钛合金表面超疏水膜层的构建
本文通过对Ti-6Al-4V合金进行微弧氧化以及植酸处理处理后，使基体表面生成微纳米颗粒，以此为基础，在对其表面进行水热处理以增强微纳米颗粒层的致密度和稳定性，再通过水热处理使微纳米膜层获得低表面能，使其表面逐渐获得超疏水性，研究了水热处理的反应时间对微纳米膜层表面形貌的影响及氟化处理的工艺参数对膜层的超疏水性影响，结果表明，随着水热处理时间的增加，微纳米颗粒逐渐增加，且分布更加致密；并且，Ti-6Al-4V合金表面氟化处理的最佳参数是浓度为12%的全氟癸基三甲氧基硅烷异丙醇溶液，反应温度是室温。与基体相比，其耐蚀性与生物相容性得到显著的提高。关键词 Ti-6Al-4V合金，微弧氧化，水热处理，氟化处理，超疏水表面
目录
1 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 生物医用材料 1
1.3 表面改性方法 2
1.4 超疏水薄膜 4
1.5 研究内容 5
2 实验材料及方法 6
2.1 实验材料 6
2.2 实验仪器及设备 6
2.3 实验方法 7
3 实验结果与分析 10
3.1 抛光形貌分析 10
3.2 水热处理时间对微纳米颗粒层显微结构分析 10
3.3 氟化处理参数优化分析 11
3.4 最优参数下样品的微观形貌和元素分析 12
3.5 样品表面结构分析 14
3.6 接触角测量 14
3.7 展望 15
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 课题背景和意义
现如今，随着人们对健康的重视，生物医用材料备受关注，钛合金作为医用金属材料的首选材料，其在生物医用材料领域的研究与应用也呈上升趋势，尤其是在牙科和骨科中，钛合金的使用数量明显增多。目前，医用钛合金任以Ti6Al4V合金为主，于其他医用金属材料相比，钛合金具有重量轻、热稳定性好、比强度大等优良的综合性能，然而美中不足的是，钛合金的表面硬度较低、其耐腐蚀和耐磨性能较差，特别是当钛合 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
金与其他金属接触时，很容易发生接触腐蚀，从而使其生物相容性较差，这些都严重制约了钛合金的进一步发展[1]。因此，为了克服这些限制，让钛合金具有良好的耐腐蚀性能和生物相容性，以满足人们在临床医学上对钛合金的需求，可对其表面进行改性处理获得超疏水表面。一方面，超疏水涂层可以使钛合金表面具有良好的生物相容性；另一方面，可以提高表面耐腐蚀性能。
本实验的研究目的就是首先采用微弧氧化技术对钛合金进行表面改性，在钛合金表面制备粗糙的氧化膜层，再通过植酸螯合是表面富含负电荷离子膜层，进一步通过水热处理的方法在样本表面生成微纳米颗粒膜层，最后通过氟化溶液浸泡使表面获得低表面能，从而获得超疏水表面。
1.2 生物医用材料
生物医用材料，又称为生物材料，是指在医疗上用于诊断、治疗、修复和替换生物体的损坏组织或器官，或者增进其功能，并且不会对生物体造成不良影响的一类高技术新材料，其作用也不能够被药物所替代。生物医用材料按照材料的组成和性质可分为生物医用金属材料、生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用复合材料等[2]。由于人体的特殊环境，生物医用材料必须具有除生物相容性以外的以下特性：（1）具有良好的生物功能性；（2）具有较强的持续稳定性；（3）与人体骨骼之间有较好的生物力学适应性和生物力学相容性；（4）易加工，成品的成本较低。由于需要满足一定的综合指标，迄今为止，首选任使金属材料。由于那些先进的植入物已被广泛应用，例如牙种植体，人造关节、血管介入支架等。我们发现，长期治疗与发展的过程中虽然出现的各种问题，但是这也促使了研究人员改进传统生物医学材料，同时还开发出新型生物医学钛合金。为了满足各种临床需求，生物医学钛合金必须具有优异的生物力学兼容性，以确保外科植入物的长期稳定。当然，于传统的医用金属，如不锈钢、钴基合金相比，钛合金材料具有以下的优点[3]：（1）重量轻，钛合金的一般质量相比其他金属合金相对较低，植入到人体以后，可以大幅度减轻人体负荷；（2）较低的弹性模量，钛合金的弹性模量大约为不锈钢的一半左右。可以促进骨骼和金属的适应性，更加利于人体骨骼的愈合生长；（3）毒性相对较低，与其他金属材料相比，钛合金对人体的副作用减少，有利于人体健康，使人放心使用。基于以上优点，钛合金在医用金属材料中的使用量也逐年增加，其优越性也得到了医学界的广泛认可。
尽管钛合金被广泛使用，并且为促进生活质量作出了很多贡献，但是还有很多钛合金材料研究和应用方面的挑战。目前，已经研制或开发出的各类钛合金都存在着不用程度上的缺陷，也没有一种钛合金能够完全满足临床使用的所有要求。总体来说，主要存在以下几个方面的问题[4]：（1）表面耐磨性能较差，与人体环境接触时会导致化学不稳定，也会直接影响到材料的生物相容性；（2）具有一定的生物惰性，与人体接触存在一些阻碍，所以要增加其生物活性。正常条件下，钛合金表面会有一层牢固的氧化物钝化膜层，但由于人体环境非常复杂，在外力和体液的同时作用下，其表面的钝化膜层会被侵蚀，然后被剥离或溶解，这会对人体的健康造成潜在的危害。因而为了完善钛合金各方面的性能，对其进行表面改性具有非常重要的意义。
1.3 表面改性方法
作为人体植入材料，钛合金已经被应用于生物医疗的各个方面，其材料表面的特性也严重制约其在人体组织环境下的工作能力。在人体的生理环境中，骨骼机体组织与植入材料之间会相互作用，且总是先作用于材料表面，材料表面的物理化学特性必然会影响到人体组织的愈合[5]。同时，机体环境使材料表面发生化学腐蚀、降解、变性等反应从而使材料的功能退化。因此，研究生物材料的表面状态和特性可以有效改善和提高植入材料的生物活性和生物相容性。这也是医用金属材料的重点发展方向。据了解，以下方法可以有效改善钛合金的表面特性，使其具有更好的疏水性能、生物相容性等[6]。
目录
1 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 生物医用材料 1
1.3 表面改性方法 2
1.4 超疏水薄膜 4
1.5 研究内容 5
2 实验材料及方法 6
2.1 实验材料 6
2.2 实验仪器及设备 6
2.3 实验方法 7
3 实验结果与分析 10
3.1 抛光形貌分析 10
3.2 水热处理时间对微纳米颗粒层显微结构分析 10
3.3 氟化处理参数优化分析 11
3.4 最优参数下样品的微观形貌和元素分析 12
3.5 样品表面结构分析 14
3.6 接触角测量 14
3.7 展望 15
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 课题背景和意义
现如今，随着人们对健康的重视，生物医用材料备受关注，钛合金作为医用金属材料的首选材料，其在生物医用材料领域的研究与应用也呈上升趋势，尤其是在牙科和骨科中，钛合金的使用数量明显增多。目前，医用钛合金任以Ti6Al4V合金为主，于其他医用金属材料相比，钛合金具有重量轻、热稳定性好、比强度大等优良的综合性能，然而美中不足的是，钛合金的表面硬度较低、其耐腐蚀和耐磨性能较差，特别是当钛合 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
金与其他金属接触时，很容易发生接触腐蚀，从而使其生物相容性较差，这些都严重制约了钛合金的进一步发展[1]。因此，为了克服这些限制，让钛合金具有良好的耐腐蚀性能和生物相容性，以满足人们在临床医学上对钛合金的需求，可对其表面进行改性处理获得超疏水表面。一方面，超疏水涂层可以使钛合金表面具有良好的生物相容性；另一方面，可以提高表面耐腐蚀性能。
本实验的研究目的就是首先采用微弧氧化技术对钛合金进行表面改性，在钛合金表面制备粗糙的氧化膜层，再通过植酸螯合是表面富含负电荷离子膜层，进一步通过水热处理的方法在样本表面生成微纳米颗粒膜层，最后通过氟化溶液浸泡使表面获得低表面能，从而获得超疏水表面。
1.2 生物医用材料
生物医用材料，又称为生物材料，是指在医疗上用于诊断、治疗、修复和替换生物体的损坏组织或器官，或者增进其功能，并且不会对生物体造成不良影响的一类高技术新材料，其作用也不能够被药物所替代。生物医用材料按照材料的组成和性质可分为生物医用金属材料、生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用复合材料等[2]。由于人体的特殊环境，生物医用材料必须具有除生物相容性以外的以下特性：（1）具有良好的生物功能性；（2）具有较强的持续稳定性；（3）与人体骨骼之间有较好的生物力学适应性和生物力学相容性；（4）易加工，成品的成本较低。由于需要满足一定的综合指标，迄今为止，首选任使金属材料。由于那些先进的植入物已被广泛应用，例如牙种植体，人造关节、血管介入支架等。我们发现，长期治疗与发展的过程中虽然出现的各种问题，但是这也促使了研究人员改进传统生物医学材料，同时还开发出新型生物医学钛合金。为了满足各种临床需求，生物医学钛合金必须具有优异的生物力学兼容性，以确保外科植入物的长期稳定。当然，于传统的医用金属，如不锈钢、钴基合金相比，钛合金材料具有以下的优点[3]：（1）重量轻，钛合金的一般质量相比其他金属合金相对较低，植入到人体以后，可以大幅度减轻人体负荷；（2）较低的弹性模量，钛合金的弹性模量大约为不锈钢的一半左右。可以促进骨骼和金属的适应性，更加利于人体骨骼的愈合生长；（3）毒性相对较低，与其他金属材料相比，钛合金对人体的副作用减少，有利于人体健康，使人放心使用。基于以上优点，钛合金在医用金属材料中的使用量也逐年增加，其优越性也得到了医学界的广泛认可。
尽管钛合金被广泛使用，并且为促进生活质量作出了很多贡献，但是还有很多钛合金材料研究和应用方面的挑战。目前，已经研制或开发出的各类钛合金都存在着不用程度上的缺陷，也没有一种钛合金能够完全满足临床使用的所有要求。总体来说，主要存在以下几个方面的问题[4]：（1）表面耐磨性能较差，与人体环境接触时会导致化学不稳定，也会直接影响到材料的生物相容性；（2）具有一定的生物惰性，与人体接触存在一些阻碍，所以要增加其生物活性。正常条件下，钛合金表面会有一层牢固的氧化物钝化膜层，但由于人体环境非常复杂，在外力和体液的同时作用下，其表面的钝化膜层会被侵蚀，然后被剥离或溶解，这会对人体的健康造成潜在的危害。因而为了完善钛合金各方面的性能，对其进行表面改性具有非常重要的意义。
1.3 表面改性方法
作为人体植入材料，钛合金已经被应用于生物医疗的各个方面，其材料表面的特性也严重制约其在人体组织环境下的工作能力。在人体的生理环境中，骨骼机体组织与植入材料之间会相互作用，且总是先作用于材料表面，材料表面的物理化学特性必然会影响到人体组织的愈合[5]。同时，机体环境使材料表面发生化学腐蚀、降解、变性等反应从而使材料的功能退化。因此，研究生物材料的表面状态和特性可以有效改善和提高植入材料的生物活性和生物相容性。这也是医用金属材料的重点发展方向。据了解，以下方法可以有效改善钛合金的表面特性，使其具有更好的疏水性能、生物相容性等[6]。
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