NiTi形状记忆合金和TA2钛合金生物材料的表面改性及生物学性能研究

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NiTi形状记忆合金、TA2钛合金的综合性能十分优异,作为生物医用材料有着良好的发展前景。本论文首先是对当前生物医用材料的研究进展、NiTi形状记忆合金和钛合金在医学领域中的应用以及其生物功能性与生物相容性等进行简要概述;探讨了NiTi形状记忆合金生物材料的成分设计及冶炼工艺、热处理制度对组织和力学性能的影响;针对含镍生物材料的镍离子析出问题,采用活化溅射的方法,在NiTi形状记忆合金生物材料表面制备纳米TiO2薄膜;通过对TA2钛合金不同的表面处理技术,得到具有高比表面积的活性生物学表面;通过对活性表面进行人工模拟体液SBF的体外培养及骨整合机理的的研究,得到可长期安全植入体内的表面活化生物材料。  论文主要有以下几部分:  1.采用真空感应炉熔炼具有一定成分配比的形状记忆合金,确定了NiTi形状记忆合金生物材料的加工工艺路线,得到相变温度合格、力学性能优异的生物合金材料。退火温度对于NiTi合金的组织及力学性能的影响很大。从不同退火温度的组织照片上看,各退火温度下晶粒大小的差别并不十分明显,650℃退火组织的晶粒最细,能够得到最理想的强度,即937MPa,和44.5%的最高伸长率、40.55%的最高断面收缩率,其强韧性能够满足生物医用材料的实际要求。  2.采用高纯Ti靶磁控溅射方法对NiTi形状记忆合金材料进行表面改性。首先在真空状态下活化NiTi形状记忆合金的表面,使表面的Ti得到充分氧化后,再使用高纯Ti靶作为溅射源,在合金表面制备出具有一定厚度和质量较好的纳米TiO2薄膜。通过考察不同的反射功率、Ti靶溅射参数、反应时间等实验参数并进行表征可知合金表面的主要成分为锐钛矿型TiO2,并伴有少量的TiO等氧化物,薄膜与基材结合良好。  3.对活化溅射表面改性的NiTi形状记忆合金生物材料的耐腐蚀性能和血液相容性进行系统的研究:通过对比实验证明覆膜试样比NiTi合金裸丝对模拟体液具有更好的耐腐蚀性能,热力学稳定性也更好;在对覆膜合金材料进行上千次的疲劳实验发现其膜层未出现裂纹、脱落,证明该氧化膜能够和基体产生良好的结合力;疲劳实验之后的覆膜NiTi合金的形状以及电流、电位等都未出现明显变化,证明其耐腐蚀性能仍然较好,解决了镍离子析出问题;对覆膜NiTi形状记忆合金生物材料进行血液相容性进行对比实验,得出其各种性能均要优于常规生物材料316L不锈钢,完全适用于生物医学领域。  4.通过阳极氧化、微弧氧化和SLA表面处理技术对TA2钛合金进行表面改性,三种不同工艺制备出的二氧化钛膜均可增加TA2钛合金表面的比表面积,形成凹凸不平和孔洞的多孔陶瓷膜,EDAX结果分析证明表面为TiO2膜,是良好的TA2钛合金生物活性表面。  5.对三种二氧化钛覆膜的植入体进行模拟体液(SBF)培养实验,电镜观察到膜表面覆盖大量沉积物,呈针状结构,能谱分析发现Ca、P元素,即膜层表面被羟基磷灰石覆盖,具有良好的生物相容性和生物活性;通过对SLA活性表面的制备及培养,研究了TA2钛合金活性种植材料的亲水性及骨整合过程,解决了植入体植入危险期(2-4weeks)的风险问题,提高了TA2钛合金长期植入的安全性。
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