摘要 采用等离子喷涂、爆炸喷涂及离子束增强沉积3种工艺制备HA生物活性陶瓷涂层,并对3种涂层进行SEM显微结构形貌观察。
关键词 生物活性陶瓷涂层 等离子喷涂 爆炸喷涂 离子束增强沉积
生物活性陶瓷涂层材料(以羟基磷灰石为主要成分)具有良好的生物相容性和生物活性。植入人体后可在短时期内与人体硬组织形成骨性结合。用其制备人工关节,可防止植入体松动下沉,提高人工关节置换手术的远期疗效[1]。生物活性陶瓷涂层的制备方法很多,如气相沉积、等离子喷涂、搪烧、激光熔覆、溶胶-凝胶等。各种方法都有自己的特点,但也存在一定局限性。本研究采用等离子喷涂(Plasma-Spraying,PS)、爆炸喷涂(DetonationGunSpraying,DGS)及离子束增强沉积(IonBeamEnhancedDeposition,IBED)三种工艺进行生物活性陶瓷涂层制备方法的比较研究。
等离子喷涂是目前国内外研究较多的一种生物活性陶瓷涂层的制备工艺。与其它方法相比,该工艺可以获得较为适宜的涂层厚度及较好的涂层结合强度[2],但涂层结构的致密程度较低。植入人体后,生物液体容易沿连通孔隙渗透到基体界面,从而造成界面腐蚀,引起涂层剥落[3]。爆炸喷涂是继火焰喷涂、等离子喷涂之后出现的一种独具特色的金属表面覆层技术。其工作原理是利用爆炸气体产生的超音速冲击波能量进行喷涂。气体爆炸后,可产生3400℃左右的高温,气流速度可高达3000M/S,在此气流中,喷涂粉料受热软化,颗粒速度可达700～800M/S,甚至可高达1200M/S。爆炸喷涂的温度较等离子喷涂要低得多,它的主要特点是可将喷涂粉料以极高的速度射向基体,从而形成几乎无孔隙的涂层,尤其是对低熔点喷涂粉料,涂层的结合强度较其他喷涂工艺要高得多[4]。离子束增强沉积是一种将离子注入和气相沉积融为一体的材料表面改性技术[5]。即在气相沉积的同时,用带有一定能量的离子轰击被沉积的膜层,导致沉积薄膜和基体间的原子互相渗透,从而大大提高了薄膜和基体间的结合强度。同时也正因为离子束的轰击作用,可获得普通PVD和CVD方法难以获得的致密的优质薄膜材料。
1 材料与方法
1.1 生物活性涂层材料的制备
涂层主要成分为羟基磷灰石(Hydroxyap-atite,HA)纳米粉晶,基体采用Ti-6Al-4V合金。采用国产GP-80型等离子喷涂设备进行生物活性涂层的等离子喷涂。采用俄罗斯产第聂泊-3型爆炸喷涂设备进行生物活性涂层的爆炸喷涂。采用俄罗斯产TTTA型离子束表面沉积设备进行生物活性涂层的离子束增强沉积。
1.2 HA生物活性涂层的显微结构观察
采用HITACHS-550型扫描电镜对涂层表面进行显微结构形貌观察。
2 结果与讨论
对3种工艺制备的生物活性陶瓷涂层进行显微结构观察,发现其结构特征具有明显的差别。等离子喷涂HA涂层表面的非晶态化现象比较明显,图1（略）中可以看到非晶相互连接,构成连续相,晶态HA呈白色球状或柱状,被非晶态的连续相包裹。这是由于等离子焰温度较高,晶态的粉料受热后产生熔融反应,这一反应尤其会在颗粒表面发生。等离子喷涂HA涂层表面的另一个特征是涂层结构疏松,涂层表面分布着数量不等的微小气孔,具有较高的孔隙率,这种多孔表面结构有利于植入人体的涂层材料与人体组织产生生物结合,缩短植入材料在人体内初始固位的时间,但同时也易使生物液体沿涂层中的连通孔隙渗透到基体界面,造成界面腐蚀,引起涂层剥落。
图2（略）是爆炸喷涂HA涂层表面的SEM形貌观察,可看到被高速气流喷射到涂层表面的HA颗粒呈明显的扁平状形态,颗粒紧密地重叠堆积,堆积密度很高,孔隙率很小,涂层结构致密,这是爆炸喷涂过程中高速气流作用的结果。这种致密结构可有效阻止生物液体向金属基体渗透,从而提高涂层的结合性能和生物稳定性。
采用IBED工艺制备的生物活性陶瓷薄层的显微形貌与PS及DGS法制备的涂层有较大的差别(图3)（略）,一是薄层的结晶化程度较高,二是薄层的结构致密、基本上未见气孔。涂层与基体的结合状态及涂层相组成等有待于进一步的实验与研究。
3 结 论
3种工艺制备的HA生物活性陶瓷涂层的显微结构特征具有较大的差别:等离子喷涂的HA涂层结构相对疏松,涂层的非晶化程度较高;爆炸喷涂涂层结构致密度较高,涂层表面的SEM图可看到喷涂粉料在高速气流作用下呈扁平状做紧密重叠堆积;离子束增强沉积的HA薄层具有很高的结构致密度,且薄层的晶化程度较高。
参考文献（略）
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