關的生物學性能。
　　研究結果
　　1.CaHPO4·2H2O和CaCO3混合原料粉末的鈣磷比對激光快速成形技術制備的涂層物相具有顯著的影響，其中鈣磷比為2.0時可以在純鈦表面生成含HA、α-TCP和TTCP生物活性物相的涂層。
　　2.在激光的低功率區(qū)，即450w～550w的范圍內，涂層中的HA成分分解較少，同時所含的生物活性

5、物相保持了較高的水平；而激光的掃描速度對涂層生成物相無顯著性影響。
　　3.獲得了制備磷酸鈣涂層的優(yōu)化工藝參數，即原料粉末鈣磷比為2.0、激光功率450w、掃描速度200mm/min、搭接率35％、送粉速率2.0g/min、光斑直徑3.0mm；在上述優(yōu)化參數下，在純鈦表面制備出了含HA、α-TCP和TTCP生物活性物相的涂層；該涂層的微觀表面凹凸不平，內部含有微孔，涂層與基材之間形成了冶金結合；從基材到涂層表面存在滲P的基材層（T

6、i3P層）、CaTiO3層和陶瓷層等三層結構；其中，Ti3P層硬度最高，達到了1263.0±35.3HV0.1，而陶瓷層硬度最低，達到了482.2±20.3HV0.1。
　　4.隨著涂層熱處理條件的不同，涂層內部的物相也發(fā)生變化，當熱處理溫度為800℃、保溫時間6h時，涂層內部的物相全部轉變?yōu)镠A；熱處理后，涂層與基材之間的結合強度達到了24.50±0.72MPa。
　　5.HA/Ti涂層在模擬體液中會釋放出一定量的Ca、P

7、離子，但對模擬體液的pH值沒有顯著影響，同時可以誘導HA顆粒在涂層的表面發(fā)生沉積。
　　6.HA/Ti涂層能夠促進成骨細胞的早期黏附、增殖和ALP活性，成骨細胞在涂層表面呈立體、多向性伸展。
　　7.HA/Ti涂層能夠促進植入區(qū)的骨再生和骨改建，并能夠與再生骨形成緊密的結合。
　　結論
　　在優(yōu)化的工藝條件下，激光快速成形技術結合熱處理技術可以在純鈦表面制備出HA涂層，該涂層與基材間形成了良好的結合，并具有較好的