钛合金表面微结构的构建及ha改性骨整合性能研究
钛合金具有良好的物理和化学性能，是目前医学上常用的植入材料，但钛合金的耐磨性较差，限制了它在临床医学上的应用。本课题拟对钛合金表面进行改性处理，同时沉积羟基磷灰石涂层来提高其骨整合性能。本课题采用化学处理法（碱热法、酸碱处理 、酸处理）构建多种结构钛材表面，然后利用仿生法在处理后的钛材表面沉积磷灰石涂层，验证其结构与性能。结果表明通过扫描电子显微镜观察样品表面形貌，显示钛合金表面成功构建了拓扑结构；红外光谱仪检测表明钛合金表面生成了含碳酸根羟基磷灰石涂层；接触角测量分析显示涂覆了羟基磷灰石涂层的钛合金其亲水性能有了显著的提高。关键词 钛合金，羟基磷灰石，仿生法，模拟体液
目录
1 引言 1
1.1 生物医用材料简介 1
1.2 钛及其合金的发展现状及其优缺点 1
1.3 钛合金表面微结构简介其反应机理 4
1.4 羟基磷灰石的性能及其应用 5
1.5 钛合金表面改性技术 6
1.6 钛合金表面沉积羟基磷灰石涂层的研究现状 9
1.7 选题目的及研究意义 10
2 实验 11
2.1 实验所需试剂及仪器 11
2.2 样品的制备 12
2.3 模拟体液的配制 13
2.4 羟基磷灰石涂层的沉积 15
2.5 样品的表征 15
3 结果与讨论 16
3.1 扫描电子显微镜(SEM)观察 16
3.2 红外光谱仪(FTIR)分析 17
3.3 接触角的测量 19
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 生物医用材料简介
我们把用来对生物体进行治疗、修复或者更换其组织、器官，加强其功能的材料称为生物医用材料[1]。目前生物医用材料已经成为当代材料学科非常重要的分支，是现代研究人工器官替换和医疗器械开发的基础。随着生物技术的不断创新与发展，生物医用材料将成为各国科技人员竞相研究和开发的热点方向之一。
人类利用生物医用材料有一段非常漫长的历史。从人类诞生以来，人们就与各类疾病作不停的斗争，而人 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
类同疾病斗争的较有效工具之一便是生物医用材料。翻阅人类使用生物医用材料进行治疗疾病的历史书籍，我们发现早在公元前约3500年，古埃及人就会使用棉花纤维、马鬃等做缝合伤口的缝合线。在多个国家的古墓葬中考古人员挖掘出土的物品中有假牙，假耳等，说明人类在很早以前就知道可以用黄金来修复损坏的牙齿。据文献记载，到了17世纪就有人利用金属板来固定骨折部位，用黄金制成种植牙齿等。20世纪初随着高分子新材料的发展，在很大程度上促进了人工器官系统研究的开始，人工器官的临床应用挽救了无数患者的生命，减轻了患者的痛苦和折磨。近几年来，生物医用材料朝着不断火热的方向发展，早一代生物医用材料比如石膏、各种金属、橡胶及棉花等，但这些物品因其功能的限制大都被现代医学所淘汰。目前应用最普遍的生物医用材料是建立在医学、材料科学、生物化学、物理学及物理测试技术发展的基础上发展起来的，这一类生物医用材料已经成为国际高新技术的制高点之一，其代表材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、聚羟基乙酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯、胶原、多肽、纤维蛋白等[2]。作为生物医用材料之一的生物医用金属材料，因其有较高的机械强度和较好的抗疲劳性能，是目前临床应用最广泛，反应作用较小的承力植入材料。生物医用金属材料已经被应用在多种组织、人工器官和外科辅助器材等方面，这类材料是生物医用材料研究的重要方向，成为生物医用材料研究的热点。
1.2 钛及其合金的发展现状及其优缺点
1.2.1 钛及其合金的发展现状
近年来，钛基合金材料由于具有良好的力学性能、生物相容性、耐腐蚀性和优异的加工性能等越来越多的被应用到医疗领域，已成为最具有发展前景的生物材料之一[3]。在钛基合金中，最常用的是TC4（Ti6Al4V），Ti6Al4V合金与其他生物医用金属相比，具有优异的力学性能。比如高的抗拉强度屈服强度和疲劳强度，可用于承受载荷的部位。Ti6Al4V合金的力学性能如表11。
表11 Ti6Al4V合金的主要力学性能
力学性能
备注
名称
数据
布氏硬度
379
从洛氏硬度推算
洛氏硬度
41
抗拉强度/MPa
1170
屈服强度/MPa
1100
断裂延伸率
10％
弹性模量/GPa
114
压缩屈服强度/MPa
1070
缺口屈服强度/MPa
1550
应力场强度因子Kt=6.7
弯曲屈服强度/MPa
1790
e/D=2
疲劳强度/MPa
160
应力场强度因子为Kt为3.3
断裂韧性/（MPam 1/2）
43
在另外一些方面，与别的生物医用金属材料相比，Ti6Al4V合金具有较低的密度和弹性模量，如表12所示。这表明用Ti6Al4V合金制成的生物医用植入物具有较小的质量，其弹性模量较低，说明Ti6Al4V合金有比其他金属更优越的力学相容性[4]。
表12 常用金属材料及皮质骨的密度和模量对比
材料
密度/（gcm3）
弹性模量/GPa
皮质骨
～2.0
7～30
CoCr合金
～8.5
230
316L型不锈钢
8.0
200
纯钛
4.15
110
Ti6Al4V
4.40
106
钛合金的研制始于宇航结构材料的开发，随后转入医学领域应用。20世纪50年代中期，瑞典的科学家在研究骨髓血管血流状态的课题中，使用高纯度的钛作为植入动物体内材料，并长时间对植入动物体内的钛材料进行观察，发现植入动物体内的钛材料对动物机体的损害十分小，其与机体生物相容性非常好[5]。生物医用材料及制品在近几年来发展势态良好，其市场一直保持着18％～22％的增长率，我国在生物医用材料和制品的市场的需求量也以每年约15%~20%的速率增长。根据相关文章报道，目前人工关节材料作为人体植入物的用量逐渐增加，可预见人工关节材料将是未来几年生物医用材料的研究热点。自20世纪末之后，北美国家对人体植入件的需求量不断增加，每年用于人体植入件达到250万件以上，其中髋关节、股骨件的使用量约占3.5%；欧洲、亚洲各国对骨折外固定产品和内固定产品的供需保持着两旺的关系走向，据有关数据统计，2010年亚洲市场价值达到3.2亿美金，其中内固定产品占60.5%。由此可以推测未来十几年内，包含医疗器械产业在内的生物医用金属材料行业将发展迅速，会达到一定的规模经济，成为世界经济的重要支柱产业之一。
目录
1 引言 1
1.1 生物医用材料简介 1
1.2 钛及其合金的发展现状及其优缺点 1
1.3 钛合金表面微结构简介其反应机理 4
1.4 羟基磷灰石的性能及其应用 5
1.5 钛合金表面改性技术 6
1.6 钛合金表面沉积羟基磷灰石涂层的研究现状 9
1.7 选题目的及研究意义 10
2 实验 11
2.1 实验所需试剂及仪器 11
2.2 样品的制备 12
2.3 模拟体液的配制 13
2.4 羟基磷灰石涂层的沉积 15
2.5 样品的表征 15
3 结果与讨论 16
3.1 扫描电子显微镜(SEM)观察 16
3.2 红外光谱仪(FTIR)分析 17
3.3 接触角的测量 19
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 生物医用材料简介
我们把用来对生物体进行治疗、修复或者更换其组织、器官，加强其功能的材料称为生物医用材料[1]。目前生物医用材料已经成为当代材料学科非常重要的分支，是现代研究人工器官替换和医疗器械开发的基础。随着生物技术的不断创新与发展，生物医用材料将成为各国科技人员竞相研究和开发的热点方向之一。
人类利用生物医用材料有一段非常漫长的历史。从人类诞生以来，人们就与各类疾病作不停的斗争，而人 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
类同疾病斗争的较有效工具之一便是生物医用材料。翻阅人类使用生物医用材料进行治疗疾病的历史书籍，我们发现早在公元前约3500年，古埃及人就会使用棉花纤维、马鬃等做缝合伤口的缝合线。在多个国家的古墓葬中考古人员挖掘出土的物品中有假牙，假耳等，说明人类在很早以前就知道可以用黄金来修复损坏的牙齿。据文献记载，到了17世纪就有人利用金属板来固定骨折部位，用黄金制成种植牙齿等。20世纪初随着高分子新材料的发展，在很大程度上促进了人工器官系统研究的开始，人工器官的临床应用挽救了无数患者的生命，减轻了患者的痛苦和折磨。近几年来，生物医用材料朝着不断火热的方向发展，早一代生物医用材料比如石膏、各种金属、橡胶及棉花等，但这些物品因其功能的限制大都被现代医学所淘汰。目前应用最普遍的生物医用材料是建立在医学、材料科学、生物化学、物理学及物理测试技术发展的基础上发展起来的，这一类生物医用材料已经成为国际高新技术的制高点之一，其代表材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、聚羟基乙酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯、胶原、多肽、纤维蛋白等[2]。作为生物医用材料之一的生物医用金属材料，因其有较高的机械强度和较好的抗疲劳性能，是目前临床应用最广泛，反应作用较小的承力植入材料。生物医用金属材料已经被应用在多种组织、人工器官和外科辅助器材等方面，这类材料是生物医用材料研究的重要方向，成为生物医用材料研究的热点。
1.2 钛及其合金的发展现状及其优缺点
1.2.1 钛及其合金的发展现状
近年来，钛基合金材料由于具有良好的力学性能、生物相容性、耐腐蚀性和优异的加工性能等越来越多的被应用到医疗领域，已成为最具有发展前景的生物材料之一[3]。在钛基合金中，最常用的是TC4（Ti6Al4V），Ti6Al4V合金与其他生物医用金属相比，具有优异的力学性能。比如高的抗拉强度屈服强度和疲劳强度，可用于承受载荷的部位。Ti6Al4V合金的力学性能如表11。
表11 Ti6Al4V合金的主要力学性能
力学性能
备注
名称
数据
布氏硬度
379
从洛氏硬度推算
洛氏硬度
41
抗拉强度/MPa
1170
屈服强度/MPa
1100
断裂延伸率
10％
弹性模量/GPa
114
压缩屈服强度/MPa
1070
缺口屈服强度/MPa
1550
应力场强度因子Kt=6.7
弯曲屈服强度/MPa
1790
e/D=2
疲劳强度/MPa
160
应力场强度因子为Kt为3.3
断裂韧性/（MPam 1/2）
43
在另外一些方面，与别的生物医用金属材料相比，Ti6Al4V合金具有较低的密度和弹性模量，如表12所示。这表明用Ti6Al4V合金制成的生物医用植入物具有较小的质量，其弹性模量较低，说明Ti6Al4V合金有比其他金属更优越的力学相容性[4]。
表12 常用金属材料及皮质骨的密度和模量对比
材料
密度/（gcm3）
弹性模量/GPa
皮质骨
～2.0
7～30
CoCr合金
～8.5
230
316L型不锈钢
8.0
200
纯钛
4.15
110
Ti6Al4V
4.40
106
钛合金的研制始于宇航结构材料的开发，随后转入医学领域应用。20世纪50年代中期，瑞典的科学家在研究骨髓血管血流状态的课题中，使用高纯度的钛作为植入动物体内材料，并长时间对植入动物体内的钛材料进行观察，发现植入动物体内的钛材料对动物机体的损害十分小，其与机体生物相容性非常好[5]。生物医用材料及制品在近几年来发展势态良好，其市场一直保持着18％～22％的增长率，我国在生物医用材料和制品的市场的需求量也以每年约15%~20%的速率增长。根据相关文章报道，目前人工关节材料作为人体植入物的用量逐渐增加，可预见人工关节材料将是未来几年生物医用材料的研究热点。自20世纪末之后，北美国家对人体植入件的需求量不断增加，每年用于人体植入件达到250万件以上，其中髋关节、股骨件的使用量约占3.5%；欧洲、亚洲各国对骨折外固定产品和内固定产品的供需保持着两旺的关系走向，据有关数据统计，2010年亚洲市场价值达到3.2亿美金，其中内固定产品占60.5%。由此可以推测未来十几年内，包含医疗器械产业在内的生物医用金属材料行业将发展迅速，会达到一定的规模经济，成为世界经济的重要支柱产业之一。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/302.html
