钛合金(TC4)表面拓扑结构化研究
目 录
1 引言 1
1.1 生物医用钛合金研究背景及意义 1
1.2 国内外医用钛合金的发展现状 1
1.3 医用钛合金存在的问题 2
1.4 钛合金表面改性 3
1.5 本课题研究的意义 6
2 实验材料、设备及方法 7
2.1 实验材料 7
2.2 实验设备 8
2.3 实验方法 8
2.4 材料表征 12
3 结果与讨论 13
3.1 扫描电子显微镜(SEM)分析 13
3.2 傅里叶红外光谱(FTIR)分析 16
3.3 生物相容性检测(血小板粘附实验) 17
3.4 接触角测量分析 18
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
1.1 生物医用钛合金研究背景及意义
生物医用材料实际上就是用于对人体各种组织和人体器官的诊断、治疗和修复，同时也可以用来增进人体器官功能的一种材料[1]。自从人类诞生以来就在不断的利用生物医用材料。因为伴随着生命的诞生，疾病也会随之而来。在漫长的历史河流中，生物医用材料的使用已经成为人们同各种疾病作抗争的一种有效措施。
生物医用材料中应用最广泛的当属金属材料，尤其是在骨和牙等硬组织的修复和替换、体内组织的修复和人工器官的制造方面呈现出巨大的优势[2]。而在这其中，钛及其合金由于其具有无毒、质轻、耐生物体腐蚀、弹性模量低及生物相容性优异等优点占据着主导地位。其实在最早时期，钛及其合金材料只是单一的被广泛应用于航空航天、军工和化工等领域。自从20世纪60年代Brane *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
mark将钛合金用作口腔种植体后，钛合金才被人们广泛应用医学领域[3]。然而，钛合金毕竟不是天然人骨，就目前已经研制和开发出的各种钛合金来说，或多或少都存在着不同程度的缺陷。因此，为了满足医学上的临床需求，都需要对钛合金进行表面改性以此来提高钛合金一些性能和活性。所以，为了提高钛合金的一些性能和活性而对其进行表面改性已经成为了大多数人的研究热点。
随着科技的不断发展，人民生活水平的提高，越来越多的人对自身身体的健康逐渐关注了起来。伴随着全球人口老龄化问题的加剧，先进的医疗条件对生物材料的需求量也不断的加大。正是有了这个广阔的应用前景，一些发达国家例如欧美等国在开发生物医用材料上都投入了巨大的人力和物力。我国也同样在医用材料的研发上加大了力度。因此具有优异的力学性能、良好的耐腐蚀性、较高的生物相容性并且接近于人骨弹性模量的生物医用钛合金的被不断的开发和研制，为人类医学临床做出了巨大贡献。
1.2 国内外医用钛合金的发展现状
随着时代的不断进步，钛合金也在不断的发展。医用钛及钛合金的发展经历了3个时代：第一个时代是α型，以纯钛和Ti-6Al-4V为代表。它前期以其高的耐腐蚀性及塑性被用来制作成医用接骨板、螺钉、牙种植体和髋关节[4]。经过长期的临床实验发现纯钛器械在临床应用后仍会出现材料强度较低，耐磨损性能较差等缺陷，所以在一定程度上就限制了它在载荷比较大的部位的骨替换。第二个时代是α+β型，以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表，它们的主要性能大致与Ti-6Al-4V比较相近，但是在弹性模量方面，由于种植体与骨之间的不匹配，就会出现“应力屏蔽”的现象[5,6]，即不能很好地将载荷从种植体传递到相邻的骨组织上，这可能导致植入体松动或断裂，造成种植失败。第三个时代是目前正在研制开发的生物相容性更好、弹性模量更低的β型钛合金时代。这类合金的特点是：耐磨性能好、抗腐蚀性高、力学性能优良，含稳定β相和降低弹性模量的元素，不含对人体有害的V、Al、Fe、Ni、Cr等元素，取而代之的则是生物相容性较好的Nb、Zr、Ta、Sn等无毒元素。
在40年代初期，国外一些研究者就发表了一些关于就多种金属种植体和骨骼之间反应的文章，这就标志着，钛及其合金已开始用于医学领域当中。50年代又有研究者证实钛与人体组织之间无不良反应。60年代的时候，钛合金就开始被应用到了口腔种植体上。自此以后，钛及其合金就越来越被广泛应用到临床医学上[7]。
在我国。从上世纪70年代就开始研究和开发钛合金材料在医学领域上的应用，经过前期对Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe医用钛合金的仿制研究，我国研究人员成功研制出了第一个具有我国自主知识产权的近α型新型医用钛合金TAMZ。2002初，我国就开始据力于开发更好的生物相容性和力学性能的第三代β型医用钛合金。经过多年的潜心研究，我国有关研究所创新研制出了Ti-2448(Ti-24Nb-4Zr-8Sn)，这种钛合金具有高强度低模量的特点。从2008年2月开始，我国就已经利用Ti-2448合金加工的多种植入器件通过了国家食品药监局天津医疗器械质量监督检验中心的注册检验[8]。
1.3 医用钛合金存在的问题
随着新式钛合金的问世，表明了钛合金在生物医学领域中的应用也越来越普遍。然而，目前所研制开发出的各种钛合金均存在或多或少的缺陷，还没有那一种能够完全满足临床使用的所有要求。总体说来，主要有以下几方面的问题[9]。(1)耐磨损性能相对较低。钛合金与不锈钢、镍基合金等许多其他医用金属材料相比，其摩擦系数较大，耐磨性能差。如果长期处于人体环境中，有很大的可能性会产生磨损粉或者金属离子释放，这样就会引起骨节周围黑褐色稠物，从而使身体疼痛。(2)耐蚀性较差，在正常条件下，钛合金的表面会生成一种十分稳定而连续的、结合牢固的氧化物钝化膜，这使得钛合金具有良好的耐蚀性能。但由于人体环境的复杂性，在外力和人体体液的侵蚀下，表面钝化膜有很大几率会被剥离、溶解，这就造成了在使用过程中仍会有物质释放到体内组织中。(3)生物活性不尽人意。钛合金是一种生物惰性材料，其结构和性质与人体骨组织相差很大，不能像其他生物活性材料那样与宿主骨形成化学键结合。此外，钛合金在成分上也大有不同，这就导致了钛合金与骨的形成是一个机械嵌连骨整合。针对以上钛合金具有的缺点和不足，就必要对钛合金进行一些表面改性来提高其性能从而达到临床医学的要求。
1.4 钛合金表面改性
表面改性是一种只改变材料表面的特征而不影响材料表面整体性能的方法。对钛合金进行表面改性，既可以保持钛合金作为基体材料的品质，有大大地提高了钛合金的综合性能。因此，近几年来，钛合金表面改性已成为钛合金领域的研究热点。它主要分为两种形式：(1)改变金属材料表面的化学成分或结构；(2)在原材料表面形成另外一层与之不同的物质以此来改变材料的某种特性。对钛合金进行表面改性，将呈现不同的“生物惰性”和“生物活性” ，同时也会提高原材料的生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性等。到目前为止，研究者已经研发出了多种生物医用材料的表面改性方法以此来满足医学上的临床需求，这些方法大致分为三类，分别是物理方法、形态学方法和化学方法。
1.4.1 物理方法
物理方法是改善金属材料表面性能的主要措施之一，其应用十分广泛。下面介绍几种常见的物理方法。
(1) 热喷涂
结 论
本文通过在钛合金表面采用不同浓度下、不同反应温度下、不同反应时间下以及不同种类的酸处理来获得不同的表面拓扑结构。通过SEM观察，选取表面形貌较好的试样进行仿生矿化沉积。利用水接触角测量仪测定各试样的水接触角，分析亲水性。通过扫描电子显微镜(SEM)观察仿生矿化处理后的试样表面形貌，红外光谱仪分析仿生矿化后涂层的具体组成成分，同时通过血小板粘附实验测定了其生物相容性。得出了以下结论：
1 引言 1
1.1 生物医用钛合金研究背景及意义 1
1.2 国内外医用钛合金的发展现状 1
1.3 医用钛合金存在的问题 2
1.4 钛合金表面改性 3
1.5 本课题研究的意义 6
2 实验材料、设备及方法 7
2.1 实验材料 7
2.2 实验设备 8
2.3 实验方法 8
2.4 材料表征 12
3 结果与讨论 13
3.1 扫描电子显微镜(SEM)分析 13
3.2 傅里叶红外光谱(FTIR)分析 16
3.3 生物相容性检测(血小板粘附实验) 17
3.4 接触角测量分析 18
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
1.1 生物医用钛合金研究背景及意义
生物医用材料实际上就是用于对人体各种组织和人体器官的诊断、治疗和修复，同时也可以用来增进人体器官功能的一种材料[1]。自从人类诞生以来就在不断的利用生物医用材料。因为伴随着生命的诞生，疾病也会随之而来。在漫长的历史河流中，生物医用材料的使用已经成为人们同各种疾病作抗争的一种有效措施。
生物医用材料中应用最广泛的当属金属材料，尤其是在骨和牙等硬组织的修复和替换、体内组织的修复和人工器官的制造方面呈现出巨大的优势[2]。而在这其中，钛及其合金由于其具有无毒、质轻、耐生物体腐蚀、弹性模量低及生物相容性优异等优点占据着主导地位。其实在最早时期，钛及其合金材料只是单一的被广泛应用于航空航天、军工和化工等领域。自从20世纪60年代Brane *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
mark将钛合金用作口腔种植体后，钛合金才被人们广泛应用医学领域[3]。然而，钛合金毕竟不是天然人骨，就目前已经研制和开发出的各种钛合金来说，或多或少都存在着不同程度的缺陷。因此，为了满足医学上的临床需求，都需要对钛合金进行表面改性以此来提高钛合金一些性能和活性。所以，为了提高钛合金的一些性能和活性而对其进行表面改性已经成为了大多数人的研究热点。
随着科技的不断发展，人民生活水平的提高，越来越多的人对自身身体的健康逐渐关注了起来。伴随着全球人口老龄化问题的加剧，先进的医疗条件对生物材料的需求量也不断的加大。正是有了这个广阔的应用前景，一些发达国家例如欧美等国在开发生物医用材料上都投入了巨大的人力和物力。我国也同样在医用材料的研发上加大了力度。因此具有优异的力学性能、良好的耐腐蚀性、较高的生物相容性并且接近于人骨弹性模量的生物医用钛合金的被不断的开发和研制，为人类医学临床做出了巨大贡献。
1.2 国内外医用钛合金的发展现状
随着时代的不断进步，钛合金也在不断的发展。医用钛及钛合金的发展经历了3个时代：第一个时代是α型，以纯钛和Ti-6Al-4V为代表。它前期以其高的耐腐蚀性及塑性被用来制作成医用接骨板、螺钉、牙种植体和髋关节[4]。经过长期的临床实验发现纯钛器械在临床应用后仍会出现材料强度较低，耐磨损性能较差等缺陷，所以在一定程度上就限制了它在载荷比较大的部位的骨替换。第二个时代是α+β型，以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表，它们的主要性能大致与Ti-6Al-4V比较相近，但是在弹性模量方面，由于种植体与骨之间的不匹配，就会出现“应力屏蔽”的现象[5,6]，即不能很好地将载荷从种植体传递到相邻的骨组织上，这可能导致植入体松动或断裂，造成种植失败。第三个时代是目前正在研制开发的生物相容性更好、弹性模量更低的β型钛合金时代。这类合金的特点是：耐磨性能好、抗腐蚀性高、力学性能优良，含稳定β相和降低弹性模量的元素，不含对人体有害的V、Al、Fe、Ni、Cr等元素，取而代之的则是生物相容性较好的Nb、Zr、Ta、Sn等无毒元素。
在40年代初期，国外一些研究者就发表了一些关于就多种金属种植体和骨骼之间反应的文章，这就标志着，钛及其合金已开始用于医学领域当中。50年代又有研究者证实钛与人体组织之间无不良反应。60年代的时候，钛合金就开始被应用到了口腔种植体上。自此以后，钛及其合金就越来越被广泛应用到临床医学上[7]。
在我国。从上世纪70年代就开始研究和开发钛合金材料在医学领域上的应用，经过前期对Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-2.5Fe医用钛合金的仿制研究，我国研究人员成功研制出了第一个具有我国自主知识产权的近α型新型医用钛合金TAMZ。2002初，我国就开始据力于开发更好的生物相容性和力学性能的第三代β型医用钛合金。经过多年的潜心研究，我国有关研究所创新研制出了Ti-2448(Ti-24Nb-4Zr-8Sn)，这种钛合金具有高强度低模量的特点。从2008年2月开始，我国就已经利用Ti-2448合金加工的多种植入器件通过了国家食品药监局天津医疗器械质量监督检验中心的注册检验[8]。
1.3 医用钛合金存在的问题
随着新式钛合金的问世，表明了钛合金在生物医学领域中的应用也越来越普遍。然而，目前所研制开发出的各种钛合金均存在或多或少的缺陷，还没有那一种能够完全满足临床使用的所有要求。总体说来，主要有以下几方面的问题[9]。(1)耐磨损性能相对较低。钛合金与不锈钢、镍基合金等许多其他医用金属材料相比，其摩擦系数较大，耐磨性能差。如果长期处于人体环境中，有很大的可能性会产生磨损粉或者金属离子释放，这样就会引起骨节周围黑褐色稠物，从而使身体疼痛。(2)耐蚀性较差，在正常条件下，钛合金的表面会生成一种十分稳定而连续的、结合牢固的氧化物钝化膜，这使得钛合金具有良好的耐蚀性能。但由于人体环境的复杂性，在外力和人体体液的侵蚀下，表面钝化膜有很大几率会被剥离、溶解，这就造成了在使用过程中仍会有物质释放到体内组织中。(3)生物活性不尽人意。钛合金是一种生物惰性材料，其结构和性质与人体骨组织相差很大，不能像其他生物活性材料那样与宿主骨形成化学键结合。此外，钛合金在成分上也大有不同，这就导致了钛合金与骨的形成是一个机械嵌连骨整合。针对以上钛合金具有的缺点和不足，就必要对钛合金进行一些表面改性来提高其性能从而达到临床医学的要求。
1.4 钛合金表面改性
表面改性是一种只改变材料表面的特征而不影响材料表面整体性能的方法。对钛合金进行表面改性，既可以保持钛合金作为基体材料的品质，有大大地提高了钛合金的综合性能。因此，近几年来，钛合金表面改性已成为钛合金领域的研究热点。它主要分为两种形式：(1)改变金属材料表面的化学成分或结构；(2)在原材料表面形成另外一层与之不同的物质以此来改变材料的某种特性。对钛合金进行表面改性，将呈现不同的“生物惰性”和“生物活性” ，同时也会提高原材料的生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性等。到目前为止，研究者已经研发出了多种生物医用材料的表面改性方法以此来满足医学上的临床需求，这些方法大致分为三类，分别是物理方法、形态学方法和化学方法。
1.4.1 物理方法
物理方法是改善金属材料表面性能的主要措施之一，其应用十分广泛。下面介绍几种常见的物理方法。
(1) 热喷涂
结 论
本文通过在钛合金表面采用不同浓度下、不同反应温度下、不同反应时间下以及不同种类的酸处理来获得不同的表面拓扑结构。通过SEM观察，选取表面形貌较好的试样进行仿生矿化沉积。利用水接触角测量仪测定各试样的水接触角，分析亲水性。通过扫描电子显微镜(SEM)观察仿生矿化处理后的试样表面形貌，红外光谱仪分析仿生矿化后涂层的具体组成成分，同时通过血小板粘附实验测定了其生物相容性。得出了以下结论：
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