溶胶凝胶汉制备钛表面LA-HA涂层及其性能研究

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钛及钛合金因具有优异的机械强度,良好的耐腐蚀性和生物相容性,被广泛地应用于生产医用植入材料和生物医疗设备,如髋关节假体,膝关节假体以及牙科种植体等硬组织替代材料。然而,钛金属是一种生物惰性材料,它与人体组织之间形成的是形态结合(morphological fixation),即机械嵌联或锁合,并不能直接形成化学骨性结合。在人工种植体研究和应用中,钛合金及其磷灰石涂层复合材料因具备良好的诱导骨结合性能而一直备受关注。羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2,HA]因具备良好的生物相容性和生物活性等优良性能而广泛被应用于骨科,牙科,颌面外科诸多学科领域。HA的化学结构和组成成分近似于天然骨的矿物质,植入人体内能够诱导种植体与周围骨组织形成骨整合。钛种植体与生物活性羟基磷灰石涂层相结合的复合体兼备了钛金属优越的机械性能和HA良好的生物活性。  HA在实际的临床应用中仍然存在一些不足,会出现生物降解或因生物降解而产生崩裂,从而导致种植体失败。因此,多年来国内外学者采取多种方法对HA进行改性研究试图改善其性能,加入多种其他元素及基团来降低其降解性等。其中镧(Lanthanum,La)是近年来研究最多的稀土元素之一,与其他稀土元素一样被广泛用于取代磷灰石结构中Ca2+的位置成为新型磷灰石。在钛基体表面涂覆掺镧元素的HA使其保持原有良好的生物活性之外,更进一步改善了涂层材料的降解性及抗酸性,具有良好的应用前景。  目的:  本课题采用溶胶凝胶法在钛表面制备掺镧羟基磷灰石生物涂层,利用稀土镧元素取代HA中的部分Ca2+,提高HA的抗降解性能,改善涂层的生物学性能。  方法:  常温下,以氢氧化钙、磷酸二氢钙、硝酸镧为原料,采用溶胶凝胶法制备La-HA溶胶,浸渍提拉法以50mm/min的速度在钛基体表面涂覆La-HA溶胶,后期经不同温度热处理制成La-HA涂层。所获得的涂层的物相组分、官能团及表面形貌采用X射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等方法进行分析,通过粘结-拉伸实验测定涂层与基底的结合强度,采用原子吸收光谱测定涂层浸泡液中Ca2+的浓度来评估其降解性能。最后观察涂层材料在仿生模拟体液(SBF)中的仿生矿化能力来评估其诱导磷灰石矿化的性能。  结果:  1.用溶胶凝胶法在钛表面成功制备了La-HA涂层,La3+顺利取代HA中部分Ca2+位置,且所得的涂层表面致密没有裂纹,横断面观察结果显示涂层厚度均匀且与钛基体紧密结合,厚度约7μm。  2.测定涂层在生理盐水浸泡液中释放的钙离子浓度评估涂层的降解性能,得出由于La3+的掺入,明显提高了HA的抗降解性和抗酸性。模拟体液浸泡结果观察La-HA涂层具有一定的诱导矿物盐沉积的生物活性。  结论:  本课题采用溶胶凝胶法成功在钛基体表面制备La-HA涂层。复合涂层表面致密没有裂纹,涂层的结合强度最高达到25.2 MPa,具有良好的力学性能。La3+掺入HA中取代部分Ca2+提高了HA的晶体结晶度,提高了HA涂层的抗生物降解性能,具有一定的诱导矿物盐沉积的生物活性。
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