稀土活性梯度生物陶瓷涂层的组织结构

摘 要文章采用宽带激光熔覆技术在T钛合金上制备了含羟基磷灰石活性相的生物陶瓷复合涂层.利用晶相显微镜、显微硬度计分析手段对复合涂层的组织、硬度进行了研究,采用MG63人成骨细胞与材料共培养的方法,对梯度活性陶瓷涂层进行了细胞形态实验.结果表明,稀土梯度生物活性陶瓷涂层界面结合良好,显微硬度较大,且涂层表面细胞生长旺盛、形态正常,细胞相容性更好.

关 键 词宽带激光熔覆；梯度涂层；稀土氧化物Nd2O3；显微硬度；细胞相容性

中图分类号：TG174文献标识码：A文章编号：1671-7597（2014）15-0036-02

骨替换生物医用材料要求具有特殊的生理行为,即必须满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优异的负荷传递和长期力学稳定的功能,而生物相容性则要求生物材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、化学、物理反应.

生物活性陶瓷骨替换材料是指能与活体软体组织、骨组织形成化学键合的陶瓷材料.对于硬组织替换材料而言,这种键合主要是由HA在界面处的沉积而实现.目前,典型的活性陶瓷材料主要包括两类：一是生物活性玻璃；二是磷酸钙基生物陶瓷.

本文主要采用激光熔覆技术,涂层各层逐渐过渡的思想在在钛合金上制备了含HA活性相的生物陶瓷复合涂层,并重点对活性涂层的组织结构、生物相容性进行了研究.

1试验方法

激光熔覆实验采用5kW横流CO2激光器以及TJ-LAMP五坐标数控加工机床.羟基磷灰石Ca：P等于1.67,即要求合成羟基磷灰石的CaCO3和CaHPO42H2O的组成应为28%CaCO3和72%CaHPO42H2O.通过多次实验优化的工艺参数为扫描速度V等于160mm/min,输出功率P等于2.3kW,光斑尺寸D等于12mm×1mm.

表1生物陶瓷梯度涂层成分设计

层次第一梯度层第二梯度层第三梯度层

M3070100

T70300

利用OLYMPUSPMG-3型OM金相显微镜观察涂层的显微组织特征,用FM7600半自动显微硬度计测试涂层的显微硬度,以及通过荧光染色法考察了涂层的生物相容性.

2试验结果及分析

2.1稀土梯度活性复合涂层的显微组织

图1涂层中未加入稀土氧化物Nd2O3显微组织

由图1可见,梯度复合涂层主要由基材、合金化层组成,几乎看不到陶瓷涂层的出现；且从图中还可看出层与层之间杂质多、结合性较差,界面末形成致密的合金体.由图2可知,涂层中加入稀土氧化物的显微组织主要有基材、合金化层和生物陶瓷层三层,层间界面结合良好,几乎无夹渣、裂纹缺陷,这种结果表明基材与梯度活性涂层间实现了良好的化学键结合,且在基材与生物医用陶瓷层间存在一层致密的合金化层,当涂层植入人体后可以阻止基材中的金属离子渗入人体.

图2涂层中加入稀土氧化物Nd2O3显微组织

2.2细胞增殖分析

由图3可见,MG63细胞在材料表面均呈现出梭形状,处于正常生活状态,说明材料对细胞均没有表现出毒性.由图还可知,加入稀土氧化物Nd2O3陶瓷活性涂层材料图片中,染色后呈正常梭形状的细胞数目均比T和复合涂层中未添加稀土氧化物Nd2O3梯度陶瓷涂层明显偏多,由此可知,稀土活性梯度生物陶瓷涂层材料具有良好的生物相容性和活性.

（a）T（b）未添加Nd2O3（c）添加Nd2O3

图3生物陶瓷涂层与成骨细胞共培养4天的细胞增殖结果200×

2.3稀土梯度生物活性陶瓷涂层的显微硬度

由图4可知,加入稀土氧化物Nd2O3的生物梯度活性陶瓷涂层显微硬度曲线由陶瓷层、合金化层和基材三个区域构成,且从合金化层至基材的显微硬度分布曲线呈逐步下降的趋势,从而保证了生物陶瓷涂层与基材之间良好的冶金结合.由图4还可知,未加入稀土氧化物Nd2O3陶瓷涂层显微硬度明显低于加入0.6Wt%Nd2O3稀土氧化物时生物梯度陶瓷涂层的显微硬度.

图4生物活性陶瓷梯度复合涂层显微硬度曲线图

3结论

1）Nd2O3稀土氧化物的生物活性陶瓷梯度涂层各层之间界面结合良好,且均为良好的化学冶金结合.

2）加入稀土氧化物Nd2O3的生物活性梯度陶瓷表面的细胞形态正常、生长旺盛,细胞相容性良好,复合涂层对人成骨细胞无毒副作用.

3）Nd2O3稀土氧化物的生物活性梯度陶瓷的显微硬度更高.