钛及钛合金表面羟基磷灰石涂层结合强度及稳定性
发布时间：2021-08-25 19:26
钛（Ti）及其合金凭借优异的机械性能和良好的生物相容性,一直是骨和牙种植体的主要临床应用材料。由于钛及其合金自身的生物惰性,不易与周围骨组织进行快速的骨整合,因此其表面的生物活性有待进一步提高。羟基磷灰石（HA）是人体骨和牙齿的主要无机成分,具有良好的生物活性和生物相容性,受其力学性能的制约,常被作为涂层材料覆盖在钛基体表面,用以提高植入体的生物活性。但一直存在涂层与基体界面结合强度低和涂层力学稳定性差的问题,成为限制其临床广泛应用的主要因素。本文从涂层结构设计、成分设计及制备方法等方面,就国内外改善钛基底与HA涂层界面结合性能的研究现状和发展动态作一综述,为高性能钛植入体的制备和应用提供参考。
【文章来源】：化学进展. 2020,32(04)北大核心SCICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
激光辅助冷喷涂系统示意图[88]
对HA涂层与Ti及其合金的界面研究对于涂层的制备有极大的指导作用。涂层与基体的界面结合主要分为三种类型(图1):(1)机械互锁,涂层与基底依靠一定的粗糙度进行表面嵌合,从而形成机械铆合;(2)物理吸附,当涂层与基底紧密接触时,涂层中的分子依靠范德华力、氢键或静电吸附与基底之间形成相互作用;(3)化学键合,在界面处生成化合物或固溶体,靠共价键、离子键或金属键结合[11,12]。研究者们在寻求提高其界面结合强度方法的同时,从材料顺应性的角度出发,提高HA涂层与Ti基底的力学匹配性,从而提高涂层的稳定性,近几年在结构设计、成分设计和制备方法等几方面取得了一定进展。以下将对近年来提高HA涂层结合强度和稳定性方面的相关研究进行综述。2 结构设计
随着梯度设计研究的深入,多种中间层被尝试引入,包括生物活性玻璃[27,28]、Al2O3[29]、YSZ[30]、TiO2[31]、Ti/HA百分比混合物[32]和TiN[33]等,通过冶金结合增强层与层之间的结合强度或通过中间层缓解热膨胀系数差异大的问题,以提高HA涂层与Ti基底的结合强度。随之制备方法也在传统的基础上进一步改进,如有研究[34]采用超音速火焰喷涂技术,在Ti6Al4V基底上制备了多层HA/TiO2梯度复合涂层。涂层设计如图2所示,从基底界面处的纯TiO2到涂层外表面处的纯HA,组成相的质量分数逐层逐渐变化。通过压痕测试测量计算了传统单层纯HA涂层和功能梯度涂层的断裂韧性和结合强度,结果表明,TiO2层有利于改善涂层黏合性,梯度设计的中间层改善了断裂韧性。因此,设计构建梯度涂层相对于传统的单层HA涂层更有利于改善植入体的机械稳定性。3 成分设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]Plasma spray of biofunctional（Mg, Sr）-substituted hydroxyapatite coatings for titanium alloy implants[J]. Lei Cao,Ihsan Ullah,Na Li,Shiyu Niu,Rujie Sun,DANDan Xia,Rui Yang,Xing Zhang. Journal of Materials Science & Technology. 2019(05)
[2]热喷涂生物陶瓷涂层的研究进展[J]. 郑学斌,谢有桃. 无机材料学报. 2013(01)
[3]生物植体表面活化改性(英文)[J]. 黄毓虹,郑海兴,Audrey Lin,Ichiro Nishimura. 稀有金属材料与工程. 2010(S2)
本文编号：3362709
【文章来源】：化学进展. 2020,32(04)北大核心SCICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
激光辅助冷喷涂系统示意图[88]
对HA涂层与Ti及其合金的界面研究对于涂层的制备有极大的指导作用。涂层与基体的界面结合主要分为三种类型(图1):(1)机械互锁,涂层与基底依靠一定的粗糙度进行表面嵌合,从而形成机械铆合;(2)物理吸附,当涂层与基底紧密接触时,涂层中的分子依靠范德华力、氢键或静电吸附与基底之间形成相互作用;(3)化学键合,在界面处生成化合物或固溶体,靠共价键、离子键或金属键结合[11,12]。研究者们在寻求提高其界面结合强度方法的同时,从材料顺应性的角度出发,提高HA涂层与Ti基底的力学匹配性,从而提高涂层的稳定性,近几年在结构设计、成分设计和制备方法等几方面取得了一定进展。以下将对近年来提高HA涂层结合强度和稳定性方面的相关研究进行综述。2 结构设计
随着梯度设计研究的深入,多种中间层被尝试引入,包括生物活性玻璃[27,28]、Al2O3[29]、YSZ[30]、TiO2[31]、Ti/HA百分比混合物[32]和TiN[33]等,通过冶金结合增强层与层之间的结合强度或通过中间层缓解热膨胀系数差异大的问题,以提高HA涂层与Ti基底的结合强度。随之制备方法也在传统的基础上进一步改进,如有研究[34]采用超音速火焰喷涂技术,在Ti6Al4V基底上制备了多层HA/TiO2梯度复合涂层。涂层设计如图2所示,从基底界面处的纯TiO2到涂层外表面处的纯HA,组成相的质量分数逐层逐渐变化。通过压痕测试测量计算了传统单层纯HA涂层和功能梯度涂层的断裂韧性和结合强度,结果表明,TiO2层有利于改善涂层黏合性,梯度设计的中间层改善了断裂韧性。因此,设计构建梯度涂层相对于传统的单层HA涂层更有利于改善植入体的机械稳定性。3 成分设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]Plasma spray of biofunctional（Mg, Sr）-substituted hydroxyapatite coatings for titanium alloy implants[J]. Lei Cao,Ihsan Ullah,Na Li,Shiyu Niu,Rujie Sun,DANDan Xia,Rui Yang,Xing Zhang. Journal of Materials Science & Technology. 2019(05)
[2]热喷涂生物陶瓷涂层的研究进展[J]. 郑学斌,谢有桃. 无机材料学报. 2013(01)
[3]生物植体表面活化改性(英文)[J]. 黄毓虹,郑海兴,Audrey Lin,Ichiro Nishimura. 稀有金属材料与工程. 2010(S2)
本文编号：3362709
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