鉭涂層多孔鈦合金支架的制備與表征分析

畢萬君 鄒瀟(肇慶市多羅山藍(lán)寶石稀有金屬有限公司 廣東 肇慶 526200)

多孔鉭是一種新進(jìn)流行的比較理想的骨科植入物質(zhì)，為了得到這種物質(zhì)，首先需要將對(duì)聚亞胺脂進(jìn)行熱分解，得到其包含的碳骨架，這種碳骨架是一種內(nèi)部具有小梁結(jié)構(gòu)的多孔網(wǎng)架，進(jìn)而利用化學(xué)氣相沉積的辦法將鉭金屬沉積到這種骨架之上，形成多孔鉭，這種新型的金屬具有與內(nèi)在的骨架空隙相一致的結(jié)構(gòu)，并且具有較高的孔隙率以及較好的抗壓性，更接近人體的松質(zhì)骨。

一、制備實(shí)驗(yàn)

為了制造出這種支架，需要使用到EBM設(shè)備以及純度高達(dá)99.95%的TaCL5粉體，以及足量的高純氫氣以及氬氣。

使用EBM技術(shù)設(shè)計(jì)與制備鈦合金支架的過程為：

1.首先使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)的結(jié)果轉(zhuǎn)化為STL格式的文件進(jìn)行存儲(chǔ)，并將處理之后的文件傳輸?shù)紼BM設(shè)備系統(tǒng)，方便系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行金屬的成形制造，最后將成形的試件取出，清楚干凈縫隙中的粉體，并使用超聲波技術(shù)對(duì)其進(jìn)行烘干，便可以開始下一步的化學(xué)氣相沉積工作了。

2.化學(xué)氣相沉積是對(duì)金屬表面進(jìn)行涂層的重要技術(shù)，這種技術(shù)通過對(duì)原料氣體的CVD處理使得其在目標(biāo)的金屬表面形成非揮發(fā)性的物質(zhì)，進(jìn)而沉積，在金屬表面形成一層薄膜。

對(duì)鈦金屬的支架進(jìn)行鉭涂層的基本原理為使用氫氣以及氬氣將原粉還原為金屬Ta，并在高溫條件下沉積到鈦金屬支架結(jié)構(gòu)縫隙的表面。為了保證氣相沉積的結(jié)果，還需要對(duì)沉積之后的支架進(jìn)行孔隙率的質(zhì)量比檢測(cè)，檢測(cè)開始之前需要計(jì)算出多孔植入體的質(zhì)量與體積相同的鈦合金物質(zhì)質(zhì)量的比值，進(jìn)而在100%之中將這一數(shù)值進(jìn)行剔除，便可以得出最后的數(shù)值；同時(shí)也可以使用MTS-810型力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)來檢測(cè)支架的抗壓強(qiáng)度以及彈性模量；使用X射線來檢測(cè)鉭金屬的沉積情況；以及使用劃痕法檢測(cè)鉭金屬與鈦合金集體金屬基體的結(jié)合程度，為此需要用到UMT-2M型的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)每個(gè)制作出來的樣品進(jìn)行三粗刮劃，分別檢驗(yàn)之后，對(duì)最終的檢查結(jié)果去平均值便是最后的參考數(shù)值。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與表征分析

1.鉭涂覆處理之后的鈦金屬支架的形貌以及結(jié)構(gòu)特征

首先是對(duì)支架結(jié)構(gòu)表面的色澤分析，根據(jù)涂層實(shí)驗(yàn)前后的色澤對(duì)比結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過鉭金屬涂覆的支架色澤比較灰暗，金屬色澤明顯；此外，根據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)制作出來的支架結(jié)構(gòu)成像對(duì)比，證明了涂覆技術(shù)的出現(xiàn)不會(huì)改變鈦金屬支架的結(jié)構(gòu)，仍然能夠保持原來結(jié)構(gòu)的孔隙特征，利于細(xì)胞與組織的長(zhǎng)入以及再血管化。

超景深的三維成像技術(shù)表明鉭涂覆技術(shù)出來前后的金屬支架在表明形貌方面基本沒有變化，仍然具有原來的正面光滑、反面粗糙以及側(cè)面比較粗糙的表明特征，這些特征來源于快速成型技術(shù)，并且沒有在鉭涂覆技術(shù)處理之后發(fā)生變化，這是因?yàn)榭焖俪尚图夹g(shù)使用的是分層累積的成形技術(shù)，不僅會(huì)造成上述表面特征，還會(huì)增加支架組成細(xì)胞的黏附度、組織的嵌合度以及骨組織之間的連接緊密程度，進(jìn)而使得鈦金屬的支架具有較優(yōu)越的穩(wěn)定性。

2.鉭涂覆處理之后的鈦金屬支架的涂層表征

由于鈦金屬支架具有反光性，所以部分的細(xì)微結(jié)構(gòu)沒能夠清晰的顯示出來，不利于對(duì)支架進(jìn)行細(xì)微深入的研究，但是鉭涂覆的支架則具有較弱的反光性，內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)以及成孔狀態(tài)能夠清晰的觀測(cè)到，方便了對(duì)于支架涂覆技術(shù)的研究與總結(jié)。

比如，細(xì)微結(jié)構(gòu)的顯示能夠讓我們清晰的看到，雖然涂覆技術(shù)已經(jīng)基本覆蓋了鈦金屬結(jié)構(gòu)的縫隙，但是在局部仍會(huì)出現(xiàn)輕微的鉭涂層破裂的現(xiàn)象，也正是因?yàn)檫@些斷裂處的存在使得我們可以估計(jì)出鉭涂層的厚度大約在3微米左右，不足以改變鉭金屬支架對(duì)原有結(jié)構(gòu)，也就不會(huì)影響支架的力學(xué)功能的發(fā)揮。

但是涂層的破裂可能會(huì)使得支架在植入人體之后影響其生物學(xué)的性能的發(fā)揮，為了避免支架在植入之后發(fā)生涂層脫落的現(xiàn)象、減少對(duì)人體造成傷害的隱患，需要對(duì)涂層之后的鈦金屬支架進(jìn)行優(yōu)化處理。因?yàn)橥ㄟ^對(duì)支架進(jìn)行X射線衍射的結(jié)果證明支架的表面因?yàn)榻?jīng)過了CVD技術(shù)的處理沉積了一定量的鉭金屬，一旦發(fā)生脫離，將會(huì)對(duì)宿主造成不良的影響與作用，。

3.鉭涂覆處理之后的鈦金屬支架的力學(xué)性質(zhì)

在室溫下對(duì)鉭涂覆技術(shù)處理過的支架進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)測(cè)得的數(shù)值去平均數(shù)看，得出其平均的抗壓強(qiáng)度為83.8Mpa左右，正負(fù)的誤差不會(huì)超過4.2Mpa，屈服強(qiáng)度為74.6Mpa，正負(fù)誤差范圍為3.5Mpa，可見處理之后的鈦金屬支架具有較好的抗壓強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度，而且具有比較接近人體的皮質(zhì)骨的彈性模量，從而實(shí)現(xiàn)了降低應(yīng)力屏蔽帶來的不利影響的效果。

4.鉭涂覆處理之后的鈦金屬支架的結(jié)合力

通過對(duì)鉭涂覆技術(shù)處理之后的支架進(jìn)行不同程度與力度的刮劃實(shí)驗(yàn)，可以得出鉭金屬涂層的剝離臨界值為85克，根據(jù)這個(gè)數(shù)值可以計(jì)算出二者之間的結(jié)合強(qiáng)度為45.3Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于企業(yè)涂層技術(shù)方法下的二者結(jié)合強(qiáng)度，體現(xiàn)出了CVD涂層處理的優(yōu)越性。

三、結(jié)語

采用EBM技術(shù)能夠制造出具有鉆石分子結(jié)構(gòu)特征的支架，并且能夠保證其性能，適合人體植入的醫(yī)學(xué)應(yīng)用；使用CVD技術(shù)能夠成功的將鉭金屬沉積到鈦金屬支架的表面，并且能夠保證二者之間具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，不僅不會(huì)改變支架的原有結(jié)構(gòu)與孔隙率，還能夠保證支架具有更接近人體皮質(zhì)骨的彈性模型，更適合植入，進(jìn)而擴(kuò)展了鈦金屬支架的應(yīng)用范圍。

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