医用钛合金梯度复合材料的制备及其生物与力学性能研究

As a major orthopedic implant material, medical titanium alloys require excellent biological and mechanical properties. However, when researchers attempted to improve multiple comprehensive performance of titanium alloy, some key problems, such as the cross coupling effect of alloy elements on the material microstructure and properties, and modification and optimization mechanism of the material surface, are still not clear. To solve above problems, the present project is to develop a new type of Ti-Ta-Nb-Zr-Mo/TiO2-MOx/OCP-Cu-Zn medical titanium alloy gradient composite material. The alloy composition design will be done under the guidance of d-electronic theory and the primary principle, which will reveal the physical nature that the alloy elements affect material properties. The cross coupling effect of alloy elements on alloy microstructure and phase change, and also the material influence mechanism of the alloy microstructure on biological and mechanical properties will be explored. TiO2-MOx/OCP-Cu-Zn coating will be prepared by physical-chemical modification technology on the alloy surface, which will achieve the building of micro/nano linking structure active coating. Moreover, the action mechanism and temporal expression of osteogenesis and anti-infection multifunctional composite materials, and the interaction mechanism and law of the surface/interface of prepared materials and human tissue, will be investigated. It provides theoretical guidance for the comprehensive performance improvement and surface modification of biomedical titanium alloy materials.

医用钛合金作为主要的骨科植入材料，要求具备优良的生物及力学综合性能。然而在研究优化多元钛合金综合性能时，合金元素对材料显微结构与性能的交叉耦合影响规律，以及材料表面状态的改性优化机制等关键问题仍不明确。针对以上问题，本项目拟研制一种新型Ti-Ta-Nb-Zr-Mo/TiO2-MOx /OCP-Cu-Zn医用钛合金梯度复合材料，借助d电子理论及第一性原理指导合金成分设计，揭示多种元素影响材料性能的物理化学本质；探究多种合金元素对合金显微组织、相变等交叉耦合影响规律，以及合金显微结构对材料生物及力学性能的影响机制；通过物理-化学复合改性在合金表面制备TiO2-MOx/OCP-Cu-Zn涂层，实现微纳米贯通结构活性涂层的构建，对兼具成骨和抗感染多功能复合材料的作用机制和时序表达，及材料与人体组织表介面相互作用机理进行探究，为生物医用钛合金材料的综合性能改善及表面改性提供理论指导。

为了探讨多元钛合金作为骨植入材料时合金元素对材料显微结构与力学性能的影响规律以及材料表面状态的改性优化机制，改善合金的生物力学性能，项目设计了β稳定元素Ta、Nb、Mo及合金强化元素Zr元素来调控合金结构及力学性能，并通过构建纳米氧化层及等离子喷涂生物活性涂层改善复合材料的生物学性能；主要研究结果如下：（1）基于第一性原理等设计并采用粉末冶金法制备了低模量、高强度三元Ti-Mo-Nb、Ti-Nb-Zr、四元Ti-Nb-Mo-Zr及Ti-Nb-Mo-Ta、五元Ti-Mo-Nb-Zr-Ta合金，探究了合金制备参数对相组成、微观结构的调控规律，研究了Ta、Nb、Zr、Mo元素种类及配比对钛合金显微组织、相变及其与材料的生物力学性能的影响规律，建立了合金设计-相组成-微观结构-生物力学性能之间的关系，其中，粉末冶金法1400 ℃下烧结2 h制备的Ti-10Mo-28Nb-3Zr-6Ta合金大部分为β相组织，具有与人体骨相匹配的弹性模量27.59 GPa和较高的抗压强度635 MPa。（2）借助阳极氧化法等在多元Ti-10Mo-28Nb-3Zr-6Ta及Ti-27Nb-6Zr-5Mo合金表面构建纳米氧化层，研究了制备条件对纳米结构氧化层形貌、性能的影响规律，探究了纳米氧化层的生长机理。当氧化电压为25 V、氧化时间为120 min、电解质为0.9 wt%NaF和1 mol/L H3PO4溶液时，Ti-10Mo-28Nb-3Zr-6Ta合金表面制备了孔径范围为30~40 nm，孔壁厚15 nm的纳米管阵列，主要成分为多种元素掺杂的非晶态的钛氧化物及锐钛矿型二氧化钛纳米晶，为后续喷涂提升涂层结合力，更好提升材料生物性能打下良好基础。（3）借助等离子喷涂法在纳米氧化层上分别制备Ta-Cu-Zn及HA-Cu-Zn生物活性涂层，探究了喷涂原料组分及比例、喷涂参数对涂覆效果及生物学性能的影响规律，喷涂电压为40 V、距离为100 mm制备出的HACuZn复合涂层厚度为50 μm，具有较好的耐腐蚀性，涂层的结合力为21.3 N，无细胞毒性，且生物活性优异；揭示了HA、Ta、Cu、Zn等改善钛合金复合材料生物活性及抗菌性能的作用机制。最终，获得了生物及力学性能优良的医用梯度复合材料，探究了复合材料微观结构与性能之间的关系规律，为发展新型生物及力学综合性能良好的生物医用梯度复合材料提供新思路。