等离子喷涂生物压电陶瓷复合涂层的制备与性能研究

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1、硕士研究生学位论文新疆大学论文题目(中文)：等离子喷涂生物压电陶瓷复合涂层的制备与性能研究论文题目(外文)：Studyonthesynthesisandpropertiesofbiologicalpiezoelectricceramiccompositecoatingbyplasmaspraying研究生姓名：宋子豪学科、专业：材料科学与工程研究方向：材料加工工程导师姓名职称：孙耀宁副教授论文答辩日期2015年5月29日学位授予日期2015年月日新疆大学硕士学位论文摘要随着现代医学的发展，组织替代和重建已经成为人们关注的热点，其关键性技术就是仿生材料的研发。Ti合金，羟基磷灰石(HA)，聚

2、乳酸(PLA)等是常用的生物材料。本文采取等离子喷涂工艺在Ti合金基体上喷涂制备生物压电陶瓷复合涂层，将羟基磷灰石(HA)与钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷复合制备生物活性材料，使其兼具生物活性与力电性能。Ti基体上等离子喷涂HA涂层已经被广泛研究，研究表明制备的涂层具有一定的生物性能和力学性能，但生物诱导活性并不高，在人体中也极容易剥落。为了进一步提高涂层的性能，作者在前人的基础上加入钛酸钡压电陶瓷，希望涂层具有一定的压电性能，利用骨生长的力电效应原理，来改善生物涂层的诱导活性，通过控制等离子喷涂工艺参数来提高涂层与基体的结合性能。为了确定试验最佳的工艺参数，采用正交试验设计合理的喷涂HA

3、的工艺参数，选取喷涂距离、喷涂电压、喷涂电流为变量因素，喷涂电压在60-70V，喷涂电流500-700A，喷涂距离80-120mm，以附着强度为考察因素，最终确定合适的工艺参数为喷涂距离80mm，喷涂电压65V，喷涂电流600A，此时羟基磷灰石与Ti合金的附着强度达到最大值为25N。80-120mm内，随着喷涂距离的增大，涂层的附着强度减小，60-70V内，随着喷涂电压的增大，涂层的附着强度先增大后减小，500-700A内，随着喷涂电流的增大，涂层的附着强度先增大后减小。为了进一步提高陶瓷涂层与金属基体界面的润湿性，在羟基磷灰石中加入纯钛粉，采取以上得到的最佳工艺参数喷涂制备Ti/HA涂层

4、，最后再加入钛酸钡陶瓷粉末，采取同样的工艺参数制备Ti/HA/BaTiO3涂层。通过SEM/EDS对涂层进行形貌分析和成分分析，用划痕仪测试涂层与基体的附着强度，用ImageJ图像处理软件测试涂层孔隙率，通过对纯Ti、Ti/HA涂层、Ti/HA/BaTiO3涂层进行细胞培养试验，在37℃，0.25%CO2浓度下分别培养1d，4d，7d后，用CCK-8法测试细胞增值率，评价细胞毒性，然后用扫描电镜观察细胞的黏附状态。涂层SEM形貌结果表明：在喷涂距离80mm，喷涂电压I新疆大学硕士学位论文65V，喷涂电流600A的喷涂工艺下，制备的三种涂层具有层叠状的组织结构，涂层熔化良好，有明显的熔滴铺展

5、形貌。孔隙率测试结果表明：涂层具有一定的微孔结构，孔隙率大约在2.6%-8.6%之间。通过划痕试验测试附着强度表明：最优工艺参数下制备的三种涂层具有较高的附着强度，HA涂层为25N，Ti/HA涂层为35N，Ti/HA/BaTiO3涂层为27N，涂层与基体在界面处发生剥落失效。细胞毒性测试结果表明：纯Ti、Ti/HA涂层的细胞等级为1级，Ti/HA/BaTiO3的细胞毒性等级趋于0级，能够作为生物材料使用。通过对细胞的SEM形貌观察，细胞在涂层上面附着良好，有较多的细胞伪足伸出。通过细胞增值率的比较，Ti/HA/BaTiO3涂层的细胞增值率比其他两种涂层的要高，这也说明了钛酸钡的加入对涂层的

6、生物活性有了一定提高。以上结果表明，通过等离子喷涂工艺能够制备具有一定附着强度的Ti/HA/BaTiO3复合涂层，利用压电陶瓷的力电效应，能够改善HA的生物诱导活性，为进一步开发高性能的生物活性材料提供了参考依据。关键词：等离子喷涂，生物材料，压电陶瓷，细胞相容性，附着强度II新疆大学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofmodernmedicine,tissuereplacementandreconstructionhasbecomethefocusofattention,itskeytechnologyisthedevelopmentofbiomimeti

7、cmaterials.Tialloy,hydroxyapatite(HA)andpolylactide(PLA),etcareusualbiomaterials.ThispaperdevelopedbiologicalpiezoelectricceramiccompositecoatingonTialloysubstratebyplasmaspraying.Compositecoatingwithhydroxyapati