通过仿生工艺对钴和钛合金的磷灰石形成

J. C.埃斯科韦Bocardo，M.A.洛佩斯埃雷迪亚，D. A.科尔特斯埃尔南德斯，A.麦迪那Ramírez的和J. M. Almanza Robles

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发表时间：2005年11月
Azojomo（Issn 1833-122x）第1卷2005年11月1日

主题涵盖

抽象的

关键词

介绍

亚博网站下载材料和方法

结果和讨论

化学分析

机械性能

SEM和EDX.

X射线衍射

结论

致谢

参考

联系方式

抽象的

Ti和Co合金进行仿生过程。将Ti和Co合金样品分别浸入10M和5M NaOH溶液中。将样品进行热处理，最后，浸入模拟的体液（SBF）中，以较低的离子浓度（0.85SBF）或具有更高的离子浓度（1.3SBF）的模拟体液（1.3SBF）的模拟体液21天。由于化学和热处理，在Ti合金上观察到比CO合金的化学和热处理更加改性的表面。样品在0.85SBF浸渍两者，Ti和Co合金后，观察到磷灰石层。在0.85SBF中浸入0.85SBF后，在Ti合金样品上观察到的陶瓷层比在CO合金样品上观察到的均匀性和厚。然而，两个样品上的陶瓷层沿着表面不连续。上形成浸渍在1.3SBF样品A厚磷灰石层，这是由于较高的离子浓度，主要的钙和磷。在1.3SBF中形成的磷灰石层中测量的Ca / P比更接近骨骼的比例。

关键词

磷灰石，生物活性，仿生，模拟体液

介绍

一种仿生工艺改变生物相容性材料，得到其生物活性特性[1,2,3]。在用于骨科或牙科的应用，如髋关节和颌骨的面部假体植入物的情况下，该方法允许磷灰石层的植入物[1，2，4]的表面上的沉积。这些方法用于改善钛合金，钽，氧化铝和可生物降解的聚合物复合材料如诸如钛合金，钽，氧化铝和可生物降解的聚合亚博网站下载物复合材料的生物活性[5,6]。这种方法已经显示出以下优点在与传统的方法[2]的比较：1）它是一个可以被应用到任何温度敏感的基材低温工艺，2）它形成磷灰石晶体，类似于骨的，表现出良好的生物活性和良好的再吸收特性，3），它可以甚至在多孔基材或复杂的几何形状的植入物，4），它可以包括骨生长特征来沉积。这个过程仿生，在金属材料的情况下，通常由在碱性溶液中的化学处理，然后进行热处理，并用在模拟体液（S亚博网站下载BF）的浸入结束的。这浸入SBF中可以被认为是生物相容性材料的生物活性评估的第一阶段过程[6,7]。一些研究者[7-10]研究和阐明上纯Ti及其合金，Ta和磷灰石形成机制氧化铝，发现一旦形成磷灰石晶核，结晶自发开始通过消耗来自周围溶液的钙和磷离子成长。此晶体生长是通过在衬底和流体[11]之间的界面的离子转移控制。在某些条件下钴合金（Vitallium®），通过使用在60℃下进行24小时的NaOH 10M的化学处理，接着在600℃的热处理，对样品没有significatives变化报道[6]。化学处理后，一个未知的相位的沉积物中发现并有在SBF [6]浸渍后没有形成磷灰石层的。另一方面，通过在60℃下使用NaOH 5m的化学处理24小时，然后在600℃下热处理并浸入SBF [12,13]中的样品。报道了该合金上的骨状磷灰石层的自发形成。然而，对于Co合金磷灰石形成机制还没有完全被了解。该工作介绍了SBF浓度对Ti和Co合金之间磷灰石形成的影响的对比结果。

亚博网站下载材料和方法

为了获得Co合金（ASTM F75），含大约0.018％（重量）。C，熔模铸造技术是通过两个原料，锻造合金和粉末冶金合金（卡彭特技术有限公司）中使用。亚博网站下载所用的钛合金是Ti6Al4V合金ELI在退火状态下作为供给（卡彭特技术公司）。获得的钴合金的铸棒在1224℃下热处理75分钟。根据ASTM E8标准，以3mm / min的十字头速度对该材料（Instron，型号4206）进行张力试验。对于Ti合金的机械性能和化学分析，由供应商提供。通过发射分光光度法进行铸钴合金的化学分析（Lab S，Spectro分析仪器）和直接燃烧用红外线检测为碳（LECO Model CS 244-748-000，LECO Corporation）。

为了应用仿生工艺，获得了尺寸为12.7mm的合金的样品，高度为2mm。将这些样品用碳化硅纸磨削，范围为80至1200粒。最后，将样品用去掉水和乙醇，通过压缩空气干燥并在测试前储存在干燥器中。

对于化学处理，分别将样品浸入5M和10M NaOH水溶液中，分别用于CO合金和Ti合金样品。将浸渍的样品保持在60℃的恒定温度下24小时。在该期间之后，将样品用去离子水冲洗并在37℃下干燥24小时。将几个样品进一步观察。然后，将样品在600℃下热处理1小时并在炉内冷却。在化学和热处理之后，采取了一对样品进行进一步观察。在热处理之后，将样品浸入0.85SBF或1.3SBF溶液中。的0.85SBF和1.3SBF是根据由Oyane [14]中提出的方法制备。的0.85SBF，SBF，1.3SBF的和，人血浆中的离子浓度示于表1中。

表格1。离子浓度。

将样品在37℃下浸入SBF溶液（0.85SBF或1.3SBF）中21天。在浸渍期间，每7天续期这些溶液。在浸渍时结束时，用去离子水轻轻洗涤样品。使用扫描电子显微镜（SEM;显微镜飞逝，XL 30 eSEM），能量分散X射线分析（EDX;软件创世纪，edax）和X射线衍射（XRD;衍射仪XPERT飞利浦，型号PW3040）的样品表面。

结果和讨论

CHemic分析

样品和ASTM F75和F136标准的要求的化学分析示于表2中。两种合金都在各自标准的参数范围内。

表2。化学分析结果[wt％]。

机械性能

表3显示了机械性能的结果和这要求ASTM F75和F136标准。通过投资铸造过程获得的合金满足标准。

表3。机械性能。

SEM和EDX.

在显微镜表征之前对样品进行化学和热处理后的视觉分析。化学处理后，观察到的Ti合金的表面上的颜色变化，而Co合金样品保持不变。该热处理后的Ti合金样品呈现其表面上具有均匀的层，并在表面的颜色的变化。CO合金样本仅呈现了可见的颜色变化。

图1和2显示了化学处理后Ti和Co合金样品的SEM图像及其各自的EDX光谱。

图1。化学治疗Ti合金样品。（a）SEM图像和（b）EDX谱。

图2。化学处理的CO合金样品。（a）SEM图像和（b）EDX谱。

如文献中所报道的，化学处理更明显地改变Ti合金的表面比CO合金的表面更明显[7]。SEM照片显示，在Co合金的磨痕是化学处理后更加明显，不是因为他们几乎绝迹了钛合金相同。化学处理形成碱性钛酸盐水凝胶，其在Ti合金表面上含有一些Na或K，4,9,10]。对于Co合金在一定程度上类似的行为可以预期。然而，从EDX谱，所感知通过表面改性，使Ti合金样品似乎更受这种处理和相应的光谱呈现出更定义和更高的Na峰值比在光谱的Co合金样品。

图3和4示出了SEM图像及其各自的EDX SPE用于Ti合金的CTRUM和具有化学和热处理的CO合金样品。

图3。Ti合金样品用化学和热处理。（a）SEM图像和（b）EDX谱。

图4。Co合金样品与化学和热处理。（a）SEM图像和（b）EDX谱。

在Ti合金的化学和热处理之后，报道了稳定的无定形碱钛的形成[1，4，9，10]。假设在CO合金上，由于化学处理，形成含有Na的化合物，其可以在热处理期间稳定，可以预期另一表面改性。来自SEM图像这些欣赏两个合金的修改。然而，对于Ti合金再次，两种连续处理产生的效果比CO合金更明显，其中磨削标记仍然可见，并且认为颜色的变化是由于氧化机制。EDX光谱表明，对于Ti合金，Na的存在比CO合金更明显，但由于先前的处理，两者都表现出一定的修饰。

图5和图6显示了用于Ti合金的SEM图像及其各自的EDX光谱和化学处理，热处理并浸入0.85°F中的加热处理21天的CO合金样品。

在各自的治疗和浸渍在0.85℃下形成陶瓷层后，观察到两种样品。然而，在Ti合金上形成的层似乎比在CO合金上形成的层更均匀且厚，其中磨削标记几乎消失。在EDX光谱上使用各个合金峰值，可以推断，在这两种情况下，该层非常薄。这些样品上的CA / P比例如表4所示。

表4。样品的Ca / P比浸入SBF中。

T.磷灰石的CA / P比率范围为1.2 - 1.66，用于羟基磷灰石为1.67。对Ti合金的CA缺陷磷灰石似乎形成，而形成在Co合金具有钙过量的化合物。

图7和8示出了Ti合金和CO的SEM图像及其各自的EDX光谱合金样品化学处理，热处理并浸入1.3SBF 21天。

在两个样品上观察到磷灰石层。这些层均高于浸入0.85SBF（图5和6）的样品的厚度厚。因此，模拟体液的离子浓度对在金属基板上形成的层的厚度和组成具有相当大的影响。将Ca / P比率为浸入1.3SBF样品示于表5中。

表5。Ca / P的比例为浸入1.5SBF样本。

在两个合金上形成的磷灰石是Ca缺陷。在Ti合金上形成的层较近Ca / P比，以羟基磷灰石的。此外，该层似乎比CO合金更厚，更粘附。可以通过观察Ca，P和合金的峰的相对强度来推断层的厚度。可以从陶瓷层上观察到的裂缝的尺寸和数量来推断粘附[3,15]。在表面处理期间，改变表面性质，改善形成的层的附着[3,15]。再次，表面改性似乎比在CO合金样品上更有效。

X射线衍射

X射线衍射图案从图9给出图12用于0.85SBF或1.3SBF浸渍后所有样品。

对于浸入0.85SBF的Ti合金样品（图9），XRD图案仅显示Ti合金的相应峰。对于Co合金样品（图10），结果表明存在在表面上的复合CoCroc氧化物。这些结果可以表明，通过浸入0.85SBF中获得的层非常薄，可通过XRD不可检测。对于Ti合金（图11）和Co合金样品（图12），浸入1.3SBF中，XRD图案表明存在羟基磷灰石。当将样品浸入1.3SBF溶液中时，形成较厚的层。

可以观察到，由化学和热处理组成的仿生方法导致Ti合金的更改性表面而不是CO合金。在1.3SBF浸泡21天后，在Ti合金的表面上形成的磷灰石层比在Co合金上形成的磷灰石层厚。然而，在两个合金上形成的层的Ca / P比和形态学特性类似。当使用等离子体喷射方法时获得的结果表明在Ti和Co合金表面上获得的磷灰石层具有类似的机械和组织学特征，并且也相同的厚度[16]。

关于通过使用仿生方法在CO合金上形成磷灰石层的机理，仅可以在化学处理与NaOH溶液的化学处理之前存在两种观察结果：1）Na在Co合金样品的表面上存在Na检测到，这可以指示含有Na和2）的化合物的形成，根据热力学，形成含有Na的化合物，例如铬酸盐，铬铁矿是可行的。然而，仅考虑Na和热力学的存在，不可能阐明磷灰石在Co合金样品上形成的机制。

结论

如文献中所述，在Ti和Co合金的磷灰石层的形成通过利用仿生过程是可能的。的表面改性，由于化学和热处理，是在Ti合金试样比对Co合金样品更有效。该表面改性对形成层的特征具有影响。为了获得具有更好特性的磷灰石层，必须探索改变CO合金表面的另一种方式。与在浸没在0.85SBF的合金上形成的层相比，在浸入1.3SBF的合金上观察到较厚的磷灰石层。作为对SBF中的离子浓度增加时，该层的生长速度也增加。

致谢

作者要感谢墨西哥全国科学技术委员会（Conacyt）的财政支持。亚博老虎机网登录

参考

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联系方式

J. C. Escobedo Bocardo

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D. A.科尔特斯·埃尔南德斯

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A.麦地那拉米雷斯

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J. M.阿尔曼扎尔斯

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该论文也发表在打印表格中的“在材料技术和材料加工进展”，7 [2]（2005）141-148。亚博网站下载