宽带激光熔覆生物活性稀土梯度涂层及其生物活性

在钛合金表面制备既具有良好的生物力学性能，又具有良好的生物活性和生物相容性的复合材料涂层是生物材料的重要发展方向。本项目提出以宽带激光熔覆技术为工艺实施手段，以CaHPO4o2H2O+CaCO3+Ti混合粉末以及添加稀土氧化物Y2O3为梯度涂层成分体系，在钛合金表面直接制备含HA+β-TCP的生物活性稀土梯度复合涂层。首先研究涂层的组织结构与力学性能，在此基础上，对梯度涂层成分进行优化设计，以便对HA+β-TCP的合成实施定量控制；研究稀土氧化物Y2O3对梯度复合涂层组织结构与性能的影响规律及其催化合成活性陶瓷相HA+β-TCP的机理；研究稀土生物陶瓷涂层表面微结构与蛋白质吸附及其构象变化的关系、蛋白表达与涂层表面结构的相互关系等内容，认识其生物活性的材料学和生物学基础，以指导和促进生物活性陶瓷涂层制备技术的进一步发展，为其临床应用奠定坚实的基础。

为了在Ti合金表面制备既有良好的生物活性和生物相容性，又有良好的生物力学性能的陶瓷涂层，同时为了减少激光熔覆过程中基材与生物陶瓷涂层之间的热应力，提高涂层与基材的结合强度，采用梯度设计思想，利用激光熔覆技术，在钛合金表面成功地制备了梯度生物陶瓷复合涂层，实现了钛合金的生物活化改性处理。. 研究发现，稀土氧化物Y2O3、CeO2、La2O3、Nd2O3在激光熔覆过程中均可以催化合成生物活性陶瓷相HA及β-TCP。且稀土氧化物催化合成最大数量的HA+β-TCP存在一个最佳值。当Y2O3含量处于0.4~0.6wt.%范围时，其催化合成HA+β-TCP的数量最大；当CeO2加入量为0.4wt.%时，HA+β-TCP的数量达到最大；当La2O3含量为0.6wt.%时，催化合成HA+β-TCP的数量最多；当Nd2O3含量为0.4wt.%～0.6wt.%时，诱导合成HA+β-TCP的数量最多。通过化学反应动力学研究对激光熔覆生物陶瓷涂层中稀土氧化物CeO2的催化作用进行了半定量分析，提出稀土氧化物CeO2催化生物活性陶瓷相的机理。. 体内生物活性研究表明，生物陶瓷涂层植入成年健康狗股骨6周、12周和24周后组织切片上未见明显纤维包囊、慢性炎症，组织形貌变性、组织坏死等症状。在Ca:P=1.4，添加0.6wt.%Y2O3条件下，生物陶瓷涂层最有利于成骨，具有最佳的生物活性和生物相容性。.体外模拟体液浸泡实验表明，激光熔覆生物陶瓷复合涂层具备生物活性。涂层与蛋白质相互作用表明，含稀土氧化物的涂层对成骨细胞无毒副作用，梯度活性陶瓷涂层表面的钙磷基活性陶瓷相数量影响着成骨细胞的增殖和碱性磷酸酶（ALP）表达量，以Nd2O3为例，当Nd2O3的添加量为0.4wt.%～0.6wt.%时，梯度活性陶瓷涂层表面具有最多的细胞增殖数量以及最多的碱性磷酸酶（ALP）表达量，这与Nd2O3含量为0.4wt.%～0.6wt.%时诱导合成HA+β-TCP数量最多结果一致。. 本项目在研究过程中，申请了2项国家发明专利和1项美国发明专利。获得了2项国家发明专利和1项美国发明专利的授权，在国内外学术刊物上发表6篇论文，获得了1项贵州省科技进步三等奖。