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HA生物涂层报告.doc

HA生物涂层报告.doc

上传者: 鹰隼1992 2013-12-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《HA生物涂层报告doc》,可适用于高等教育领域,主题内容包含西南交通大学论文题目:《羟基磷灰石生物涂层调研报告》课程名称:材料成型基础姓名:杨城鑫:程江:温强:黄调调羟基磷灰石生物涂层调研报告摘要:生物涂层主符等。

西南交通大学论文题目:《羟基磷灰石生物涂层调研报告》课程名称:材料成型基础姓名:杨城鑫:程江:温强:黄调调羟基磷灰石生物涂层调研报告摘要:生物涂层主要有金属氧化物涂层、生物玻璃涂层、多孔钛涂层、生物活性羟基磷灰石(HA)涂层等。钛基羟基磷灰石涂层已广泛应用于临床实践。本文主要以应用较广的生物活性羟基磷灰石涂层为例从材料、制备工艺、表征及性能评价等方面来阐述生物涂层技术的应用和发展。关键词:生物涂层羟基磷灰石材料工艺性能评价TheresearchreportofbioactivehydroxyapatitecoatingAbstract:Biologicalcoatingincludesmanyaspects:metaloxidecoating、Bioactiveglasscoating、Poroustitaniumcoating、andBioactivehydroxyapatitecoating(HA)especiallytitaniumbasehydroxyapatitecoatinghavebeenappliedwidelyintheclinicalpracticeThisarticletaketheHAasanexampletoillustratetheapplicationanddevelopmentofthetechnologyofBiologicalcoatingfromitsmaterials、preparationprocess、characterization、andperformanceevaluationKeywords:Biologicalcoatinghydroxyapatitematerialsprocessperformanceevaluation前言钛及钛合金由于重量轻、强度高又具有一定的生物相容性因此长期以来一直被人们用作骨骼植入和修复的主要材料之一。然而不容忽视的是金属材料植入人体后由于长期在体液环境中服役就会导致金属的表面腐蚀甚至使金属离子进入肌体组织而使肌体组织变质。寻找一种更有效、更可靠的人体植入材料成为生物材料及生物医学工程学科领域在年代末年代初研究的热门课题。人体骨中的主要无机成份是M(RO)(OH)其中M主要为钙(Ca)R主要为磷(P)其晶体结构完整,为细长针状结构。羟基磷灰石Ca(PO)(OH)简称HA属六方晶系与人体骨中的无机物结构相同无毒植入人体后无外体反应具有良好的生物活性和生物相容性是理想的人体骨替代材料。研究表明:多孔HA植入生物体内后能使界面的软硬组织都长入空隙内形成纤维组织和新生成骨组织交叉结合状态这种界面能保持正常的代谢关系骨材料的界面结构具有生理性结合。但由于多孔HA属于脆性材料强度低、韧性差这就大大限制了它作为人体植入体的使用。因此采用有效方法在金属表面涂覆以生物活性HA涂层而得到的金属基复合生物材料其兼备金属材料的强度、韧性和HA的表面活性及生物相容性。这种材料植入生物体即可使材料骨界面达到生理结合又可有效地抑制金属离子向生物体内的释放是一种理想的新型生物材料。该材料的研究目前已成为材料学科领域及生物医学工程学科领域研究的热点并已取得了大量的成果。羟基磷灰石材料羟基磷灰石化学式为Ca(PO)(OH)简称HA。羟基磷灰石具有良好的生物相容性植入体内不仅无毒、安全还能诱导骨生长新骨可以从HA植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长与组织形成化学键合。HA生物活性陶瓷的强度与基相组成、晶粒度和孔隙率等密切相关且强度随孔隙率的增加呈指数下降。表列出了HA生物活性陶瓷的主要力学性能参数及与致密骨、牙本质和牙釉质的对比。HA的理论密度为gcm莫氏硬度为断裂韧性较低比SiO略高大约为AlO陶瓷的~为钛合金的~为高强度钢的~在生理环境中抗疲劳强度低韦布尔系数仅为因此不能用于承载部位。表HA生物活性陶瓷的主要力学性能参数与骨与牙的比较图羟基磷灰石原始粉末SEM图制备羟基磷灰石涂层工艺羟基灰石涂层的制备方法研究很多有部分方法的研究已经取得了比较良好的进展羟基磷灰石的具体制备方法有以下几种。等离子喷涂法等离子喷涂法(PlasmaSpraying)是目前唯一广泛应用的用于制备商品种植体涂层的技术相关研究也最多。等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术可以使基体表面具有耐磨、耐烛、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防福射、减磨和密封等性能。对于镁合金表面改性的技术研究中主要是在镁合金表面喷涂羟基磷灰石(HA)涂层即将制备好的HA粉末通过等离子喷涂的方法涂覆在镁合金的表面尽管等离子喷涂已应用到临床工业化生产但其存在一系列难以解决的难题:等离子喷涂是线型工艺难以在多孔或形状复杂的基底上形成均匀一致的表面涂层由于等离子喷涂过程温度比较高而冷却速度比较大表面涂层与基体金属的界面间会存在比较高的残余应力这样会使得复合材料的稳定性降低,羟基磷灰石的生物活性也会有所下降采用等离子喷涂的HA粉末过程中由于温度很高HA会在喷涂的过程中发生分解釆用等离子喷涂后涂层的致密度较低容易造成界面腐烛引起涂层脱离()该技术需要釆用高纯度的HA粉末制备比较复杂成本比较高。微弧氧化法微弧氧化(microarcoxidation,MAO)又被称为微等离子体氧化(microplasmaoxidation,MPO)是通过电解液与相应的电参数的组合在镁、钛及其合金表面依靠电弧放电产生的瞬时高温高压的作用在基体金属表面生长出以金属氧化物为主的陶瓷膜层。在微弧氧化的过程中化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化三种过程同时存在所以陶瓷层的形成过程非常复杂至今仍然没有一个比较合理的模型用来全面描述陶瓷层的形成过程。微弧氧化工艺将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域克服了硬质阳极氧化的缺陷极大地提高了膜层的综合性能。微弧氧化膜层与基体结合牢固结构致密初性高具有良好的耐磨、耐腐烛、耐高温冲击和电绝缘等特性。该技术具有操作简单和易于实现膜层功能调节的特点而且工艺不复杂不造成环境污染是一项全新的绿色环保型材料表面处理技术在航空航天、机械、电子、装饰等领域具有广阔的应用前景。微弧氧化技术是一种很有前途的医疗植入材料金属表面改性技术并己成功地应用于钛合金植入物表面。镆合金微弧氧化等表面处理方法其综合性能更适合生物和医学环境中镁合金的表面处理。它具有以下优点:()制备出的涂层的耐腐烛性和耐磨性性能优良涂层与金属集体表面结合紧密不容易发生脱落微弧氧化后的金属表面粗糖,有利于骨组织的生长()与通常的阳极氧化处理技术相比微弧氧化对材料的疲劳强度降低较小。激光熔覆法激光技术作为一种高科技技术在金属表面处理中也有应用。采用激光溶覆技术可以将所要包覆的材料在焰融状态下覆于金属表面。实验结果表明所制备的涂层和镁合金集体达到了良好的冶金结合涂层显微结构为致密的胞状晶。溶胶凝胶法溶胶凝胶法是将涂层物质制成溶胶,在需要处理的基体的表面均匀涂覆溶胶层,之后由于溶剂的迅速挥发并发生缩聚反应而使得溶胶凝胶化基体经过干燥和热处理后即可获得表面涂层。热处理温度与涂层中相的结晶度、相的种类、孔隙的大小等微观特性参数具有紧密的联系改变热处理温度可以改变涂层的各种特性也可以比较容易获得纳米级晶粒的涂层。用溶胶凝胶法制备生物陶瓷薄膜具有以下优点:()制备温度低可以有效避免涂层的高温分解()体系中的组分分布很均匀可以达到纳米甚至分子级水平()尽管溶胶凝胶法的产物可以是无定形态也可以是结晶态但是由于反应是在分子级别上进行因此可以在最大的程度上提高化学各向同性()材料制备过程容易控制产物纯度高()可以在复杂形态的基体表面生成均匀的表面涂层()涂层厚度薄并且可以控制可以形成几微米厚的表面涂层几乎不改变原种植体表面形态。电化学法电化学方法制备羟基磷灰石(HA)涂层有独特的优势尤其是其在温和条件下进行以及简单的设备装置一旦用于工业生产可以在很大程度上降低生产成本。由于电化学方法是一种非线性的过程因此对于形状复杂和表面多孔的基体电化学法仍然可以制备出表面均匀的涂层。近些年来对于电化学制备HA涂层的研究比较多。采用电化学制备HA涂层的方法主要是电化学沉积法和电泳沉积法。电化学沉积制备的生物陶瓷涂层的晶粒大小均匀晶体结构比较完美有利于提高植入材料的稳定性。电泳沉积法是一个非线性工艺同样适用于在具有复杂形状的植入器件表面而制备厚度均匀的HA涂层。、涂层性能的分析SEM形貌分析图为镁合金在镁合金电沉积前后的对比SEM图图中a为未经过电沉积处理的镁合金的表面形貌图,b、c、d的沉积条件为沉积液浓度Ca(N)为molLNHHPO为molL沉积电压为V沉积时间为min。电积涂层较致密主要存在两种物质一种呈片状另外一种呈棒状两种物质分布相对较为均匀片状物与棒状物质相互重叠。产生这两种形态的主要原因是由于电流密度的不同在电沉积开始时由于沉积镁合金表面光滑导电性强体系电流较大电流密度大随着表面沉积物的增加导电性降低电流随之降低电流密度也减小。不同的电流密度下晶粒的形状也有不同在高的电流密度下表面的晶粒呈现针状而在较低的电流密度下表面晶粒呈现片状。图镁合金电沉积前后SEM图a:电沉积前b、c、d:电沉积后电化学曲线的测试采用电化学工作站测试了不同条件下经过电化学沉积处理后的镁合金的Tafel曲线考察了电化学特性。在这里同样采用电化学工作站对未经过电化学沉积处理的镁合金样品和经过电化学沉积处理的镁合金样品做对比测试。电沉积处理后的镁合金样品的腐蚀电流密度为xAcm远远小于未经过处理的镁合金样品的腐蚀电流密度xAcm如表所示为经过测试后的电化学数据。极化电位的升高表面经过电沉积处理后的镁合金的腐烛倾向降低而从腐烛电流拟合结果可以看出经过电沉积处理后的镁合金的腐烛电流密度明显降低也表明了其腐烛速率降低。表电化学数据图镁合金电化学处理前后Tafel曲线图对经过电化学沉积处理的镁合金进行电化学曲线的测试结果显示相对于未经过处理的镁合金经过电化学沉积处理其腐烛电位从V提高到了V经过拟合后的腐烛电流密度由降低到了提升效果明显。采用电化学沉积法可以有效的在镁合金表面制备生成羟基磷灰石涂层该涂层能够有有效的提升镁合金的耐腐烛能力。新型生物涂层技术随着材料科学的发展生物涂层技术发展至今有了长足进步生物活性羟基磷灰石(HA)涂层技术尤为如此。在近几年里新型生物涂层技术层出不穷有碳碳复合材料表面纳米HAp壳聚糖生物复合涂层、新型钛合金生物涂层等新型的生物涂层材料也有rhBMPPDLLA种植体涂层材料诱导成骨、用微束等离子喷涂在TiAV基体上制备羟基磷灰石涂层等新型的生物涂层技术。碳碳复合材料表面纳米HAp壳聚糖生物复合涂层碳碳复合材料表面纳米HAp壳聚糖生物复合涂层是以声化学法合成的纳米羟基磷灰石(HAp)为起始原料以异丙醇作为分散介质采用水热电泳沉积法在经壳聚糖(CS)溶液改性后的碳碳复合材料(CC)其表面沉积纳米HApCS生物复合涂层。碳碳(CC)复合材料是国际新材料领域重点发展的一种新型结构材料综合性能优异其为骨修复和骨替换惰性材料极具应用前景。壳聚糖(CS)是弱碱性多糖其降解产物是氨基葡萄糖可被人体完全吸收具有促进骨细胞和成纤细胞黏附、分化和增殖的作用。二者都具有优异的生物相容性可降解性和生物活性。为了发挥其力学性能同时又能够诱导骨组织形成可在其表面制备纳米HAp和壳聚糖的复合涂层使其既具有基体材料的强度和韧性又具有HAp复合涂层的优良生物活性和生物相容性。目前在金属基体表面制备HAp涂层的方法很多但在CC复合材料表面制备纳米HAp复合涂层方法的报道很少、主要有等离子喷涂法、仿生法、电化学沉积法等。新型钛合金及生物涂层技术年由西北有色金属研究院等三家单位联合承担的国家计划特种功能材料主题“与硬组织生物力学相容的新型钛合金及其生物涂层技术开发”课题通过了验收。该课题自主设计开发出两种具有我国自主知识产权的新型钛合金TLM(TiZrSnMoNb)和TLE(TiZrSnMoNb)生物和力学相容性好综合性能可与目前国际上已报道的TiNbZr等优良医用钛合金相媲美在原料、熔炼、加工、热处理等方面实现了较低成本化综合力学性能宽泛可调材料加工工艺简便高效易加工成各类管、棒、板、丝、箔材及模锻、铸造产品。TLM合金可同时用于人体软组织(如血管内支架、心脏瓣膜等)和硬组织(关节、内固定器械等)的修复与替代产品制造具有多功能、多用途、高性价比和便于推广与普及性。新型氧化钛涂层可在形状复杂的钛合金种植体表面均匀成膜兼具生物活性、厚度均匀、多孔性、低弹性模量、高结合强度等特点其长效服役性高于传统等离子喷涂HA涂层。碳氮化钛涂层具有高硬度、高结合强度及液体环境下减磨功能可显著改善钛合金关节等植入件的耐磨性、延长使用寿命。rhBMPPDLLA种植体涂层材料诱导成骨种植牙在口腔医学领域里展开了前所未有的研发。提高种植体与骨组织的整合速度成为研究的焦点。早期的研究中有学者将聚乳酸(PLA)作为载体与rhBMP复合后修复骨缺损证实其具有较高的骨缺损修复性能。很多关于种植体活性涂层的研究往往都存在着生物力学和组织形态学结果上的差异即活性涂层能促进新骨的形成但对骨结合率并无有效提高而rhBMPPDLLA复合物具有促进新骨形成和提高骨结合率的双重作用。目前常用一些种植体表面处理技术来提高种植体与骨组织的整合其中复合骨形成蛋白(BMP)是一种很有应用前景的方法。人基因重组rhBMP是一种具有高效骨诱导活性的生长因子它需要合适的载体得以缓慢释放。用微束等离子喷涂在TiAV基体上制备羟基磷灰石涂层羟基磷灰石(HA)与人的牙齿和骨骼的化学组成非常近似成为一种最具价值的人体植入材料。这种材料可以通过不同的工艺沉积在植入体上。微束等离子喷涂可以减少喷涂过程中HA颗粒的过热倾向能较快地调整工艺参数。迅速改变涂层的结晶度能使涂层具有较高的稳定性和较高的生物活性。通过调整喷涂参数可得到三类典型的涂层结构。第一类结构喷涂电流A离子气流量SLPM喷涂距离mm。这种结构并不呈典型的层状结构涂层中含有大量未熔化HA颗粒与APS喷涂得到的高结晶度HA涂层结构相似。提高氩气流量降低喷涂电流有利于形成此类涂层。提高离子气流量使HA颗粒的飞行速度增加缩短其在焰流中的停留时间降低电流等离子喷涂功率降低。这两个因素的共同作用使得整个喷涂过程对粒子的热输入减少颗粒熔化程度降低。思考与展望新型生物涂层技术日新月异碳碳复合材料表面纳米HAp壳聚糖生物复合涂层、新型钛合金及生物涂层技术、rhBMPPDLLA种植体涂层材料诱导成骨、用微束等离子喷涂在TiAV基体上制备羟基磷灰石涂层只是冰山一角生物涂层材料的制备方法很多但迄今为止应用于临床的涂层材料还仅限于等离子涂层材料其它涂层材料的临床应用尚未见报导。涂层材料的临床应用受到限制的主要原因是涂层和基体的界面结合问题。除等离子涂层外用其它方法制备的HA涂层材料的界面结合强度均不高于MPa。而等离子喷涂HA涂层材料的界面结合强度虽然可高达MPa但由于存在着前述的弊端而使其在临床上的广泛应用受到了极大的限制。综上所述,生物涂层材料的研究将以提高界面的结合强度和涂层的稳定性为主要方向。而解决问题的主要途径应是:()基体表面进行特殊处理。对金属基体表面进行必要的特殊处理以使其表面形成有利于HA结晶的某种富含羟基的组份则可期望在界面上基体与涂层之间形成化学键合从而有效地提高界面结合强度。()设计合理的梯度涂层。根据基体与涂层的热膨胀系数不同而在界面上施以热性能相匹配的梯变过渡层降低界面残余应力提高涂层材料的力学相容性。()采用低温处理技术。在保证涂层完整形成的情况下尽量采用低温处理技术最大限度地减小表面HA涂层的分解保证HA结晶纯度有效地保证涂层材料的生物活性。参考文献:王俊生物医用复合材料研究现状及发展趋势J新材料产业,,():税毅张昭钛合金基磷酸钙涂层的制备及机理研究J现代化工():~资文华孙俊赛陈庆华等纳米羚基磷灰石制备工艺的最新研究进展J〕昆明理大学学报(理工版),,:一薛文斌邓志威等Ti一AI一V在NaA溶液中微弧氧化陶瓷膜的组织结构研究J〕材料科学与一艺,,:一夏永新型生物涂层技术.广西纺织科技()梁英钛–羟基磷灰石系种植体的生物学研究D.济南:山东大学,.杨俊李志安钛基羟基磷灰石涂层制备方法J.临床口腔医学杂志,,():.韩建生刘瑞敏贾太周rhBMP复合体在颌骨缺损修复中作用的实验研究J口腔医学研究():翟言强李克智李贺军等.炭炭复合材料声电沉积钙磷生物活性涂层的生长机理J稀有金属材料与工程,,():.熊信柏李贺军黄剑锋,等.碳碳复合材料表面声电沉积碱热处理复合工艺制备羟基磷灰石生物活性涂层研究J稀有金属材料与工程,,():.戴金辉李建保唐国翌生物涂层材料的研究现状与展望山东陶瓷,,孙雪奚廷斐生物材料和再生医学的进展J中国修复重建外科杂志,,():AebliNStichHSchawalderPeta.Effectsofbonemorphogeneticprotein~andhyaluronicacidontheosteontegrationofhydroxyapatitecoatedimplants:anexperimentalstudyinsheepJ.JBiomedMaterResA():MaedaM,HiroseM,OhgushiH,etalInvitromineralizationbymesenchymalstemcellsculturedontitaniumscaffoldsJJBiochem,,:

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