论文部分内容阅读
为改善镁合金耐蚀性差、钛合金生物活性差及骨修复速度慢等问题,本文采用超声波辅助微弧氧化新工艺,根据人体骨中所必需元素含量安全值,在含钙、磷元素的基础电解液体系中分别加入适当AgNO3、La(NO3)3、NaF及Na2SiO3作为添加剂,对镁与钛合金表面进行生物改性处理,制备耐磨、耐蚀与抗菌性能的镁基、钛基骨修复多孔新型生物活性涂层材料。采用SEM、AFM、EDAX、XRD、HRTEM技术分析涂层微观形貌及组织结构,研究超声辅助微弧氧化涂层形成机制,测定涂层厚度、表面孔隙率、结合强度、抗菌性能和在人体模拟体液中的摩擦磨损及耐蚀性能。结果表明:超声辅助微弧氧化技术制备的生物涂层由致密层与表面多孔层组成,超声波的引入提高了微弧氧化生物涂层的阳离子沉积量、厚度分布的均匀性及结合强度;涂层形成机制为初期朝基体内部生长,后逐渐朝基体外部生长,元素进入涂层机制主要为扩散和电泳;AgNO3、La(NO3)3、NaF及Na2SiO3添加剂的加入,增加了涂层表面元素沉积量及种类、涂层厚度与孔隙率。镁基与钛基新型生物涂层厚度分别约为16μm ~30μm、76μm~90μm,孔隙率分别约为26%、23%,分别主要由三维岛状结构的10nm~67nm粒径的纳米级方镁石型MgO、2.5nm~15nm粒径的纳米级锐钛矿型及金红石型TiO2晶态微粒组成,其中镁基载银生物涂层中还具有抗菌作用的Ag2O、生物活性的Ca9MgNa(PO4)7晶体产生,钛基载银生物涂层中也具有抗菌作用的Ag2O晶体产生,表明该类涂层具有优异的生物活性和抗菌性。与单一钙、磷生物涂层相比,添加剂含量变化时,由拉伸实验得出镁基载氟涂层结合强度提高了3.47MPa～10.00MPa,钛基载银、载镧与载硅涂层分别提高了1.97MPa～16.49MPa、2.93MPa～14.00MPa与6.71MPa～8.92MPa,体现基体与涂层具有较好的结合强度;由摩擦磨损实验得出镁基载银、载氟与载硅涂层在人体模拟体液(SBF)中的摩擦系数分别降低了0.18~0.32、0.17~0.35与0.19~0.31,钛基载银、载镧与载硅涂层分别降低了0.16~0.48、0.41~0.52及0.13~0.48,材料体现优异的抗磨损性能,其在SBF中的摩擦磨损机理主要为磨粒磨损和粘着磨损;由电化学腐蚀实验得出镁基载银、载氟与载硅涂层在SBF中的自腐蚀电位分别提高了11mV～102mV、95mV～170mV与18mV～138mV,自腐蚀电流降低约一～两个数量级,钛基载银、载镧与载硅涂层的自腐蚀电位分别提高了15mV～47mV、94mV～163mV与57mV～136mV,自腐蚀电流降低约一～两个数量级,材料体现优异的耐蚀性能,其在人体SBF中的腐蚀机制为点腐蚀;镁基载银、载氟及钛基载银、载镧涂层抗菌率分别为90%~96%、61%~ 76%、61%~92%及50%~68%,表明此类材料在骨组织愈合过程中具有消炎杀菌作用。