骨替換生物醫(yī)用材料要求具有特殊的生理行為，即必須滿足生物功能性和生物相容性。生物功能性是指植入材料需具有優(yōu)異的負(fù)荷傳遞和長期力學(xué)穩(wěn)定的功能，而生物相容性則要求生物材料與人體之間相互作用產(chǎn)生各種復(fù)雜的生物、化學(xué)、物理反應(yīng)。

　　摘 要 文章采用寬帶激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金上制備了含羥基磷灰石活性相的生物陶瓷復(fù)合涂層。利用晶相顯微鏡、顯微硬度計分析手段對復(fù)合涂層的組織、硬度進行 了研究，采用MG63人成骨細(xì)胞與材料共培養(yǎng)的方法，對梯度活性陶瓷涂層進行了細(xì)胞形態(tài)實驗。結(jié)果表明，稀土梯度生物活性陶瓷涂層界面結(jié)合良好，顯微硬度 較大，且涂層表面細(xì)胞生長旺盛、形態(tài)正常，細(xì)胞相容性更好。

　　關(guān)鍵詞 中級工程師論文范文,寬帶激光熔覆,梯度涂層,稀土氧化物Nd2O3,顯微硬度,細(xì)胞相容性

　　生物活性陶瓷骨替換材料是指能與活體軟體組織、骨組織形成化學(xué)鍵合的陶瓷材料。對于硬組織替換材料而言，這種鍵合主要是由HA在界面處的沉積而實現(xiàn)。目前，典型的活性陶瓷材料主要包括兩類：一是生物活性玻璃;二是磷酸鈣基生物陶瓷。

　　本文主要采用激光熔覆技術(shù)，涂層各層逐漸過渡的思想在在鈦合金上制備了含HA活性相的生物陶瓷復(fù)合涂層，并重點對活性涂層的組織結(jié)構(gòu)、生物相容性進行了研究。

　　1 試驗方法

　　激光熔覆實驗采用5 kW橫流CO2激光器以及TJ-LAMP五坐標(biāo)數(shù)控加工機床。羥基磷灰石Ca：P=1.67，即要求合成羥基磷灰石的CaCO3和CaHPO4・2H2O 的組成應(yīng)為28%CaCO3和72%CaHPO4・2H2O。通過多次實驗優(yōu)化的工藝參數(shù)為掃描速度V=160 mm/min，輸出功率P=2.3 kW，光斑尺寸D=12 mm×1 mm。

　　表1 生物陶瓷梯度涂層成分設(shè)計

　　層次 第一梯度層 第二梯度層 第三梯度層

　　M 30 70 100

　　T 70 30 0

　　利用OLYMPUS PMG-3型OM金相顯微鏡觀察涂層的顯微組織特征，用FM7600半自動顯微硬度計測試涂層的顯微硬度，以及通過熒光染色法考察了涂層的生物相容性。

　　2 試驗結(jié)果及分析

　　2.1 稀土梯度活性復(fù)合涂層的顯微組織

　　圖1 涂層中未加入稀土氧化物Nd2O3顯微組織

　　由圖1可見，梯度復(fù)合涂層主要由基材、合金化層組成，幾乎看不到陶瓷涂層的出現(xiàn);且從圖中還可看出層與層之間雜質(zhì)多、結(jié)合性較差，界面末形成致 密的合金體。由圖2可知，涂層中加入稀土氧化物的顯微組織主要有基材、合金化層和生物陶瓷層三層，層間界面結(jié)合良好，幾乎無夾渣、裂紋缺陷，這種結(jié)果表明 基材與梯度活性涂層間實現(xiàn)了良好的化學(xué)鍵結(jié)合，且在基材與生物醫(yī)用陶瓷層間存在一層致密的合金化層，當(dāng)涂層植入人體后可以阻止基材中的金屬離子滲入人體。

　　圖2 涂層中加入稀土氧化物Nd2O3顯微組織

　　2.2 細(xì)胞增殖分析

　　由圖3可見，MG63細(xì)胞在材料表面均呈現(xiàn)出梭形狀，處于正常生活狀態(tài)，說明材料對細(xì)胞均沒有表現(xiàn)出毒性。由圖還可知，加入稀土氧化物 Nd2O3陶瓷活性涂層材料圖片中，染色后呈正常梭形狀的細(xì)胞數(shù)目均比TC4和復(fù)合涂層中未添加稀土氧化物Nd2O3梯度陶瓷涂層明顯偏多，由此可知，稀 土活性梯度生物陶瓷涂層材料具有良好的生物相容性和活性。

　　(a)TC4 (b)未添加Nd2O3 (c)添加Nd2O3

　　圖3 生物陶瓷涂層與成骨細(xì)胞共培養(yǎng)4天的細(xì)胞增殖結(jié)果200×

　　2.3 稀土梯度生物活性陶瓷涂層的顯微硬度

　　由圖4可知，加入稀土氧化物Nd2O3的生物梯度活性陶瓷涂層顯微硬度曲線由陶瓷層、合金化層和基材三個區(qū)域構(gòu)成，且從合金化層至基材的顯微硬 度分布曲線呈逐步下降的趨勢，從而保證了生物陶瓷涂層與基材之間良好的冶金結(jié)合。由圖4還可知，未加入稀土氧化物Nd2O3陶瓷涂層顯微硬度明顯低于加入 0.6Wt% Nd2O3稀土氧化物時生物梯度陶瓷涂層的顯微硬度。

　　圖4 生物活性陶瓷梯度復(fù)合涂層顯微硬度曲線圖

　　3 結(jié)論

　　1)Nd2O3稀土氧化物的生物活性陶瓷梯度涂層各層之間界面結(jié)合良好，且均為良好的化學(xué)冶金結(jié)合。

　　2)加入稀土氧化物Nd2O3的生物活性梯度陶瓷表面的細(xì)胞形態(tài)正常、生長旺盛，細(xì)胞相容性良好，復(fù)合涂層對人成骨細(xì)胞無毒副作用。

　　3)Nd2O3稀土氧化物的生物活性梯度陶瓷的顯微硬度更高。

　　參考文獻

　　[1]張亞平，高家誠，譚繼福，等.激光熔覆生物陶瓷涂層[J].材料研究學(xué)報，1994，8(1)：93-95.

　　[2]高家誠，張亞平，陳明飛.激光合成HA生物陶瓷涂層的熱力學(xué)動力學(xué)研究[J].功能材料，1998，29(6)：635-638.

　　[3]劉其斌.激光加工技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

　　[4]劉其斌，鄭敏，朱維東，等.寬帶激光熔覆梯度生物活性陶瓷復(fù)合涂層組織與性能[J].應(yīng)用激光，2004，24(6)：350-354.

　　[5] 劉其斌，鄭敏，朱維東，等.鈦合金表面寬帶激光熔覆梯度生物陶瓷復(fù)合涂層[J].功能材料，2005，36(1)：50-53.

　　[6]高家誠，王勇.原位合成HA過程中Y2O3的作用機理.中國有色金屬學(xué)報，2003，13(3)：675-679.

　　[7]Liu Q B，Zou J L，Zheng M.Effect of Y2O3 content on microstructure of gradient bioceramic composite coating produced by wide-band laser cladding[J].Journal of Rare Earth，2005，23(4)：446-450.

　　[8]劉其斌，曲微.摻雜對寬帶激光燒結(jié)BaTiO3陶瓷組織與性能的影響[J].中國激光，2009，36(9)：2409-2412.

　　[9]王勇，高家誠，張亞平.激光熔覆梯度生物陶瓷涂層的研究[J].中國激光，2004，31(4)：487-490.

　　[10]俞耀庭，張興棟.生物醫(yī)用材料[M].天津：天津大學(xué)出版社，2000.