基本介紹
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介紹
等離子噴塗金屬基/輕基磷灰石塗層(HA)由於優異的生物學性能和良好的力學性能，已作為人工髓關節、種植牙等廣泛套用於臨床。但是由於輕基磷灰石在噴塗過程易發生熱分解現象，降低了塗層的結晶度和穩定性，另外HA塗層與欽合金熱膨脹係數的不匹配也會導致結合強度下降。為解決此問題，人們嘗試著尋找新的替代塗層。
生物玻璃、玻璃陶瓷和磷酸鈣陶瓷具有優良的生物活性，但由於其脆性限制了其在承載骨替換方面的套用。採用塗層技術，在金屬基體的表面製備塗層，將金屬材料的優良力學性能與陶瓷材料的生物活性相結合，是套用這些材料的一個有效途徑。在眾多塗層技術與塗層材料中，等離子噴塗HA陶瓷，是最為常用和廣為研究的方法。儘管生物玻璃與玻璃陶瓷較HA具有更高的生物活性，但採用等離子噴塗工藝製備生物玻璃與玻璃陶瓷塗層的研究相對較少。
鈣鎂橄欖石具有熱穩定好等優點，可成為一種優良的替代塗層。以鈣鎂橄欖石粉為原料，採用大氣等離子噴塗技術在欽合金Ti-6A1-4V上噴制了鈣鎂橄欖石塗層，測定並研究了塗層的組織結構、熱膨脹係數及結合強度和塗層生物活性，期望製備出生物相容性和機械穩定性好的生物材料。
分類
橄欖石有好幾種，如鐵橄欖石、錳橄欖石、鈣鎂橄欖石、矽鎂石等等。品種不一樣，它們的顏色也不一樣，有綠色到檸檬黃色，有褐黑色、茶色、紅色甚至無色等等。但它們都具有玻璃光澤或松脂光澤。橄欖石是岩漿成為岩石後形成的第一代礦物，所以科學家可以用它來研究當初岩漿的成分。橄欖石喜歡高溫環境，在低溫時如果遇到水，它們就立即就會變成蛇紋石、綠泥石、磁鐵礦或滑石了。橄欖石能經受1500攝氏度高溫，可以當作耐火材料。透明的橄欖石叫黃電氣石，是可以當作寶石的。
離子塗層
噴塗前鈣鎂橄欖石原料顆粒呈球形。通過粒度分析儀測定可知鈣鎂橄欖石粉體的粒度分布在10-120μm之間，粒度範圍較窄，平均粒徑為60μm。塗層的表面分布著大小不等的微小氣孔和顆粒，其中扁平狀顆粒相互連線，部分球形顆粒或被扁平顆粒包裹，或豁附在扁平顆粒表面，整個塗層表面呈現粗糙、多孔的結構特徵。鈣鎂橄欖石原料粉末主要由鈣鎂橄欖石相組成。與原始粉料相比，塗層的主要相結構仍是鈣鎂橄欖石，但存在大量的玻璃相，這主要是等離子噴塗過程中，粉末被高溫等離子焰加熱融化，然後以300m/s-1的速度噴向基底材料，大量的熔融粒子來不及析晶所致。
作為植入體使用的塗層應有較高的結晶度和穩定性。非晶相的彈性模量較結晶相低，會溶入體液，對植入體的持久性產生不良影響。在噴塗工藝參數一定的條件下，要提高塗層的結晶度可採取後熱處理工藝。本實驗通過對塗層進行熱處理考察熱處理溫度對孔隙率、結合強度、塗層顯微組織及結晶度的影響。
熱處理能明顯降低塗層的空隙率，且隨著熱處理溫度升高，孔隙率逐漸下降，當熱處理溫度達到700℃時，空隙率達到最小值，當熱處理溫度繼續升高時，塗層的孔隙率反而逐漸增大。熱處理後，塗層的結合強度顯著提高，且隨著熱處理溫度的升高，塗層與基體的結合強度逐漸增大，當熱處理溫度到700℃時，結合強度達到最大值37MPa，當熱處理溫度超過700℃時，結合強度反而降低。塗層的孔隙率是影響結合強度的一個重要因素，隨著孔隙率的降低，塗層的結合強度增加，熱處理溫度為700℃時，孔隙率達到最小值，對應的塗層結合強度達到了最大值。
鈣鎂橄欖石塗層在700℃下熱處理前後的X射線與熱處理前相比熱處理後塗層的結晶度明顯提高，玻璃相基本消失。鈣鎂橄欖石等離子塗層在700℃下熱處理後塗層表面及橫截面的掃描電鏡照片。可見塗層與基體之間沒有明顯缺陷，與熱處理前相比，塗層更為緻密，孔隙與裂紋很少，組織比較均勻，因而塗層與基體結合緊密。EDS結果表明塗層中的鈣、矽等元素向基材中擴散，而基材中的欽元素也向塗層擴散。這種緻密結構，可有效阻止生物液體向基體滲透，從而提高塗層的生物穩定性。
總結
在大氣等離子噴塗條件下製備了的鈣鎂橄欖石玻璃陶瓷塗層，經過熱處理可提高塗層的結晶度，塗層變得緻密，孔隙減少，結合強度增大，其中在700℃下熱處理後，塗層具有最高的結合強度，達到37MPa，且熱膨脹係數同欽合金接近。該塗層在模擬體液中浸泡後塗層表面明顯有輕基磷灰石形成，體外細胞共培養試驗表明塗層材料無細胞毒性且具有良好的細胞貼壁作用，生物活性高，這對加快植入體的早期穩定，縮短手術後癒合期有重要意義。
