【摘 要】
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Ti-Mo合金具有较高的比强度、较低的弹性模量、良好的耐蚀耐磨性和优异的生物相容性等特点,非常适合用于制造骨科植入体。但是,Ti-Mo合金表面具有生物惰性,植入人体后难以与自然骨形成强有力的骨性结合,在长期服役过程中容易松动或脱落。羟基磷灰石(HA)是一种高生物活性陶瓷材料,但因较差的力学性能而难以应用于高承载部位。本文基于复合材料的设计思路,将力学性能良好的Ti-Mo合金和生物活性优异的HA陶瓷
【基金项目】
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国家自然科学基金(51501073); 江苏省自然科学基金(BK20140162);
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Ti-Mo合金具有较高的比强度、较低的弹性模量、良好的耐蚀耐磨性和优异的生物相容性等特点,非常适合用于制造骨科植入体。但是,Ti-Mo合金表面具有生物惰性,植入人体后难以与自然骨形成强有力的骨性结合,在长期服役过程中容易松动或脱落。羟基磷灰石(HA)是一种高生物活性陶瓷材料,但因较差的力学性能而难以应用于高承载部位。本文基于复合材料的设计思路,将力学性能良好的Ti-Mo合金和生物活性优异的HA陶瓷相结合,通过模压烧结的方式制备了一系列Ti-Mo/HA复合材料。并以TC4合金为对比,研究了HA含量(0~12 wt.%)和Mo含量(10~20 wt.%)对材料的微观结构、力学性能、耐腐蚀性和生物活性等的影响规律和并讨论了影响机理。因HA分解、Ti与HA反应和金属-陶瓷收缩不一致,基体中出现一些不规则孔隙,Ti-10Mo/HA复合材料的相对密度随着HA含量的增加逐渐从98.40%下降至90.64%。复合材料主要由α-Ti、β-Ti和陶瓷相(Ca Ti O3、Ca3(PO4)2、Ti2O、Ca O、TixPy等)所组成,O的引入、孔隙和陶瓷相的产生削弱了Mo的β稳定剂作用,α相和陶瓷相含量随着HA含量的增加而提高。Mo的熔点较高且扩散系数较低,Mo含量的增加需要更高的烧结温度来实现复合材料的充分烧结。更多的β-Ti在Mo的β稳定剂作用下被保留至室温,α-Ti的析出减少,组织晶粒得到细化,但金属基体仍为α+β型钛合金。Ti-10Mo/HA的力学性能主要受硬脆陶瓷相和不规则孔隙的影响,抗压强度随着HA含量的增加从1526 MPa下降至615 MPa,弹性模量则在α-Ti、β-Ti、陶瓷相和孔隙的共同作用下在52~78 GPa范围内先升高再下降。固溶强化和细晶强化作用使得Ti-Mo/7HA的抗压强度随着Mo含量的增加从1213 MPa增大至1598 MPa,低模量β-Ti的增加则使弹性模量从75 GPa降低至65 GPa。与合金的塑性断裂失效所不同,Ti-Mo/HA塑韧性较差,因陶瓷相和孔隙的存在而呈现为典型的脆性断口。陶瓷相弥散强化使得材料的显微维氏硬度先随HA含量的增加有所提高,随后因孔隙和裂纹的影响而逐渐下降,Mo含量增加则通过固溶强化和细晶强化提高了复合材料的硬度。电化学腐蚀测试表明材料在SBF中的耐腐蚀性随着HA含量的增加而变差,β相含量下降、组织分布不均、孔隙增多和微裂纹出现等因素的协同作用降低了材料的耐腐蚀性。尤其当HA含量大于7 wt.%时,微观缺陷增多会导致表面钝化膜变得不连续、不均匀、易溶解,耐腐蚀性显著变差。当Mo含量增加时,复合材料在SBF和PBS中的Ecorr更高、Icorr更小、Rp更大,此时耐腐蚀性主要因β相含量增加、均匀分布而提高。采用体外仿生矿化实验评估了材料的生物活性,随着HA含量的添加,尤其是HA含量大于5 wt.%时,表面因陶瓷相的诱导作用而沉积了大量的类骨磷灰石,Ti-Mo合金的生物活性得到显著改善。复合材料表面的陶瓷相和微孔隙使得材料亲水性也得到明显提高,而纯金属则表现为明显的疏水性。Mo含量的增加有助于改善力学性能和耐腐蚀性,对复合材料的生物活性和润湿性影响较小。综上所述,虽然HA含量的增加使Ti-Mo/HA复合材料中微观结构出现一些缺陷,力学性能和耐腐蚀性也随之变差,但生物活性得到了明显提高。通过增加Mo含量能够有效改善复合材料的力学性能和耐腐蚀性,但强化作用有限。结合力学性能、耐腐蚀性和生物活性等结果分析,与TC4合金相比,通过优化工艺、调整组分制备的Ti-Mo/HA复合材料在骨科领域具有较大的应用潜力,特别是用于髋、膝等关节的修复或置换。
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