放电等离子烧结的高生物活性Ti-Nb-Sn/HA纳米复合材料合成机理研究

Owing to the good bioactivity and mechanical properties, Ti alloys/hydroxyapatite(HA) composites fabricated by spark plasma sintering(SPS) have great prospect in the domain of biomedical materials. Nanoscale topography which played a critical role in increasing cell activity can improve the biological properties of Ti alloys/HA composites. In this project, a novel β type Ti-Nb-Sn/HA nanocoposites will be fabricated using mechanical alloying and spark plasma sintering(SPS), the phase composition, microstructure, interface transformation and density during the SPS process will be investigated. The influence of nanostructure to the formation and growth of sintering necks during SPS of Ti-Nb-Sn/HA nanocomposites and the mechanism will be explored. The sintering mechanism of nanocomposites under multi-field coupling will be discussed. According to the study of hemolysis rate, cell adhesion ability and osteoinductive activity of nanocomposites, the influence of grain size and interface structure to bioactivity of nanocomposites as well as its mechanism will be established. This study will provide a scientific basis for the improvement of bioactivity of Ti alloys/HA nanocomposites and lay a theoretical foundation for the research of β type metal-ceramic nanocomposites.

放电等离子烧结制备的Ti合金/羟基磷灰石(HA)复合材料具有良好生物活性和力学性能，是一种极具应用潜力的生物医用材料。纳米结构可以提高细胞活性，有望进一步改善Ti合金/HA复合材料的生物性能。本项目采用机械合金化和放电等离子烧结技术制备低弹性模量β型Ti-Nb-Sn/HA纳米复合材料，研究放电等离子烧结过程中纳米复合材料的相组成、组织结构、界面演变及致密度，获得纳米晶结构对多组元β型Ti-Nb-Sn/HA纳米复合材料放电等离子烧结烧结颈形成长大的影响及作用机制，探讨多场耦合作用下β型Ti-Nb-Sn/HA纳米复合材料的放电等离子烧结机理；通过对纳米复合材料溶血率、细胞附着能力和成骨诱导性的研究，阐明晶粒尺寸和界面结构对纳米复合材料生物活性的影响规律及作用机制，本项目的研究可为Ti合金/HA纳米复合材料生物活性的改善提供科学依据，并为高性能金属-陶瓷生物医用复合材料的研制奠定坚实的理论基础。

β型Ti-Nb-Sn合金由于其良好的机械性能、较低的弹性模量而被认为是一种在人体骨骼修复和替换方面有良好应用潜力的生物材料。采用粉末冶金和脉冲电流活化烧结的方法制备了具有纳米晶结构的Ti-Nb-Sn/HA系列复合材料，揭示了其烧结机理。研究了Ti-Nb-Sn/HA复合粉末和烧结复合材料的显微组织和相组成，对复合材料块体的力学性能、摩擦磨损性能、腐蚀性能和生物相容性等进行了研究。12小时球磨粉末烧结的复合材料中主要由β-Ti、HA、Ca3(PO4)2(TCP)、TiO2、CaTiO3以及TixPy等相组成。复合材料块体的晶粒尺寸随球磨时间的增加而变小。复合材料块体具有很高的相对密度和硬度，而且复合材料块体的相对密度和硬度均随着球磨时间的增加而增加。复合材料块体的压缩实验结果表明Ti-Nb-Sn/HA复合材料均发生脆性断裂行为。复合材料的压缩强度随着粉末球磨时间的增加而逐渐增加，而压缩弹性模量变化不明显。压缩强度最高(877MPa)的复合材料块体弹性模量可以达到22GPa，具有较好的生物机械性能。Ti-Nb-Sn/HA复合材料块体在Hank’s模拟体液润滑条件下的摩擦系数随着复合粉末的球磨时间增加和HA含量的增加而逐渐降低，复合材料块体的最小摩擦系数为0.12，复合材料块体的磨损形式为微动磨损。耐腐蚀性能最好的Ti-35Nb-2.5Sn/15HA复合材料块体的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.261V和0.18μA/cm2，接近Ti-6Al-4V生物医用合金在Hank’s体液中的腐蚀电流密度(0.16 μA/cm2)，且这种复合材料块体发生钝化后较稳定，具有很宽的钝化区间。复合材料块体的溶血率均随着球磨时间的增加而降低，复合材料块体的溶血率(0.87%)。与CP Ti相比，成骨细胞在12小时球磨粉末烧结的Ti-35Nb-2.5Sn/ 15HA复合材料块体表面的附着率、增殖能力和生物活性更高，而且成骨细胞在复合材料块体表面伸展出更多的胶原和成骨纤维触角，展现出良好的骨结合趋势。