钛种植体表面润湿性控制的实验研究

首先用喷砂酸蚀法对钛种植体表面进行粗化处理,制备出具有微米-纳米双微观孔洞结构的超亲水表面.然后用等离子体氧化的工艺,制备具有超亲水性能的氧化钛表面,发现表面亲水性能随自偏压的增加先减小后增加,随处理时间的增加而减小.在360 V自偏压、20 min处理时间和1ml/min(标准状态)氧气流量时能到超亲水效果的锐钛矿二氧化钛表面.最后尝试用十二烷基三氯硅烷和分子自组装法在粗糙的氧化钛表面制备疏水表面,最大角度可达120°,利用等离子体处理和紫外光照射成功实现了表面由超亲水到疏水之间的转换.     

钛及其合金的表面处理技术

金属钛比重小、比强度大、耐热性和耐蚀性强,从综合性能来看,是一种最高级的结构材料。因此,它在宇航工业、石油化学工业和原子能发电等高技术产业中的应用越来越广泛。但是,纯钛和钛合金所存在的缺点——耐磨性差、容易发热胶着、容易发生     

钛合金髋关节假体纯钛/钛合金表面多孔层研究

为获得具有表面多孔层的Ti6Al4V合金髋关节假体,选择不含Cu,Ni等元素的钎料,采用真空钎焊方法获得了纯钛/钛合金表面多孔层.钎焊工艺参数为950℃/30min时,采用φ0.2mm以上粒径的纯钛/钛合金球形粉末,孔径大于100μm,孔隙率6.0%～8.8%,表面多孔层与基体的结合强度大于20MPa.孔径、孔隙率与结合强度均满足人体内植入要求.所采用的钎焊热循环对Ti6Al4V合金股骨柄基体的力学性能和显微组织没有明显影响,符合标准YY 0117.1的规定;生物学评价遗传毒性实验结果为阴性,初步表明钎焊获得的纯钛/Ti6Al4V合金表面多孔层具有良好的生物相容性.     

钛金属表面活化处理及表面细胞响应特性

采用不同比例的氢氟酸(1％(质量分数)HF)与双氧水(30％(质量分数)H2O2)以及二者不同配比(1∶1、5∶1和1∶5)的混合溶液对钛金属表面进行处理,制备出具有不同拓扑结构的钛活性表面.用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、接触角测试和X射线光电子能谱(XPS)等手段分别对各组样品的表面形貌、粗糙度、亲疏水性及表面化学组成变化等进行分析和表征.将各组样品分别与骨肉瘤细胞株(MG63)共培养,用SEM观察细胞形态变化,利用MTT比色法测定细胞增殖能力,通过体外细胞培养实验考察处理后的钛金属表面对MG63细胞形貌及增殖分化特性的影响.结果表明,经HF和H2O2混合溶液处理后的样品表面粗糙,并含有丰富的F-和OH-基团,促进了细胞的粘附、铺展、生长和增殖,大幅改善了钛表面的生物活性.其中,氢氟酸与双氧水按1∶5配比的混合溶液处理后的样品在细胞培养前期显示出更加优良的细胞相容性,这对促进钛种植体与周围骨组织间的快速整合具有积极意义.     

获得钛表面分级多孔微纳结构的复合工艺及其形成机制

分别用喷丸酸蚀(SLA)、阳极氧化(AO)以及复合喷丸酸蚀和阳极氧化(SLA+AO)方法对纯钛进行表面改性,以获得具有分级多孔微纳结构、表面富氧及锐钛矿相的钛表面特征。通过表面形貌、粗糙度、表面成分以及晶相结构来分析各组样品的表面特征及其形成机制。喷丸酸蚀(SLA)处理之后的样品具有由2～3μm凹坑和100～400nm孔洞组成的分级多孔形貌特征。阳极氧化(AO)处理之后的样品表面形成分布较均匀的20～400nm的孔结构,表面富氧并出现锐钛矿相。复合喷丸酸蚀和阳极氧化(SLA+AO)方法处理之后的样品表面具有分级多孔微纳结构,表面富氧并出现锐钛矿相。最后分别探讨了SLA、AO及SLA+AO处理方法的形成机理。     

纯钛表面仿生矿化性能优化的研究

采用不同的碱液处理浓度和处理时间在80℃下处理纯钛的表面并在模拟体液(SBF)中进行仿生矿化.结果表明随着碱液处理浓度和处理时间的增加,纯钛表面在模拟体液中仿生矿化的能力增强.碱液处理的浓度是影响纯钛表面仿生矿化能力的主要因素.经10M/L的碱液处理48h后,纯钛表面生成的是具有(002)和(004)晶体取向的类骨磷灰石(HCA),HCA晶粒生长较大,相互连接形成空间紧凑的结构.     

纯钛经电化学表面改性后的抗菌活性与生物相容性研究

在含不同电解质的电解液中利用电化学方法对纯钛进行表面改性,并将改性后的纯钛试样进行抗菌性和生物相容性实验.结果表明,纯钛在含氯化物的电解液中经表面改性后具有良好的抗茵活性和生物相容性,而在非氯化物的电解液中经表面改性后其抗茵活性和生物相容性则较差.     

钛表面处理技术的研究现状

在钢铁材料中得到成功应用的传统表面技术,在钛表面处理上也得到了较广泛的应用,但传统的表面技术存在着许多不适应于钛材处理的技术壁垒,因此,针对钛材料的特殊性能发展起来的液相等离子体处理技术、等离子表面冶金技术、钛电极涂层技术、钛生物涂层技术、钛建筑材料的表面处理技术等成为钛材表面处理技术新的发展方向。主要综述了传统表面技术和液相等离子体处理技术、等离子表面冶金技术2种新技术在钛材表面上应用的研究成果。     

射频等离子体对纯钛表面的氨基化改性

采用射频辉光等离子体技术,以氮气与氨气的混合气体为气体源对纯钛进行处理。采用X射线光电子能谱对改性的样品表面成分进行分析,并讨论氨基化机理;采用表面接触角测试仪研究了处理时间、放置时间及保存方式对材料表面亲水性的影响。结果表明:经过氮气与氨气的混合气体等离子体改性后,材料表面存在氨基和氮钛化合物,处理90 min后,表面氨基含量高;改性后材料表面亲水性增加,但随放置时间的增加亲水性变差,在5 h内,改性钛片保存在氮气气氛中有利于亲水性的保持。     

钛表面等离子体氧化及其对细胞粘附增殖的影响

采用真空射频辉光放电技术对喷砂酸蚀工艺处理后的钛表面进行了等离子体氧化处理,利用扫描电子显微镜、接触角测量仪及X射线光电子能谱仪研究了氧化膜对钛表面形貌和亲水性的影响以及其化学组成和价键状态;同时通过体外细胞培养研究了钛表面等离子体氧化膜对细胞粘附增殖的影响。结果表明:等离子体氧化处理保留了钛表面喷砂酸蚀形成的微观孔洞结构,获得了平均接触角低于10°的超亲水性表面;钛表面出现Ti 4+、Ti 3+和Ti 2+离子,其中主要以Ti 4+存在;相比未氧化的钛表面,氧化后的钛表面对成骨细胞的粘附增殖有更显著的促进作用,这表明钛表面等离子体氧化膜具有很好的润湿性,利于细胞的粘附增殖。     

SLA表面PDA/CPP复合涂层的制备及其性能研究

在大颗粒喷砂酸蚀(SLA)工艺形成的三维多级嵌套孔洞结构纯钛表面, 利用聚多巴胺(PDA)的超强粘附性和二次修饰功能, 接枝生物大分子酪蛋白磷酸肽(CPP), 制备PDA/CPP复合涂层。采用FESEM、EDS、XPS、水接触角分析仪、体外仿生矿化测试以及人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)实验对样品表面进行表征分析和性能测试。结果表明, 两步浸泡法成功在SLA表面制得PDA/CPP复合涂层。该涂层在保留SLA多孔形貌的同时, 使水接触角从47.7°减小到25.5°, 明显提高了SLA表面亲水性; 在模拟体液浸泡1 d后的修饰表面即沉积了致密羟基磷灰石(HA), 说明PDA/CPP显著加快了SLA表面生物矿化的速度。同时, SLA/PDA/CPP表面细胞粘附、增殖以及矿化活性都得到了明显改善。     

辉光等离子渗氮对纯钛铸件表面性能的影响

使用NH3在氮化炉中对纯钛铸件进行辉光等离子渗氮。分别应用X线衍射仪XRD、显微硬度计、扫描电镜、摩擦磨损实验及电化学实验研究等离子渗氮对纯钛铸件机械性能、摩擦学性能、耐腐蚀性的影响。铸造纯钛表面氮化处理后,颜色呈暗金黄色,表面由TiN、Ti2N相及氮在钛中的固溶体α-Ti(N)组成,显微硬度、耐磨性显著提高,在人工唾液中的耐腐蚀性亦明显提高。     

工业纯钛的低温拉伸行为研究

研究了工业纯钛TA2在-196℃到25℃时的拉伸性能及塑性变形机制。结果表明,随着温度的降低,TA2屈服强度和抗拉强度逐渐升高,断后伸长率先升高后降低,在-140℃达到最大值,断面收缩率逐渐升高,在-80℃达到79%后保持稳定。25℃、-80℃、-120℃、-196℃拉伸试样中均观察到孪晶、高密度位错、变形组织。25℃时,拉伸试样中孪晶极少。-80℃、-120℃、-196℃时孪晶数量大幅度增加,且不同温度拉伸样品中孪晶形态差异很大。25℃时,TA2拉伸过程中塑形变形为滑移主导,随着温度降低,挛生在拉伸塑性变形过程中发挥的作用逐渐增大。     

钛的镜面加工

日本TDC公司成功开发出表面粗糙度在3nm以下的纯钛超精密镜面加工技术，并开始应用于牙科镜等。该公司是对不锈钢等特殊钢、铜等有色金属、难熔金属、陶瓷、玻璃、树脂等进行镜面加工的公司。能进行表面粗糙度为Inm、平面度为0．1um的超精细镜面加工。但对纯钛进行粗糙度3nm以下的加工在日本还尚属首次。纯钛制的牙科镜是在对内部难见的牙齿照相时用来进行反光的。与目前主要使用的不锈钢牙科镜相比，纯钛牙科镜不易使人过敏，且不易模糊，即使模糊也可马上被消除。因此需求正在逐渐增加。     

碳纤维表面含钛碳化硅涂层研究

以聚钛碳硅烷为前驱体,经高温烧成后在碳纤维表面形成含钛碳化硅涂层,该涂层由TiC、SiC混晶组成,稳定性好,致密性高且密度小,能显著改善碳纤维的抗氧化性和表面润湿性。     

钛表面等离子冶金技术的研究

采用双层辉光放电产生的低温等离子体,在工业纯钛表面制备出表面钛合金,已经研究出了钛表面制备Ti-C合金和Ti-Zr合金等工艺方法.     

纯钛表面HA/BG生物复合涂层的组织结构研究

通过高温熔烧法在工业纯钛ＴＡ３表面制备出不同羟基磷灰石含量的羟基磷灰石与生物玻璃的复合涂层（简称ＨＡ／ＢＧ）,对复合涂层的微观组织结构进行了研究,结果表明,所制生物玻璃的高温处理的过程中会析出六方柱状的ＨＡ晶体,复合涂层具有粗糙表面,存在很多开放性气孔,随着ＨＡ原始含量的增加,复合涂层的致密度明显降低,而复合涂 ＨＡ相的衍射峰强度变化不大。     

纯钛Mo-N共渗改性层在H2SO4溶液中的腐蚀行为研究

采用等离子表面合金化技术对纯钛进行Mo-N共渗.利用电化学腐蚀系统对改性层及基体在0.5 mol/L的H2SO4溶液中进行电化学对比实验.实验结果表明,纯钛表面Mo-N共渗可以得到致密、均匀的表面改性层,改性层由沉积层和扩散层组成,厚度为4μm;改性层表面由钼氮化合物Mo16-N7组成;Mo-N改性层提高了纯钛在0.5 mol/L的H2SO4溶液中的耐蚀性,并对改性层在稀硫酸介质中腐蚀机理进行了初步探讨.     

刻蚀处理对钛表面形貌的影响

发展电化学刻蚀和化学刻蚀技术,对钛表面进行处理,并应用扫描电镜、X射线衍射方法对其表面进行表征,探讨电化学刻蚀钛表面形成微观结构的机理.结果表明,经刻蚀后钛表面形成了纳米级微观结构,提高了表面粗糙度,可增强生物材料涂层与钛基底的结合强度.