溶胶-凝胶-微弧氧化复合制备种植体表面HA-TiO2复合涂层探究.docVIP

溶胶-凝胶/微弧氧化复合制备种植体表面HA/TiO2复合涂层探究[摘要]目的：探讨微弧氧化和溶胶－凝胶复合方法对钛种植体进行表面改性研究，在提高耐磨性、耐腐蚀性的同时，改善材料的生物活性。方法：利用微弧氧化和溶胶－凝胶复合方法在钛种植体表面制备羟基磷灰石(hydroxyapatite)HA/TiO2复合涂层，用扫描电镜(SEM)观察陶瓷膜层的表面形貌，用x射线衍射(XRD)仪和x射线能谱(EDX)分析膜层的成分和元素分布。并对材料表面粗糙度的变化和涂层结合力进行检测。结果：形成的复合涂层由内层表面多孔的TiO2层和外层的HA层构成。HA/TiO2复合涂层与基体的结合强度约为(30±2.5)N，同时复合涂层提高了材料的表面粗糙度。结论：采用微弧氧化和溶胶－凝胶复合的方法可在钛种植体表面制备HA/TiO2复合涂层，初步研究表明该涂层具有较好的结构和生物活性。 [关键词]微弧氧化；溶胶－凝胶；HA/TiO2复合涂层；钛种植体 [中图分类号]R783 [文献标识码]A [文章编号]1008－6455(2007)03－0394－03 纯钛及钛合金具有良好的理化性能和极佳的生物相容性，因此是目前临床上应用最广泛的硬组织植入材料。但钛种植体生物活性差，在生理环境下易腐蚀导致金属离子释放。近年的研究主要集中在附加生物涂层的方法来解决以上问题。由于HA(hydroxyapatite/titania)具有一定的生物活性，可与骨组织形成牢固的化学结合，因此是制备钛种植体表面生物涂层的理想材料。前期的研究也证实了HA涂层在植入的早期显著促进了种植体与骨组织间的结合。由于HA与钛金属理化性能差异较大，同时涂层制备工艺还不够完善，造成了HA涂层在体内不能长期保持稳定，容易出现溶解、脱落，这一问题目前还未很好地解决。 本研究尝试采用微弧氧化和溶胶一凝胶复合的方法在钛表面沉积HA/TiO2复合涂层，利用TiO2过渡层来协调HA与钛金属理化性能的差异，提高HA涂层与钛基体结合的稳定性，同时改善钛材料的生物活性，提高抗腐蚀性。 1　材料和方法 1．1　样品制备：TA2纯钛板(西北有色金属研究院)线切割为10mm×10mm×3mm大小，用240目、500目、800目水砂纸逐级打磨，丙酮、无水乙醇超声清洗20min，蒸馏水冲洗3遍后干燥、备用；适量钙盐、磷酸盐溶于去离子水中，使电解液的钙/磷离子的摩尔比为3，加入少量氢氧化钠调整电解液pH值为10～11；分别配制浓度为0.2mol/L的硝酸钙及五氧化二磷前驱体溶液，按Ca/P比为1.67将二者混合，充分搅拌之后陈化48h。 1．1．1　微弧氧化预处理：在配制好的电解液中，以钛试件为阳极，不锈钢片为阴极，采用脉冲一直流电源对钛试件进行微弧氧化处理。电压设定为450V，频率为900Hz，占空比为3％，处理时间为5min。处理过程中，可在样品的表面观察到无数微小的、明亮的、游动的放电弧光，直到处理结束。电解液温度由初始温度变为约35℃。预处理完成后用去离子水清洗。 1．1．2　溶胶一凝胶：真空条件下，将处理后的试件分别在配置好的前驱体溶液中浸泡8min。然后以8.5cm/min的速度从溶液中拉出，150℃干燥15min，然后置于空气中自然冷却。以5℃/min的速度加热至600℃，然后随炉冷却，至室温时取出。 1．2　试件检测：JSM－5800扫描电镜(SEM)观察HA/TiO2复合涂层的表面形貌。Rigaku D/max－3C X-射线衍射仪(X－ray diffraction，XRD)和X射线能谱分析仪(energy dispersive X－rhy analysis，EDX)分析膜层的成分和元素分布。WS－2002涂层附着力自动划痕仪测量其结合力，TR240便携式表面粗糙度仪测量表面粗糙度。 2　结果 2．1　TiO2涂层表面形貌、能谱分析及涂层物相分析(如图1～2)：图1所示为TiO2陶瓷膜表面形貌，涂层表面呈现粗糙多孔的结构，均匀分布孔径大约为2～10μm微孔，部分微孔间相互交通。涡流测厚仪示：TiO2涂层厚度约为6μm。TiO2涂层能谱分析图表明TiO2陶瓷膜主要是由Ti、Ca、P、O 4种原素组成。X射线衍射分析结果如图5(A)示：由金红石相TiO锐钛矿相TiO，钙钛矿相TiO组成。 2．2　HA/TiO2复合涂层表面形貌(如图3)：结果表明HA/TiO2复合涂层表面可见最初的涂层已被一层薄的羟基磷灰石覆盖，但该涂层较薄，不致密，仍可见底层TiO2陶瓷膜粗糙多孔的结构，孔径被HA覆盖而变小。经涡流测厚仪测得HA/TiO2复合涂层厚度约为10μm。复合涂层能谱分析图(如图4)，结果发现复合涂层中元素种类未发生变化，但ca、P元素明显