纯钛材与大变形纯钛材微弧氧化-水热合成复合陶瓷膜层的细胞相容性研究

采用微弧氧化-水热法分别在纯钛材及大变形纯钛材表面制备了TiO_2/HA复合陶瓷膜层,从细胞毒性实验、细胞增殖实验、细胞黏附实验等方面评价膜层的细胞相容性。结果表明:纯钛材与大变形纯钛材微弧复合陶瓷膜层均无细胞毒性。与纯钛材微弧复合陶瓷膜层相比,大变形纯钛材微弧复合陶瓷膜层表面粗糙度更适宜,结晶形核的HA晶粒的形状及Ca/P比更接近人骨HA,更能有效促进成骨细胞的黏附和铺展,随着培养时间的延长,成骨细胞双层重叠生长结构更为明显。成骨细胞在大变形纯钛材微弧复合陶瓷膜层表面各时间点的吸光度值均更高,细胞相容性更好。     

TA2表面微弧氧化-水热合成复合陶瓷膜层结构及其表面能分析

采用微弧氧化-水热法在纯钛TA2表面制备了含有羟基磷灰石、金红石相Ti O2及锐钛矿相Ti O2的复合陶瓷膜层。观测与分析复合陶瓷膜层的微观形貌、元素成分、粗糙度及相组成,探讨水热时间对其结构及表面能的影响。结果表明,水热处理后膜层表面结晶形核出大量光滑且较规则的条柱状及针状HA颗粒,不同水热时间的膜层表面基本组成元素均为Ti、O、Ca、P。随着水热时间的延长,膜层表面HA晶粒增多,体积增大,表面粗糙度呈现先下降后上升的趋势。膜层表面与水的接触角在116.0o~140.2o之间,均大于纯钛TA2基材与水的接触角77.3o,疏水性能增强;膜层表面能为150.7~282.9 m J·m~(-2),较纯钛TA2基材的27.5m J·m~(-2)提高了4倍以上。粗糙度的改变是导致膜层表面能提高的主要因素。     

TA2纯钛表面微弧氧化膜的成分和相结构分析

采用交流微弧氧化方法，在铝酸盐溶液中的TA2纯钛表面沉积一层厚度达30μm的氧化物陶瓷膜，并用扫描电镜（SEM），能谱仪（EDS），X射线衍射（XRD），Raman光谱研究了氧化膜的成分和相结构，研究表明：该氧化膜具有内外两层结构，分别厚约15μm，氧化膜由TiAl2O5相和金红石型TiO2相组成，但外层膜里TiAl2O5相含量比内层膜里高得多，金红石则主要分布在膜内层里，来自溶液的铝原子已扩散到膜／钛基体界面，但膜外层的铝含量比内层高得多，微弧放电区瞬间高温高压过程对纯钛基体没有影响，Al,O原子都没有扩散进入未氧化的钛基体。     

近β钛合金TLM表面处理后表面特性分析及对成骨细胞粘附的影响

采用微弧氧化(MAO)方法对近β钛合金Ti-5Zr-3Sn-5Mo-15Nb(TLM)表面进行处理,分析其表面特性变化,并观察成骨细胞在其表面的早期粘附.结果显示微弧氧化处理可以在TLM表面形成一层多孔生物活性氧化层,增大其表面粗糙度并提高其表面湿润性和表面能,该效应与微弧氧化电压有关.此外,电解液中的Ca和P可以被整合到表面氧化层中且其含量随微弧氧化电压升高而增加.体外细胞培养实验发现成骨细胞在微弧氧化表面的早期粘附明显高于抛光表面.     

氧化时间对钛表面微弧氧化膜层的影响

采用恒电流微弧氧化技术,在钛表面制得含HA的TiO2陶瓷膜,考察了氧化时间对氧化膜微观形貌、膜厚、相结构及耐体液腐蚀性能的影响。结果表明,随氧化时间增长,膜层表面多孔形貌变化明显,膜层厚度呈先增后降的趋势。氧化时间延长,膜层相组成由金红石、锐钛矿为主变为以羟基磷灰石为主。模拟体液极化曲线分析表明,微弧氧化膜的钝化行为随氧化时间延长而优异,但氧化时间超过20 min后,增大氧化时间对钝化效果的影响不再明显。     

外电阻对纯钛微弧氧化膜特性的影响

在Na2SiO3-Na3PO4溶液中,研究了恒定电压下通电回路中有、无外电阻对纯钛微弧氧化膜特性的影响。结果表明,MAO膜的生长特性、相组成、表面形貌和处理后样品的耐腐蚀能力受MAO过程中外电阻的影响较大。无外电阻时制备的氧化膜相组成和表面形貌与处理电压U密切相关,当U<450 V时,氧化膜由锐钛矿相TiO2组成,当U≥450 V时,氧化膜由锐钛矿相和金红石相TiO2组成。而有外电阻时制备的氧化膜相组成和表面形貌与U的关系不大, 膜层由锐钛矿相TiO2组成,膜表面的微孔尺寸更小、其分布也更均匀;在30%硫酸溶液中的耐腐蚀测试表明,有外电阻时制备的样品比无外电阻时制备的样品其耐腐蚀性能平均高出40%     

电极频率对纯钛表面微弧氧化陶瓷膜特性的影响

采用微弧氧化处理技术在纯钛表面制备了含钙磷的多孔生物活性复合陶瓷膜,研究微弧氧化时的电极频率对复合陶瓷膜的形貌、结构、成分和性能的影响。结果表明：在400-800Hz电极频率下,试样表面均形成了“火山口”喷发特征的含钙磷的多孔陶瓷膜层;膜层厚度随电极频率的升高而减少;膜层主要由锐钛矿相TiO2和金红石相TiO2组成,且金红石相TiO2的含量随电极频率的升高而增多,膜层表面在800Hz时出现大量钙磷盐的沉积,同时非晶现象明显;膜层中的Ca/P值随电极频率的升高而降低;膜层与基体的摩擦力临界载荷值随电极频率的升高呈先升后降的变化规律,在600Hz时的临界载荷值最大。     

电解液成分对纯钛表面微弧氧化膜结构与生物活性的影响

采用微弧氧化处理技术,在纯钛TA2表面制备了含钙磷的多孔复合氧化膜,用SEM、XRD、EPMA等分析了电解液成分对氧化膜形貌、成分、相构成及生物活性的影响。结果表明:纯钛表面微弧氧化后原位生成的含钙磷多孔性复合氧化膜由锐钛矿相TiO2,金红石相TiO2和基体Ti组成;随电解液中钙磷摩尔比(Ca/P)值的增大,表面孔洞数量增多、直径变小,膜中Ca/P值增大,锐钛矿相TiO2减少、金红石相TiO2增多;当电解液中Ca/P=5时得到的氧化膜的Ca/P值为1.528,将该样品经碱液处理后再在快速钙化溶液(FCS)中浸泡2 d后即有羟基磷灰石HA形成,表明其具有良好的生物活性。     

La对纯钛微弧氧化膜层的组织结构及细胞相容性的影响

在乙酸钙-磷酸二氢钙电解液中添加硝酸镧,对纯钛进行微弧氧化处理,利用XRD、SEM和EDX分别研究了La元素对膜层形貌、成分、物相的影响及作用机制,并利用细胞接种方法研究膜层的生物活性.结果表明:电解液中添加La降低膜层厚度,增加膜层孔洞尺寸,抑制锐钛矿向金红石型转变,并在微弧氧化过程中具有促进羟基磷灰石HA形成的能力.煅烧处理使膜层中的非晶HA晶化,形成片状和鳞状的HA晶体;膜层经煅烧后形成的HA/TiO2复合膜具有良好的细胞相容性.     

钛微弧氧化处理后的抗菌性能

通过微弧氧化处理后,钛表面形成一层氧化层,并且氧化层内含有F-、Cl- 和I-, 然后进行细菌粘附试验.结果表明:在种植体周围的常见菌群中,不管是需氧菌还是兼性厌氧菌,钛经过表面改性后均有一定的抗菌作用, 同时含有F-、Cl-和I-,更增加其抗菌性能.不同的晶相结构,其抗菌性能不同,在低电压时,形成的主要是锐钛矿型二氧化钛,其抗菌性能较优.     

Surface Energy and Work of Adhesion of Titanium Oxide Related Materials

Surface energy and work of adhesion of titanium oxide related materials were investigated.Titanium oxide(TiOx) films were deposited by electron-beam evaporation system using TiO2 as a source material.The films deposited by various thickness and growth rate were etched subsequently by different plasma using various gases like Ar and O2.TiOx films were further modified by self-assembled monolayer(SAM)of silanes and ultraviolet(UV)irradiation.The surface modified TiOx films showed a wide range of water contact angles from 6.9°to 75.2°.The surface energies of Titania-related films and their work of adhesion with human blood were varied with different surface modification process.X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)revealed that hydroxyl group present on the surface explains the hydrophilicity of the surface modified TiOx films.We also suggest that some surface modified samples can provide an excellent hemocompatible surface from the estimated work of adhesion between the surface modified TiOx samples and human blood.     

镁合金和钛合金表面着色工艺研究进展

表面着色技术能在材料表面形成不同颜色的保护性膜层,在提高材料表面性能的同时,又可赋予产品漂亮的外观或实现消光等目的。表面着色有两种形式:一是,所生成的化合物自身具有一定的颜色;二是,光线的反射、折射、干涉等效应而使表面呈现不同颜色。作为两类重要的结构材料,镁合金和钛合金因其各自优良的性质被应用于诸多领域。综述了镁合金和钛合金表面着色工艺研究进展,介绍了镁合金和钛合金表面着色工艺研究及应用现状。镁合金表面着色工艺包括:化学转化+喷涂、金属涂层、有机涂层、阳极氧化和微弧氧化;钛合金表面着色工艺包括:热氧化、化学氧化、阳极氧化和微弧氧化。列举了应用于镁合金和钛合金表面着色的具体工艺参数,总结了两种合金表面着色的具体应用。镁合金和钛合金部件经表面着色处理后,可以兼顾轻量化和强度要求,并实现部件外观的装饰性。基于镁合金和钛合金表面着色工艺研究的现有成果,对镁合金和钛合金表面着色的研究提出了一定展望。     

微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响

采用直流稳压电源,在Na2SiO3、Na3PO4电解液中对TC4钛合金表面进行微弧氧化处理,研究了微弧氧化对TC4钛合金高温抗氧化性能的影响.结果表明,经微弧氧化的TC4合金高温抗氧化性能明显优于TC4钛合金;在750℃循环氧化100h后,经300V电压微弧氧化60 min的TC4钛合金的氧化增重为7.8 mg/cm2,而未经微弧氧化处理的TC4钛合金氧化增重为30.51 mg/cm2;随着微弧氧化时间增长和电压的增大,微弧氧化TC4钛合金的高温抗氧化性能也增强.     

TC4钛合金在Na_3PO_4-KF-HF溶液体系中转化膜的制备及其性能研究

采用Na3PO4-KF-HF溶液对TC4钛合金进行表面转化膜处理,结果表明,50g/L磷酸三钠、20g/L氟化钾及2.5%氢氟酸组成的溶液体系能够使钛合金表面有效黑化。研究了酸洗对Na3PO4-KF-HF溶液体系TC4钛合金表面转化膜处理成膜增重的影响,结果表明,25℃下反应6min时成膜效果最好;对成膜前后的涂层附着力进行比对结果表明,经过磷酸盐-氟化物混合溶液处理的样品表面涂层不脱落,附着力得到了显著提升;并采用SEM、EDS、XRD对转化膜表面形貌和组成进行了分析。     

钛合金表面纳米化对成骨细胞生物学行为的影响

采用表面机械研磨(SMAT)方法对Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn(TLM)钛合金进行处理,并将处理前后的钛合金样品表面机械抛光成镜面,制备出Un SMATed及SMATed两组样品。XRD、OM、TEM、AFM及接触角试验结果显示,两组样品表面具有相同的物相组成、相近的拓扑结构及粗糙度,最表层的晶粒尺度分别为(82±9)μm及(48±7)nm,且晶粒细化后的SMATed样品表面具有更好的亲水性;体外试验结果显示,SMATed样品的纳米晶表面能从血清中吸附更高的蛋白量,从而促进其上成骨细胞的黏附、增殖与分化。结果表明,SMAT诱发的表层晶粒细化改善了TLM钛合金表面的细胞生长环境,从而有望应用于新型医用硬组织替代材料的开发。     

钛合金镀后热处理对镀层结合力的影响

主要研究了TC4钛合金镀后热处理对镀镍或铜／层结合力的影响。结果表明,热处理后镀层与基体之间的界面形成以固溶体或金属间化合物为主的扩散层,采用XRD分析扩散热处理后镀层与基体之间的界面表明,扩散层中存在Ni3Ti,NiTi,NiTi2等金属间化合物;镀层结合力的提高与热处理后所形成扩散层的厚度无直接关系,而认为其主要取决于是否有利于镀层与基体之间金属键的形成。当扩散层中的固溶体或金属间化合物足以破坏镀层与其体之间存在的氧化膜等非金属膜层的完整性,而镀层与基体之间的微观间隙不因热处理而增大时,则能促进镀层与基体之间金属键的形成,从而提高镀层的结合力。     

微弧氧化钛合金的电化学腐蚀行为

采用微弧氧化技术在TC4钛合金表面制备了多孔陶瓷层,研究了其在Hank′s模拟体液中的电化学腐蚀行为,利用SEM和XRD分析了其表面形貌和物相组成。结果表明,微弧氧化合金的自腐蚀电位升高约0.3V,提高了TC4钛合金在生物体液环境下的化学稳定性。在钛合金植入体电位范围内,微弧氧化处理可明显提高极化电阻,减少腐蚀电流1~2个数量级。随腐蚀时间的延长,TC4钛合金表面钝化膜逐渐发生腐蚀,而微弧氧化膜浸泡初期HA的形核及生长是电极反应中最活跃部分,2周后表面形成均匀的HA薄膜,表现出良好的抗电化学腐蚀性能。     

碱液处理钛合金表面软复合磷酸钙层

钛合金（Ti6Al4V)经过NaOH碱液处理后表面形成了多孔网状、弱结晶的钛酸钠凝胶层；随碱液浓度和处理时间增加，孔的尺寸增加。钛酸钠凝胶层可在快速钙化溶液中诱导沉积出（002）取向的磷酸八钙和／或磷灰石；而在模拟体液中诱导沉积出无取向的骨状磷灰石。碱液处理条件和钙磷溶液的离子种类、浓度和pH值是影响钛合金软复合磷酸钙层成分和沉积速度的两个因素。     

激光选区熔化成形TC4钛合金表面粘粉及残余应力研究

采用激光选区熔化成形技术制备了TC4钛合金试样,检测分析了试样的表面粘粉现象及表面残余应力分布状态。在保证熔池充分熔化的前提下,减少熔池热输入可有效缓解成形件表面的粘粉现象。成形件沿生长方向存在较大的拉伸残余应力,易导致层间剥离,应通过后续热处理减小残余应力累积。