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1、生物医学工程学杂志2005;22(4)∶742～744JBiomedEng生物医用钛合金表面离子束辅助沉积氧化钛膜层1212司红羚 田林海 李晓红 付 涛1(西安交通大学口腔医学院,西安 710004)2(西安交通大学材料科学与工程学院,西安 710049) 摘要 为改善钛合金(Ti6Al4V)的生物相容性,采用离子束辅助沉积(Ionbeamenhanceddeposition,IBED)技术制备了氧化钛膜层。结果表明:钛合金上的膜层涂覆均匀,基体的铝和钒元素已经探测不到,膜层为含氮和沿(111
2、)面取向的TiO相;膜层划痕实验的临界载荷为16.8N,膜层以塑性变形的方式破坏。关键词 钛合金 离子束辅助沉积 氧化钛TitaniumOxideLayeronBiomedicalTitaniumAlloyDepositedbyIonBeamEnhancedDeposition1212SiHonglingTianLinhaiLiXiaohongFuTao1(SchoolofStomatopathy,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710004,China)2(School
3、ofMaterialsScienceandEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049,China)AbstractIonbeamenhanceddeposition(IBED)hasbeenappliedtopreparetitaniumoxidelayerontitaniumalloy(Ti6Al4V)inordertoimproveitsbiocompatibility.Thelayerontitaniumalloyiseven,andthe
4、elementsAlandVinsubstratearenotdetected.ThelayeriscomposedofTiOcontainingnitrogenorientedalong(111)plane.Thecriticalloadofthelayerinscratchtestis16.8N.Morphologicalobservationrevealsthelayerendsinafailurecausedbyplasticdeformation.KeywordsTitaniumallo
5、yIonbeamenhanceddeposition(IBED)Titaniumoxide[4,5]相容性。本文尝试用一种可使涂层与金属基体产1 前 言生牢固结合的离子束涂层技术——离子束辅助沉积[6,7]纯钛具有优良的生物相容性,但是其机械性能技术,在钛合金Ti6Al4V表面制备了氧化钛膜不高(如TA1棒材的抗拉强度为343～层,研究了膜层的成分、结构和结合性能。[1]490MPa),这限制了它在很多医学场合下的应用。2 实 验钛合金(Ti6Al4V)具有良好的力学性能(其棒材的[1]抗拉强度为
6、902MPa),适合于制造人工关节、人试样为525×4.5mm的Ti6Al4V圆片,表面工牙根等植入体,但Ti6Al4V合金含有对人体有害经过600和900号碳化硅砂纸磨光、抛光和丙酮清[2]的铝和钒元素。这些元素在体内的持续释放将对洗。薄膜沉积在MIB2850型离子束辅助沉积设备上人体造成毒害,也影响了合金植入体的寿命。进行,镀膜前试样表面经过氩离子轻微溅射清洗,钛如果在Ti6Al4V合金表面涂覆一层钛涂层,铝膜沉积过程中使用氩离子辅助轰击。钛离子从纯钛和钒就被阻止溶解出来,而改善了钛合金的生物
7、相靶(纯度99.99%)上通过磁控溅射到达试样表面,容性,这种膜基体系将结合Ti6Al4V和纯钛的优轰击氩离子束与试样表面成45°角,沉积时间为4点。由于钛的化学性质很活跃,难于采用溶液电镀钛h。所用氩气纯度99.9995%,真空室的本底真空度-3的方法。采用高温真空蒸镀钛的方法,不仅温度受到2.0×10Pa,工作气压0.1Pa。试样台用循环水冷限制(防止高温破坏钛合金的机械性能),还会发生却,以保持试样温度在150℃以下。为了方便分析沉[3]钒在基体表面的富集。采用等离子喷涂方法可在积膜层的成分
8、和结构,同时采用(100)取向的单晶硅317L不锈钢上制备钛涂层,动物实验表明钛涂层改片作为基体。善了牙种植体和接骨板螺钉与骨的界面及组织生物用扫描电镜(SEM)观察膜层表面形貌,电子能第4期 司红羚等。 生物医用钛合金表面离子束辅助沉积氧化钛膜层743谱仪(EDX)分析试样表面元素组成,X射线衍射仪分清氧和钒的有无。但计算机分析表明未涂层试样(XRD,CuKA)分析试样的晶体结构,X射线光电子含钒元素,涂层试样不含钒元素;两个试样都含有氧谱仪(XPS,
