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1、Ti6Al4V表面生物陶瓷涂层设计与生物活性研究助财抖2007年第5期(38)卷Ti6A14V表面生物陶瓷涂层设计与生物活性研究魏强,杨巍,杨贤金,崔振铎(天津大学材料科学与工程学院,天津300072)摘要:设计并制备了适用于Ti6A14V表面涂覆层的生物陶瓷材料,将烧结后的陶瓷浸入模拟体液中,借助SEM,ICP,FTIR等分析技术研究其生物活性机理,结果表明所研制的陶瓷材料不仅具有和Ti6A14V相匹配的热膨胀系数,且表面可沉积生成碳酸羟基磷灰石(HCA)具有良好的生物活性.关键词:生物陶瓷涂层;热膨
2、胀系数;生物活性中图分类号:TB39;TG156文献标识码:A文章编号:1001—9731(2007)05—0806—031引言随着医疗卫生事业和人民生活水平的提高,生物硬组织植入材料已应用在骨替换,牙种植和整形外科等众多领域.Ti6A14V合金由于具有优良的机械性能,耐蚀和生物相容性被广泛用作牙科和外科植入材料[1].但是Ti6A14V合金无生物活性,且Al和V元素对人体具有一定的毒性,直接植入人体后有毒元素溶出会对人体产生不利影响[2].因此,为赋予Ti6A14V表面生物活性,阻止有毒元素溶出,可通
3、过表面涂覆烧结等方法在Ti6Al4V表面制备陶瓷涂层材料进一步改善其生物相容性.作为生物活性陶瓷材料必须要满足以下要求【3"]:(1)涂层材料的热膨胀系数应与金属基体相匹配,以避免在烧结涂层时产生较大的热应力,导致涂层中产生裂纹(一般说来,陶瓷涂层材料的热膨胀系数应略低于金属基体的热膨胀系数).(2)涂层烧结处理时为了不影响金属基体的机械性能,瓷粉最佳烧结温度要低于Ti6A14V由a相到B相的转变温度(约955～1010℃),因此瓷粉要有较低得软化温度.(3)具有一定的生物活性.因此,生物陶瓷不含对人体
4、有害的成分,生物相容性好,更为重要的是生物活性陶瓷可以通过调整其中的化学成分达到在较大范围内调节热膨胀系数和生物活性的目的.如GomezL4等人以Si02一Na2O-K2O-Ca0一MgO-P.0.系统研制出的6P系列,Si0:含量低的6P57生物活性虽好但热膨胀系数过高,而Sio2含量高的6P68热膨胀系数虽低却生物活性较差.本文目的就是为了研制出一种热膨胀系数与Ti6Al4V相匹配的生物陶瓷涂层材料,且该陶瓷涂层材料具有良好的生物活性.2试验方法2.1生物活性陶瓷粉配方的设计制备瓷粉制备是在Si02
5、-Na2O-K2O-CaO-MgO-P2O5系统生物活性玻璃中的6PM[5]基础上引入不同含量(59,6～15(质量分数))的B:O.以替代SiO:,并添加4(质量分数)的CaF:.成分变化目的在于调节瓷釉的热膨胀系数,降低瓷釉熔制温度.本工作中以Ti6A14V热膨胀系数为基准,对瓷粉配比进行设计,设计配方及其热膨胀系数如表1所示.其中线膨胀系数的计算公式为[6]:a一∑×10式中,0t为线膨胀系数,a;为各氧化物的经验因数,p为氧化物所占百分比.表1生物陶瓷的组成(质量百分比)和热膨胀系数的计算值Ta
6、ble1Bioceramiccomposition(wt9,5)andthecaculatedvaluesofthemalexpansioncoefficient编号SiO2Na20K2()Ca0Mg0P2O5B2O3CaF2a(10一./℃)6P～I-B5一F459.19.82.77.16.36.O549.56PI-B8-F456.19.82.77.16.36.O849.36P～I.B11一F453.19.82.77.16.36.O1149.26PM-B14-F45O.19.82.77.16.36.O
7、1449.0根据配方将适量原料SiO:,P:0,Na:CO.,KzC03,CaO,MgO,NazBO,CaF2放人球磨机中以无水乙醇为介质球磨4h.将混合物在80℃烘箱中烘干后放人石英坩锅,在SX2-8—16箱式电阻炉中先以5"c/min的速度升温到850℃,保温1h,使其中的碳酸盐充分分解,然后以4℃/min升温到1350℃保温3h使粉料充分熔融,随炉冷却后制得瓷粉.2.2瓷块热膨胀系数(a)及其软化温度()的测定将熔制的瓷块制成5mm×5mm×15mm的试样,用热膨胀仪测量其热膨胀系数(a)及软化点
8、温度(T.).*基金项目:中国博士后科学基金资助项目(2oo6O4oo7oo)收到初稿日期:2007-02-08收到修改稿日期:2007-04-10通讯作者:魏强作者简介:魏强(198O一),男,河北邢台人,讲师,博士,主要从事空间环境地面模拟及材料行为研究,生物材料制备与评价.塾塑筻!!垒!壅亘生塑堕童途星量生塑适壁堑窒2.3生物活性的测试称取相同质量的6PM-B5一F4玻璃陶瓷粉1g,加入酒精超声波清洗后烘干,分别放人装有30mlSBF
