鉭涂層對(duì)生物醫(yī)用鈦合金抗腐蝕性能影響的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、20世紀(jì)70年代以來，隨著生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)的發(fā)展及冶金鑄造技術(shù)的提高，醫(yī)用鈦合金以其優(yōu)良的生物相容性、密度小和彈性模量低等特點(diǎn)作為人體植入材料而被應(yīng)用于關(guān)節(jié)外科、矯形外科及創(chuàng)傷外科等骨科學(xué)領(lǐng)域，其中以Ti-6Al-4V合金（TC4）和NiTi形狀記憶合金(NiTiSAM)最為常見，以其為基材制成的人工關(guān)節(jié)假體、骨折內(nèi)固定器及矯形器械在臨床上被大量使用，成為最具代表性的生物醫(yī)用金屬材料。然而，長(zhǎng)期的臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)這二種合金材料的抗腐蝕性能并未

2、達(dá)到理想水平，植入人體后，在體液中會(huì)發(fā)生腐蝕反應(yīng)，不僅降低了其力學(xué)和機(jī)械性能，產(chǎn)生植入體斷裂、松動(dòng)等問題以致植入失效，而且溶入體液的Al、V、Ni等離子對(duì)周圍組織會(huì)產(chǎn)生一定的毒副作用。因此，醫(yī)用鈦合金的抗腐蝕性能研究對(duì)于保障其在人體的安全使用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，金屬鉭以其優(yōu)良的抗腐蝕性能、穩(wěn)定的生物學(xué)特性和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)引起生物醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注，鉭制人工骨小梁、顱骨修復(fù)體、心臟起搏器等已經(jīng)在臨床應(yīng)用中獲得成功，如果將鉭作為涂

3、層材料噴涂于鈦合金表面制成生物醫(yī)用復(fù)合材料，
　　從而彌補(bǔ)鈦合金抗腐蝕、耐磨損能力差的缺點(diǎn)，就會(huì)大大提高鈦合金植入體的長(zhǎng)期生物穩(wěn)定性。本文通過等離子噴涂技術(shù)在Ti-6Al-4V合金和NiTi形狀記憶合金試件表面形成鉭涂層，對(duì)涂層前后的合金試件采用模擬生理環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕測(cè)試方法，對(duì)比分析抗腐蝕性能的變化情況，為鉭涂層鈦合金醫(yī)用復(fù)合材料進(jìn)入臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　研究?jī)?nèi)容與方法:
　　1.運(yùn)用等離子噴涂的方法在Ti

4、-6Al-4V合金表面形成鉭涂層，通過硬度計(jì)測(cè)量涂層材料與合金基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，然后采用電化學(xué)腐蝕測(cè)試法在37℃模擬體液環(huán)境中測(cè)量Ti-6Al-4V合金表面噴涂鉭涂層前后的自腐蝕電位（Ecorr）和塔菲爾曲線。初步驗(yàn)證金屬鉭是否具有提高醫(yī)用鈦合金抗腐蝕性能的作用及成為醫(yī)用金屬涂層材料的可行性。
　　2.通過等離子噴涂技術(shù)在NiTi形狀記憶合金表面形成鉭涂層，采用掃描電子顯微鏡和EDS能譜分析儀檢測(cè)涂層表面微形貌及元素組成，用X-

5、射線衍射儀對(duì)涂層的晶相結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)；分別在中性和酸性模擬體液環(huán)境中通過動(dòng)電位極化法測(cè)量NiTi形狀記憶合金表面噴涂鉭涂層前后的陽極極化曲線及鉭涂層與NiTi合金基底之間的電偶電流密度值。通過上述實(shí)驗(yàn)深入研究鉭涂層的理化性質(zhì)及在復(fù)雜生理環(huán)境中的抗腐蝕性能，為金屬鉭成為新一代醫(yī)用金屬涂層材料奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　研究結(jié)果:
　　1.通過等離子噴涂技術(shù)可以在Ti-6Al-4V合金試樣表面涂覆一層厚度為500μm，均勻致密的鉭涂層，經(jīng)

6、硬度計(jì)測(cè)量可知涂層與合金基體之間的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到HF1。涂層后Ta/Ti-6Al-4V復(fù)合體在中性模擬體液中的自腐蝕電位為+16mV，比Ti-6Al-4V合金的自腐蝕電位（-108mV）高124mV。塔菲爾曲線顯示涂層后Ta/Ti-6Al-4V復(fù)合體的鈍化區(qū)間較Ti-6Al-4V合金變長(zhǎng)，維鈍電流降低，破鈍電位增大。
　　2.NiTi形狀記憶合金試樣表面鉭涂層厚度為400μm，掃描電子顯微鏡觀察顯示涂層與基體結(jié)合緊密，表面光潔呈微晶

7、狀，經(jīng)EDS能譜儀測(cè)量可知涂層主要組成元素為Ta及來自基底材料的Ti和Ni，還有少量材料氧化生成的O元素；XRD分析可知合金表面的相組成主要為呈立方晶的單體α-Ta、B2結(jié)構(gòu)NiTi以及Ta涂層氧化生成的Ta2O和Ta2O5。陽極極化曲線顯示在中性及酸性模擬體液環(huán)境中NiTiSMA經(jīng)Ta涂層處理后均表現(xiàn)為自腐蝕電位升高，維鈍電流密度降低，而極化電阻及破鈍化電位增大，實(shí)驗(yàn)參數(shù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析顯示：NiTiSMA經(jīng)Ta涂層處理前后的Ecorr、I

8、p、Rp、Etp值差別顯著（P<0.01）。Ta涂層與NiTiSMA基底之間的電偶電流-時(shí)間曲線顯示電偶電流密度值微小，穩(wěn)定于μA（10-6A/cm2）級(jí)。
　　結(jié)論:
　　1.通過等離子噴涂的方法可以在Ti-6Al-4V合金表面涂覆一層厚度為500μm，與基底結(jié)合緊密的鉭涂層。經(jīng)電化學(xué)測(cè)量法測(cè)試，鉭涂層表面改性處理能有效提高Ti-6Al-4V合金的抗腐蝕性能，為解決生物醫(yī)用鈦合金植入體無菌性松動(dòng)的問題提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。