钴和钛合金表面磷灰石的仿生形成

J. C. Escobedo Bocardo, m.a. López Heredia, d.a. Cortés Hernández, A. Medina Ramírezj·m·阿尔曼扎·罗伯斯

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发布:2005年11月
AZojomo (ISSN 1833-122X)第1卷2005年11月

涵盖的主题

摘要

关键词

介绍

欧洲杯足球竞彩材料和方法

结果与讨论

化学分析

力学性能

SEM和EDX

x射线衍射

结论

确认

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。对样品进行热处理，最后将其浸入离子浓度低于人血浆离子浓度（0.85SBF）的模拟体液（SBF）或离子浓度较高（1.3SBF）的模拟体液中21天。由于化学和热处理，Ti合金的表面比Co合金的表面更改性。样品在0.85SBF中浸泡后，Ti和Co合金均观察到磷灰石层。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，两个样品表面的陶瓷层并不是连续的。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。1.3SBF形成的磷灰石层的Ca/P值与骨的Ca/P值更接近。

关键词

磷灰石，生物活性，仿生，模拟体液

介绍

一个仿生过程修改的生物相容性材料给它的生物活性的特性[1，2，3]。在用于骨科或牙科应用的种植体，如髋关节和上颌面部修复体的情况下，这个过程允许磷灰石层沉积在种植体表面[1,2,4]。这些方法被用于提高材料的生物活性，如钛合金、钽、氧化铝和可生物降解聚合物复合材料[5,6]。欧洲杯足球竞彩与传统方法[2]相比，该方法具有以下优点:1)它是一种低温过程,可以应用于任何衬底温度敏感,2)形成磷灰石晶体,类似于骨,表现出良好的生物活性和良好的再吸收特点,3)它甚至可以沉积在多孔基质或植入物的复杂的几何图形,4)可以合并骨生长特性。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）。的浸泡在SBF中可被视为生物相容性材料生物活性评估的第一阶段程序[6,7]。有研究者[7-10]对纯Ti及其合金、Ta和氧化铝上的磷灰石形成机理进行了研究和阐明，发现一旦磷灰石核形成，晶体就会通过消耗周围溶液中的钙、磷离子自发生长。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®)，在一定条件下，使用NaOH 10M在60°C下化学处理24小时，然后在600°C下热处理，样品没有显著变化[6]。化学处理后发现有未知相沉积，在SBF[6]中浸泡后未形成磷灰石层。通过使用在60℃下进行24小时的化学处理的NaOH 5M，接着通过热处理在600℃下和浸渍在SBF样品另一方面[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

获得Co合金(ASTM F75)，含有约0.018%的wt。C，采用熔模铸造技术，通过两种原材料，一种变形合金和一种粉末冶金合金(Carpenter Technology C欧洲杯足球竞彩o .)。所使用的钛合金为经退火的Ti6Al4V ELI (Carpenter Technology Co .)。获得的钴合金铸条在1224°C下热处理75分钟。根据ASTM E8标准，对这种材料(Instron，型号4206)进行了十字头速度为3毫米/分钟的拉伸试验。钛合金的力学性能和化学分析由供应商提供。采用发射分光光度法对铸钴合金进行了化学分析(S实验室，光谱分析仪器)直接燃烧和红外碳检测（LECO型号CS 244-748-000，LECO公司）．

为了应用仿生工艺，获得了直径为12.7 mm、高度为2 mm的合金样品。这些样品用金刚砂纸为80〜1200砂砾磨碎。最后，用水洗样品神化水和乙醇，在测试前用压缩空气干燥并储存在干燥器中。

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。浸泡后的样品在60℃恒温下保存24小时。此期间之后，将样品用去离子水漂洗，并在37℃下干燥24小时。有几个样本留作进一步观察。然后将样品在600℃下热处理1小时，并在炉内冷却。经过化学和热处理后，取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。0.85SBF和1.3SBF按Oyane[14]提出的方法制备。0.85SBF、SBF、1.3SBF与人血浆离子浓度如表1所示。

表1。离子浓度。

将样品在37℃下浸渍在SBF溶液（0.85SBF或1.3SBF），持续21天。在浸泡期间，这些溶液每7天更新一次。浸泡期结束时，用去离子水轻轻清洗样品。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)。

结果与讨论

Chemical分析

样品的化学分析以及ASTM F75和F136标准的要求如表2所示。这两种合金均在各自标准的参数范围内。

表2。化学分析结果[重量％]。

力学性能

力学性能结果如表3所示和的要求ASTM F75标准和F136标准。采用熔模铸造工艺得到的合金符合标准要求。

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出现均匀层，表面颜色发生变化。Co合金样品仅呈现颜色的明显变化。

图1和图2为化学处理后Ti和Co合金样品的SEM图像和EDX谱图。

图1．化学处理Ti合金样品。(a) SEM图像和(b) EDX光谱。

图2。化学处理钴合金试样。(a) SEM图像和(b) EDX光谱。

在[7]文献中，化学处理对Ti合金表面的改性比Co合金更明显。SEM图像显示，化学处理后钴合金上的磨痕更加明显，而钛合金上的磨痕几乎消失。化学处理形成碱性钛酸盐水凝胶，在钛合金表面含有一定量的Na或K[1,4,9,10]。对于Co合金，可以预期在一定程度上有类似的行为。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对钛合金和钴合金样品进行化学和热处理。

图3。经过化学和热处理的钛合金样品。(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。(a) SEM图像和(b) EDX光谱。

之后，用于钛的化学和热处理合金的无定形碱金属钛酸盐，其中Na或K离子被稳定化的报道[1的形成，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，这些对这两种合金进行改进是值得赞赏的。然而，再次对Ti合金由两个连续处理所产生的效果，由于氧化机制比为Co合金，其中，所述研磨痕迹仍然可见并且颜色的变化被认为是更加明显。的EDX谱显示，对于Ti合金的Na的存在比在Co合金更可见，但二者显示出一定的修改由于以前的治疗。

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。然而，形成在Ti合金层似乎是更均匀和比形成在Co合金，其中现在的磨痕几乎绝迹厚。使用关于EDX光谱上各自合金峰，它可以推断，在这两种情况下的层是非常薄的。这些样品的Ca/P比值如表4所示。

表4。Ca / P的比例为浸没在SBF中的样本。

T磷灰石的Ca/P范围为1.2 ~ 1.66，羟基磷灰石的Ca/P范围为1.67。在Ti合金上形成了缺钙磷灰石，而在Co合金上形成了过量钙的化合物。

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光谱合金试样化学处理，热处理，浸渍在1.3SBF 21天。

没有观察到对两个样品的磷灰石层。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所示。浸泡在1.5SBF中的样品的钙磷比。

两种合金上形成的磷灰石都是缺钙的。形成在Ti合金层表现出更紧密钙磷比为羟基磷灰石。此外，这一层似乎比Co合金更厚，更粘着。通过观察Ca、P和合金的峰的相对强度，可以从EDX光谱中推断出镀层的厚度。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]。在表面的处理中，表面属性被修改，改善层形成的附接[3,15]。同样，表面改性对Ti合金样品似乎比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图谱仅显示了相应的Ti合金峰。对于Co合金样品(图10)，结果表明表面存在复合CoCr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。当样品浸入一个1.3SBF溶液形成的较厚的层。

可以观察到，使用的仿生方法，包括化学和热处理，导致Ti合金表面比Co合金更改性。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，两种合金形成的层的Ca/P比和形态特征是相似的。结果表明，在Ti和Co合金表面得到的磷灰石层具有相似的力学和组织学特征，厚度也相同。

关于形成上利用仿生方法Co合金的磷灰石层的机理，它是唯一可能存在两个观察：1）的Na的Co合金样品的表面上的存在用NaOH溶液的化学处理前被检测到，这可能表明含有Na的化合物的形成，和2）根据热力学，形成含有Na化合物，例如铬酸盐，来自两个或铬铬铁矿是可行的。然而，只服用考虑Na和热力学的存在是不可能的，以阐明在Co合金的样品的形成磷灰石的机制。

结论

如文献所述，在Ti和Co合金上形成一个磷灰石层是可能的，使用一个仿生过程。由于化学和热处理，钛合金样品的表面改性比钴合金样品更有效。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，必须探索另一种改性钴合金表面的方法。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。

确认

作者要感谢墨西哥国家科学技术委员会(CONACyT)对这项工作的财政支持。欧洲杯线上买球

工具书类

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论文发表在《材料与材料加工技术进展》，7[2](2005)141-148。欧洲杯足球竞彩