镁合金表面钙磷膜—溶胶凝胶复合涂层的制备及性能研究

发布时间：2017-07-29 18:32

  本文关键词：镁合金表面钙磷膜—溶胶凝胶复合涂层的制备及性能研究

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【摘要】：镁合金作为一种潜力巨大的生物医用材料，具有与人体骨骼相似的力学性能、出色的生物相容性以及可降解性，有效的避免了应力遮挡效应、生物体排斥反应、二次手术等在临床医学中面临的问题。但是镁及镁合金耐腐蚀性能较差，无法保证骨骼愈合期全程提供有效的保护，如何进一步提高其生物相容性与控制降解速率成为研究的重点。 本实验采用AZ60镁合金为研究对象，通过化学转化法与溶胶凝胶法相结合，在镁合金表面制备复合涂层。第一步，采用化学转化法在其表面制备钙磷膜（Ca-P膜），并对膜层进行氟化处理以进一步提高其耐腐蚀性。试验中对氟化处理温度、处理时间、溶液pH值三个变量逐一进行探究并得到最佳工艺参数。第二步，利用溶胶凝胶法在氟化处理后的钙磷膜表面进一步涂覆，制备复合涂层。试验中对溶胶成膜层数、溶胶含氟量、匀胶速度、烧结时间四个变量进行正交试验，并得出最佳工艺水平。利用XRD、SEM、EDS、TG、FT-IR、划格法结合力测试、极化曲线、电化学阻抗、MTT细胞毒性实验等方法，测试、表征了涂层的结构和性能，并对成膜过程中各因素对其性能的影响进行讨论。 实验结果表明，钙磷膜及氟化处理有效的提高了镁合金的耐腐蚀性，当氟化处理的工艺参数为处理温度为60℃、氟化液pH值为12、氟化液摩尔浓度为0.15M时，电化学性能最优，腐蚀电流密度降低了3个数量级达到3.889×10-7A/cm2，腐蚀电位提高323mV。膜层表面为鳞片状结构，厚度约为8μm，通过氟化处理，球状颗粒可以起到对结构缝隙处封孔作用，膜层与基体结合紧密，，可达到划格法结合力测试评级中的最高级“0级”。 通过溶胶旋涂法对膜层进一步处理得到复合涂层，通过正交试验得出最佳工艺水平：5层溶胶涂覆层、溶胶含氟量为2、烧结时间12h、匀胶速度为4000r/min。相比镁合金基体，复合涂层的腐蚀电流密度降低了4个数量级，达到1.004×10-8A/cm2，腐蚀电位提高了344mV。复合涂层表面平整、致密，通过正面以及剖面观察，膜层厚度约为10μm，鳞片状结构消失，涂层整体结合力良好，到达划格法评级“0级”。 通过7天的浸泡实验发现，复合涂层有效的降低了析氢速率与pH值的变化，对基体起到了良好的保护作用。连续浸泡阻抗实验显示，试样在浸泡初期阻抗值增大，但到某一时间后阻值开始下降，但具有复合涂层的试样在实验周期内阻值始终大于基体阻值，从另一个方面说明了复合涂层对镁合金耐腐蚀性的提高。细胞毒性实验(MTT)显示，复合涂层细胞毒性评级为“1级”，符合国家对于生物材料的要求。
【关键词】：AZ60镁合金 钙系磷酸盐膜 氟化处理 溶胶凝胶 复合涂层 生物活性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 生物医用材料概论12-14
• 1.2.1 生物医用材料的要求12-13
• 1.2.2 生物医用材料的分类13-14
• 1.3 镁及镁合金作为医用材料的潜力14-15
• 1.4 镁及镁合金成分调整对性能的影响15-16
• 1.4.1 镁的纯化与合金化15-16
• 1.4.2 镁合金加工工艺优化16
• 1.4.3 镁基复合材料16
• 1.5 镁合金表面处理16-21
• 1.5.1 转化类涂层17-19
• 1.5.2 沉积类涂层19-21
• 1.6 本论文的研究意义和内容21-24
• 1.6.1 研究意义21-22
• 1.6.2 本课题具体研究内容22-24
• 第二章 技术方案、工艺流程及研究方法24-36
• 2.1 实验基体材料、仪器及药品24-26
• 2.2 实验流程及具体操作步骤26-29
• 2.2.1 钙系磷化膜的制备及其氟化处理26
• 2.2.2 实验具体步骤26-28
• 2.2.3 溶胶凝胶的制备及制膜28-29
• 2.3 实验研究方法29-36
• 2.3.1 电化学分析29-30
• 2.3.2 涂层表面形貌及成分分析30
• 2.3.3 羟基磷灰石粉末物相分析30
• 2.3.4 泡析氢试验30-32
• 2.3.5 结合力强度实验32-33
• 2.3.6 体外细胞毒性实验(MTT 法)33-36
• 第三章 Ca-P 膜与氟化处理的探究36-54
• 3.1 引言36
• 3.2 钙磷膜生长机理36-40
• 3.2.1 AZ60 镁合金与钙系磷化膜电化学性能38-40
• 3.3 氟化处理及工艺探究40-52
• 3.3.1 氟化处理原理41-42
• 3.3.2 NaF 摩尔浓度对于成膜的影响42-46
• 3.3.3 NaF 处理液 pH 对于成膜的影响46-49
• 3.3.4 NaF 处理温度对于成膜的影响49-52
• 3.3.5 膜层结合力的分析52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 化学转化-溶胶凝胶复合涂层的研究54-72
• 4.1 引言54-55
• 4.2 溶胶凝胶的研究55-58
• 4.2.1 溶胶凝胶的热重(TG)分析55-57
• 4.2.2 溶胶的 XRD 分析57-58
• 4.3 复合涂层的工艺研究58-65
• 4.3.1 正交试验58-61
• 4.3.2 溶胶涂覆层数的影响61-63
• 4.3.3 溶胶凝胶不同含氟量的影响63-65
• 4.4 复合涂层结合力的分析65-66
• 4.5 复合涂层剖面的分析66-70
• 4.5.1 复合涂层剖面的形貌分析66-67
• 4.5.2 复合涂层表面成分分析67-68
• 4.5.3 复合涂层剖面成分分析68-70
• 4.6 本章小结70-72
• 第五章 浸泡实验及生物相容性的研究72-86
• 5.1 电化学腐蚀分析72-73
• 5.2 阻抗分析73-76
• 5.3 浸泡试验76-80
• 5.3.1 浸泡后腐蚀形貌及成分分析76-77
• 5.3.2 析氢实验77-78
• 5.3.3 pH 值测试78-80
• 5.4 细胞毒性实验80-83
• 5.4.1 实验步骤80
• 5.4.2 相对增殖度的计算和结果分析80-82
• 5.4.3 细胞形态描述82-83
• 5.5 本章小结83-86
• 第六章 结论86-88
• 参考文献88-94
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果94-95
• 致谢95

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：590557