工程材料大作業(yè)-醫(yī)用鎳鈦記憶合金表面復(fù)合涂層處理

《工程材料及其分析技術(shù)》期末大作業(yè)姓名：xxxxxx學(xué)號(hào)：xxxxxxxxxxxxx聯(lián)系電話：xxxxxxxxxxxxxxEmai：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx本人導(dǎo)師：xxx授課老師：xxxxxxxxxxxx完成時(shí)間：xxxxxxxx醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金的表面改性鎳鈦形狀記憶合金有著獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和優(yōu)異的力學(xué)性能，其強(qiáng)度和硬度高于鈷[1]物，在體液腐蝕作用下，鎳鈦記憶合金釋放的鎳離子對(duì)生物體有潛在的生物毒性作用[2-3]，限制了其在醫(yī)學(xué)上的廣泛應(yīng)用。因此對(duì)鎳鈦記憶合金進(jìn)行表面處理，以提高其抗腐蝕性和HA[4]HA材料脆HAP[5-6]。1、鎳鈦形狀記憶合金介紹形狀記憶效應(yīng)原始形狀 (b)拉直 (c)加熱后恢復(fù)原圖1鎳鈦合金形狀記憶效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)形狀記憶效應(yīng)是指，在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來(lái)，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時(shí)，通過(guò)馬氏體逆相變恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀的現(xiàn)象。圖1中實(shí)驗(yàn)鮮明的展示了鎳鈦合金的形狀記憶效應(yīng)。圖2鎳鈦合金相變特性圖[7]超彈性性質(zhì)所謂的超彈性是指試樣在外力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于其彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，在卸載時(shí)3AB段BBC馬氏體的轉(zhuǎn)變，也產(chǎn)生了一些塑性形變，這種形變的產(chǎn)生是為了適應(yīng)局部生成的馬氏體。BCCCDDEDE段拉力基本保持恒定，EF段為拉力卸載時(shí)奧氏體的彈性變形。在F點(diǎn)，產(chǎn)生了很小的殘余塑性形變，這是奧氏體的塑性形變所致。它是在BC段發(fā)生的。它的大小主要受最大應(yīng)變和變形溫度的影響。在BM段，達(dá)到應(yīng)力飽和，這個(gè)性質(zhì)常被用來(lái)設(shè)計(jì)常力機(jī)構(gòu)、柔順機(jī)構(gòu)及具有被動(dòng)保護(hù)性質(zhì)的機(jī)構(gòu)等。圖3鎳鈦合金超彈性特性曲線[7]2、問(wèn)題提出鎳離子析出問(wèn)題NiTiSMA中高含量鎳（[8]鎳離子還可能降低成骨細(xì)胞的黏附和增值能力。因此有必要對(duì)鎳鈦合金進(jìn)行表面改性處理以抑制鎳離子的析出。鎳鈦合金的生物活性相對(duì)較差良好的生物相容性是對(duì)植入體材料的基本要求。生物相容性良好的材料在生物體內(nèi)不會(huì)引起過(guò)敏反應(yīng)，不會(huì)釋放任何離子到生物體的血液中去；在生物體長(zhǎng)久存在而不會(huì)發(fā)生鎳鈦合金的生物相容性較好，體內(nèi)軟組織生物相容性實(shí)驗(yàn)表明，鎳鈦合金對(duì)血管、肌肉、神經(jīng)及骨[9]等都有很好的相容性。是生物材料在軟硬組織中起連接作用的關(guān)鍵65%～75%HANi-TiSMA對(duì)外周血白細(xì)胞（特別是多形性核白細(xì)胞）和血小板的黏附能力顯著增強(qiáng)，HA鈦合金涂層從而進(jìn)一步提高植入體的生物活性。輕稀土材料力學(xué)性質(zhì)及生物相容性在植入體中加入適量的稀土元素對(duì)動(dòng)物機(jī)體功能有調(diào)節(jié)作用，對(duì)人體有抑制腫瘤的作用。另外能夠增強(qiáng)材料強(qiáng)度及耐磨性。稀土元素為人體非必需微量元素。鑭離子與鈣離子相近似,索一條通過(guò)在羥基磷灰石中加入稀土元素從而增強(qiáng)其強(qiáng)度的機(jī)理。3、擬采取的方案堿熱處理法抑制鎳離子析出應(yīng)用于口腔種植體時(shí)更利于頜骨內(nèi)鈣、磷等Ni-TiSMAHANi-TiSMA其膜僅有幾納米至十幾納米[10]對(duì)運(yùn)動(dòng)，易從材料表面脫離導(dǎo)致種植體失敗。Ni-TiSMA置于常溫或低熱的堿溶液中浸泡而后熱處理的復(fù)合處理法。其主要原理是利用Ni-TiSMA鈉凝膠，經(jīng)過(guò)熱處理凝膠轉(zhuǎn)變成較穩(wěn)定的無(wú)定形鈦酸鈉。Chrzanowski等[11]將此方法與單純熱處理和陽(yáng)極火花氧化法比較后發(fā)現(xiàn)，堿處理時(shí)需嚴(yán)格控制氧化速度才能有效地減少鎳與鈦的比例，而且，單獨(dú)采用獲得的氧化膜層較薄，并不適用于口腔植入材料的表面處理，但與熱處理聯(lián)合應(yīng)用時(shí)其效果則明顯改善。生物相容性。輕稀土元素化合物與羥基磷灰石混合涂層處理65%～75%HASMA（特別是多形性核白細(xì)胞[13-15]預(yù)噴涂羥基磷灰石涂層，能顯著增強(qiáng)種植體的生物活性[12]。向羥基磷灰石中添加輕稀土元素化合物，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試混合后的力學(xué)性能，選擇最佳混合比例，作為復(fù)合涂層材料。復(fù)合涂層性能測(cè)試首先對(duì)羥基磷灰石與稀土元素化合物形成的物質(zhì)進(jìn)行耐磨性、強(qiáng)度等的測(cè)試。通過(guò)優(yōu)化處理，選定最優(yōu)配比方案。對(duì)涂層后的鎳鈦合金進(jìn)行各方面的測(cè)試，包括鎳離子析出、耐磨性、強(qiáng)度、涂層與集體結(jié)合強(qiáng)度等。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)將涂層處理后的鎳鈦合金種植體植入動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)觀察及測(cè)試動(dòng)物各方面的指標(biāo)，衡量處理后的種植體的優(yōu)良。4、可行性分析堿熱處理方法作為一種表面改性處理方法已很成熟，因此用它進(jìn)行鎳鈦合金的表面TiO2

膜生成的方法具有很好的可行性。8.9×10-6K-1，HA15×10-6K-1，由于二者差別較大，在高溫?zé)Y(jié)制備涂層的過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力主要集中在涂層與基體的界面，容易造成涂層脫22

8.7×10-6K-1

的加入有利于緩和HA涂2層和基體的熱膨脹系數(shù)不匹配，增加結(jié)合強(qiáng)度。2和HA TiO和2

之間的結(jié)合主要是由于二者之間的化學(xué)反應(yīng)，DSC分析表明二者之間的化3學(xué)反應(yīng)在1410℃以下，主要生成CaTiO。為化學(xué)結(jié)合，因此結(jié)合強(qiáng)度高，不易脫落。HA3中的羥基與稀土離子結(jié)合形成化學(xué)吸附，同樣保證了結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)涂層的質(zhì)量。參考文獻(xiàn)ThierryB,TabfizianM,SavadogoG,etal．EffectsofsterilizationprocessesonNiTialloy:surfacecharacterization.JBiomedMaterRes,2000,49(1):88-98.DenkhausaK,SalnikowK.Nickelessentialitytoxicity,andcarcinogenicity.CritRevOncolHematol,42(1):35-56．KasprzakaKS,SundermanFWJr,SalnikowK.Nickelcarcinogenesis.MutatRes,2003,533(1-2):67-97．TamaiN,MyouiA,TomitaT,etal.Novelhydroxyapatiteceramicswithaninterconnectiveporousstructureexhibitsuperiorosteoconductioninvivo.JBiomedMaterRes,2002,59(1):110-117.ItoM,HidakaNakajimaM,etal.Effectofhydroxyapatitecontentonphysicalpropertiesandconnectivetissuereactionstoachitosanhydroxyapatitecompositemembrane.JBiomedMaterRes,1999,45(3):204-208.DuC,CuiFZ,ZhangW,etal.Formationofcalciumphosphate/collagencompositesthroughmineralizationofcollagenmatrix.JBiomedMaterRes,2000,50(4):518-527.SiaNemat-Nasser,Wei-GuoGuo.SuperelasticandcyclicresponseofNiTiSMAatvariousstrainratestemperatures.MechanicsofMaterials38(2006)463474DenkhausE,SalnikowK.Nickelessentiality,toxicity,andcarcinogenicity[J].CritRevOncolHematol,42：35-56.李強(qiáng),辛林偉,夏亞一等.鎳鈦形狀記憶合金表面改性后與成骨細(xì)胞的生物相容性[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù),2009,13(25).RondelliG,TorricelliP,FiniM,etal.InvitrocorrosionstudybyEISofanequiatomicNiTialloyandimplantqualityAISI316stainlesssteel[J].JBiomedMaterResBApplBiomater,2006,7（2：320-324.ChrzanowskiW,NeelEA,ArmitageDA,etal.Nanomechanicalevaluationofnickel-titaniumsurfacepropertiesafteralkaliandelectrochemicaltreatments[J].JRSocInterface,2008,5（26：1009-1022.張海軍,王栓科,趙斌.HAP涂層鎳鈦記憶合金的組織相容性.Chinese JournalofReparativeReconstructiveApril2009,23,No.4ChrzanowskiW,AbouNeel EA,ArmitageDA,etal.SurfacepreparationofbioactiveNi -Tialloyalkali,thermaltreatmentsandsparkoxidation[J].JMaterSciMaterMed,2008,19：1553-1557.XieJ,LuanBL.Formationofhydroxyapatitecoatingusingnovelchemo -biomimeticmethod[J].JSciMater