通过仿生工艺对钴和钛合金磷灰石形成

J.C.Escobedo Bocardo、M.A.López Herdia、D.A.Cortés Hernández、A.Medina Ramírezj·m·阿尔曼扎·罗伯斯

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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

摘要

关键字

介绍

欧洲杯足球竞彩材料和方法

结果和讨论

化学分析

力学性能

SEM和EDX

X射线衍射

结论

致谢

工具书类

详细联系方式

摘要

对钛和钴合金进行仿生处理。Ti和Co合金样品分别浸泡在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。Ti和Co合金样品浸泡在0.85SBF中后，观察到磷灰石层。在0.85SBF中浸泡后，Ti合金样品的陶瓷层比Co合金样品的陶瓷层更均匀、更厚。然而，两个样品上的陶瓷层沿着表面不连续。浸泡在1.3SBF中的样品上形成了厚的磷灰石层，这是由于较高的离子浓度，主要是钙和磷。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。

关键字

磷灰石，生物活性，仿生，模拟体液

介绍

一个仿生工艺修改生物相容材料，以赋予其生物活性特性[1,2,3]。在用于整形外科或牙科应用的植入物的情况下，例如髋和颌骨面部假体，该方法允许在植入物的表面上沉积磷灰石层[1,2,4]。这样的方法是用于改善的材料如钛合金，钽，氧化铝和可生物降解的聚合物复合材料[5，6]生物活性。欧洲杯足球竞彩与传统方法相比，该方法具有以下优点[2]：1）它是一种低温过程，可应用于任何温度敏感基底；2）它形成磷灰石晶体，类似于骨晶体，显示出良好的生物活性和良好的再吸收特性，3）它甚至可以沉积在多孔基底或复杂几何形状的植入物中，4）它可以结合骨生长特征。对于金属材料，这种仿生过程通常包括在碱性溶液中进行化学处理，然后进行热处理，最后浸入模拟体液（SB欧洲杯足球竞彩F）。的在SBF浸入可被视为用于生物相容材料[6,7]的生物活性评估的第一阶段程序。一些研究人员[7-10]研究并阐明了纯钛及其合金、钽和氧化铝上磷灰石的形成机理，发现一旦形成磷灰石核，晶体就会通过消耗周围溶液中的钙和磷离子而自发生长。这种晶体生长是由通过基板和流体之间界面的离子转移控制的[11]。对于钴合金（Vitallium®），在特定条件下，通过在60°C下使用NaOH 10M化学处理24小时，然后在600°C下进行热处理，未报告样品发生显著变化[6]。化学处理后，发现未知相的沉积物，浸泡在SBF中后没有形成磷灰石层[6]。另一方面，使用NaOH 5M在60°C下化学处理24小时，然后在600°C下热处理，并将样品浸入SBF中[12,13]。已报道在这种合金上自发形成骨状磷灰石层。然而，钴合金中磷灰石的形成机制尚未完全清楚。本文比较了SBF浓度对Ti和Co合金磷灰石形成的影响。

欧洲杯足球竞彩材料和方法

为了获得含约0.018%wt.C的钴合金（ASTM F75），采用熔模铸造技术，通过两种原材料，一种锻造合金和一种粉末冶金合金（Carpenter Technology Co.）。欧洲杯足球竞彩使用的Ti合金是提供的退火条件的Ti6Al4V Eli（Carpenter Technology Co）。获得的钴合金铸条在1224°C下热处理75分钟。张力试验该材料（英斯特朗，型号4206）以3毫米/分钟的十字头速度根据ASTM E8标准进行。钛合金的机械性能和化学分析由供应商提供。通过发光分光分析进行铸造钴合金的化学分析（实验室S，分光分析仪器）直接燃烧和红外碳检测(LECO cs244 -748-000型，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。这些样品是用粒度从80到1200不等的碳化硅纸磨碎的。最后，用水洗样品去掉水和乙醇，用压缩空气干燥，并在测试前保存在干燥器中。

化学处理分别将Co合金和Ti合金样品浸泡在5M和10M NaOH水溶液中。浸没在样品保持在恒定温度60℃24小时。在此之后，用去离子水冲洗样品并在37°C下干燥24小时。一对夫妇的样品都保持进一步的观察。然后，将样品加热在600℃下处理1小时，并冷却炉内。在化学和热处理之后，采取了一对样品进行进一步观察。热处理后，将样品浸泡在0.85SBF或1.3SBF溶液中。根据Oyane[14]提出的方法制备0.85SBF和1.3SBF。0.85SBF、SBF、1.3SBF和人血浆的离子浓度如表1所示。

表格1。离子浓度。

样品在37°C的SBF溶液(0.85SBF或1.3SBF)中浸泡21天。在浸泡期间，这些溶液每7天更新一次。在浸渍时结束时，用去离子水轻轻洗涤样品。采用扫描电子显微镜(SEM)对样品表面进行了表征;显微镜Philips, XL 30 ESEM型)，能量色散x射线分析(EDX;软件Genesis, EDAX)和x射线衍射(XRD;衍射仪专家飞利浦，型号PW3040)。

结果和讨论

Chemical分析

样品的化学分析及ASTM F75和F136标准的要求如表2所示。两种合金都在各自标准的参数范围内。

表2。化学分析结果。

力学性能

表3示出的机械性能的结果和的要求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，在化学和热处理之后对样品进行目视分析。化学处理后，观察到钛合金表面的颜色变化，而钴合金样品保持不变。热处理后，钛合金样品表面呈现均匀层，表面颜色发生变化。Co合金样品仅呈现出可见的颜色变化。

图1和2示出了SEM图像和用于将Ti各自的EDX谱和Co合金样品化学处理后。

图1．化学处理Ti合金样品。的（a）SEM图像和（b）EDX光谱。

图2。化学处理钴合金试样。的（a）SEM图像和（b）EDX光谱。

该化学处理修改更显着的Ti合金比Co合金的表面上，在文献[7]所报道。SEM图像显示，在CO合金上，在化学处理后，研磨标记更加可见，对于它们几乎消失的Ti合金而不是相同的。化学处理形成碱金属钛酸盐的水凝胶，其中包含一些Na或K [1，4,9，10] Ti合金的表面上。对于钴合金，在一定程度上可以预期类似的行为。然而，从表面改性所感知的EDX光谱来看，钛合金样品似乎更受该处理的影响，相应的光谱呈现出比Co合金样品光谱中更明确和更高的Na峰。

图3和图4显示了SEM图像和它们各自的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。的（a）SEM图像和（b）EDX光谱。

图4。经过化学和热处理的钴合金样品。的（a）SEM图像和（b）EDX光谱。

在对钛合金进行化学和热处理后，有报道称形成了一种无定形碱钛酸盐，其中Na或K离子是稳定的[1，4.9，10。假设化学处理在Co合金上形成了一种含Na的化合物，在热处理过程中该化合物可以得到稳定，则可以预期另一种表面改性。从SEM图像来看对这两种合金进行改进是值得赞赏的。然而，对于Ti合金来说，连续两次处理所产生的效果比Co合金更明显，在Co合金中，磨削痕迹仍然可见，颜色的变化被认为是由于氧化机制。EDX光谱表明，在Ti合金上Na的存在比Co合金上更明显，但两者都由于之前的处理而出现了一定的变质。

图5和图6显示了Ti合金和Co合金化学处理、热处理和浸入0.85SBF 21天的SEM图像和各自的EDX光谱。

分别处理后，在0.85SBF中浸泡，两种样品均观察到陶瓷层的形成。而在Ti合金上形成的磨痕层似乎比Co合金上形成的磨痕层更均匀、更厚，现在Co合金上的磨痕几乎消失。利用EDX光谱中各自的合金峰，可以推断，在两种情况下，该层都是非常薄的。这些样品上的CA / P比例如表4所示。

表4。样品在SBF中浸泡后的Ca/P比。

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。在钛合金上似乎形成了缺钙磷灰石，而在钴合金上形成了钙过量的化合物。

图7和图8显示了钛合金和钴合金的SEM图像和它们各自的EDX光谱合金试样经化学处理、热处理、1.3SBF浸泡21天。

在两个样品上都观察到了磷灰石层。这些层比浸泡在0.85SBF中的样品厚（图5和图6）。因此，模拟体液的离子浓度对金属基底上形成的层的厚度和组成有相当大的影响。浸泡在1.3SBF中的样品的钙磷比如表5所示。

表5。浸泡在1.5SBF中的样品的钙磷比。

形成在两种合金磷灰石为Ca不足。在Ti合金上形成的层较近Ca / P比与羟基磷灰石的比率。此外，该层似乎是更厚的和更好的比对Co合金附着。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。从陶瓷层上观察到的裂纹的大小和数量可以推断出粘结性[3,15]。在表面处理过程中，表面性能得到了改善，提高了形成的层的附着力[3,15]。再一次，表面改性似乎是在Ti合金样品比在Co合金样品更有效。

X射线衍射

图9至图12给出了浸入0.85SBF或1.3SBF后所有样品的X射线衍射图。

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。这些结果表明，在0.85SBF中浸泡得到的层极薄，XRD无法检测到。对于Ti合金(图11)和Co合金样品(图12)，浸入1.3SBF中，XRD图谱显示存在羟基磷灰石。当样品浸泡在1.3SBF溶液中，会形成较厚的层。

能够观察到，仿生方法中使用，包括化学和热处理，导致了多种修饰的表面上的Ti合金比在Co合金。1.3SBF浸泡21 d后，Ti合金表面形成的磷灰石层比Co合金表面形成的磷灰石层厚。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]。

关于用仿生方法在Co合金上形成磷灰石层的机理，只能给出两个观察结果:1)的存在Na公司合金样品表面的化学治疗前检测到氢氧化钠溶液,这可能说明一种含有钠的化合物的形成,和2)根据热力学,含钠化合物的形成,如铬酸盐、铬或铬是可行的。然而，仅考虑Na的存在和热力学因素，还无法阐明磷灰石在Co合金样品上的形成机理。

结论

如文献所述，通过使用仿生过程，可以在钛和钴合金上形成磷灰石层。由于化学和热处理，表面改性，在Ti合金样品上更有效地比CO合金样品更有效。这种表面改性对成形层的特征有影响。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0.85SBF的合金相比，在1.3SBF的合金上形成了更厚的磷灰石层。随着SBF上离子浓度的增加，该层的生长速率也随之增加。

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。欧洲杯线上买球

工具书类

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M.A.LópezHeredia

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阿尔曼萨·罗伯斯

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本论文也以印刷形式发表在《材料和材料加工技术的进步》7[2]（2005）141-148中。欧洲杯足球竞彩