多孔钛合金及其微弧氧化膜层性能研究

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多孔钛及钛合金广泛应用于人体承力部位的骨组织修复和替换,一方面钛合金本身具有优异的生物相容性、低密度和高强度等特点;另一方面其多孔结构使植入体的弹性模量与骨组织更匹配,多孔结构有利于养分的输送,生物组织的长入,愈合时间的缩短等等。近年来具有表面活化处理的新型生物医用多孔钛材料,成为骨修复和替代材料的研究热点。但如何获得孔隙可控,表面活性优异的多孔钛,还有待于深入研究。本文采用粉末冶金法制备出力学性能与骨匹配的多孔钛、多孔钛锡铌合金,并对多孔钛做微弧氧化表面活化处理,对其制备工艺、力学性能及生物活性进行了研究。利用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射仪(XRD)以及万能材料试验机对其表面形貌、孔径分布、化学成分、组织结构及力学性能进行了分析表征,并利用模拟体液浸泡方法进行了表面诱导磷灰石沉积能力的测试。研究结果表明,多孔纯钛烧结体的主要组成相为α-Ti,随着造孔剂含量的增加,多孔钛烧结体的孔隙率增大。开孔隙率可在6.9%65.7%之间进行调控,且其孔隙率越高,平均孔径也越大。多孔钛的抗压强度随开孔隙率的增大而降低,由501558 MPa可调。当造孔剂含量在30%50%时,所得制品弹性模量在4.19.4 GPa,与人体骨弹性模量(2.320GPa)相近。为提高多孔钛的表面活性,对多孔纯钛进行微弧氧化处理,在多孔钛试样表面分别制备了TiO2和Zn-Ti O2活性膜层。研究了脉冲电压对氧化膜层表面形貌、物相组成、元素含量和分布的影响。结果表明,多孔钛表面形成了多孔氧化膜,随着脉冲电压的增大,膜层上的孔洞数量减少,但是孔径增大,膜层厚度也增大,基体中金红石相含量增多,且表面微裂纹越明显。电解液中Ca、P元素及Zn元素在膜层中均匀分布。模拟体液浸泡试验显示,经过微弧氧化处理的试样表面获得更多的磷灰石相沉积,说明微弧氧化具有较好的活化效果。为了增强高孔隙率多孔钛的力学性能和生物相容性,采用具有良好相容性的锡粉、铌粉以及钛粉为原料,制备了高孔隙率多孔钛锡铌合金。当造孔剂碳酸氢铵的质量分数为50%时,多孔烧结体的开孔隙率为70%;铌元素含量对多孔钛合金的力学性能有着显著的影响,当铌含量达到7%时,多孔钛合金的压缩强度由无铌的3.5 MPa迅速上升到30.8 MPa,且合金元素均匀地分布在钛基体上.
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