鉭涂層多孔鈦合金支架的制備與表征分析

畢萬君 鄒瀟(肇慶市多羅山藍寶石稀有金屬有限公司 廣東 肇慶 526200)

多孔鉭是一種新進流行的比較理想的骨科植入物質，為了得到這種物質，首先需要將對聚亞胺脂進行熱分解，得到其包含的碳骨架，這種碳骨架是一種內部具有小梁結構的多孔網架，進而利用化學氣相沉積的辦法將鉭金屬沉積到這種骨架之上，形成多孔鉭，這種新型的金屬具有與內在的骨架空隙相一致的結構，并且具有較高的孔隙率以及較好的抗壓性，更接近人體的松質骨。

一、制備實驗

為了制造出這種支架，需要使用到EBM設備以及純度高達99.95%的TaCL5粉體，以及足量的高純氫氣以及氬氣。

使用EBM技術設計與制備鈦合金支架的過程為：

1.首先使用計算機軟件進行支架結構的設計，并將設計的結果轉化為STL格式的文件進行存儲，并將處理之后的文件傳輸到EBM設備系統，方便系統對其進行金屬的成形制造，最后將成形的試件取出，清楚干凈縫隙中的粉體，并使用超聲波技術對其進行烘干，便可以開始下一步的化學氣相沉積工作了。

2.化學氣相沉積是對金屬表面進行涂層的重要技術，這種技術通過對原料氣體的CVD處理使得其在目標的金屬表面形成非揮發性的物質，進而沉積，在金屬表面形成一層薄膜。

對鈦金屬的支架進行鉭涂層的基本原理為使用氫氣以及氬氣將原粉還原為金屬Ta，并在高溫條件下沉積到鈦金屬支架結構縫隙的表面。為了保證氣相沉積的結果，還需要對沉積之后的支架進行孔隙率的質量比檢測，檢測開始之前需要計算出多孔植入體的質量與體積相同的鈦合金物質質量的比值，進而在100%之中將這一數值進行剔除，便可以得出最后的數值；同時也可以使用MTS-810型力學性能測試系統來檢測支架的抗壓強度以及彈性模量；使用X射線來檢測鉭金屬的沉積情況；以及使用劃痕法檢測鉭金屬與鈦合金集體金屬基體的結合程度，為此需要用到UMT-2M型的摩擦磨損試驗機，對每個制作出來的樣品進行三粗刮劃，分別檢驗之后，對最終的檢查結果去平均值便是最后的參考數值。

二、實驗結果與表征分析

1.鉭涂覆處理之后的鈦金屬支架的形貌以及結構特征

首先是對支架結構表面的色澤分析，根據涂層實驗前后的色澤對比結果，我們發現，經過鉭金屬涂覆的支架色澤比較灰暗，金屬色澤明顯；此外，根據計算機技術制作出來的支架結構成像對比，證明了涂覆技術的出現不會改變鈦金屬支架的結構，仍然能夠保持原來結構的孔隙特征，利于細胞與組織的長入以及再血管化。

超景深的三維成像技術表明鉭涂覆技術出來前后的金屬支架在表明形貌方面基本沒有變化，仍然具有原來的正面光滑、反面粗糙以及側面比較粗糙的表明特征，這些特征來源于快速成型技術，并且沒有在鉭涂覆技術處理之后發生變化，這是因為快速成型技術使用的是分層累積的成形技術，不僅會造成上述表面特征，還會增加支架組成細胞的黏附度、組織的嵌合度以及骨組織之間的連接緊密程度，進而使得鈦金屬的支架具有較優越的穩定性。

2.鉭涂覆處理之后的鈦金屬支架的涂層表征

由于鈦金屬支架具有反光性，所以部分的細微結構沒能夠清晰的顯示出來，不利于對支架進行細微深入的研究，但是鉭涂覆的支架則具有較弱的反光性，內部的細微結構以及成孔狀態能夠清晰的觀測到，方便了對于支架涂覆技術的研究與總結。

比如，細微結構的顯示能夠讓我們清晰的看到，雖然涂覆技術已經基本覆蓋了鈦金屬結構的縫隙，但是在局部仍會出現輕微的鉭涂層破裂的現象，也正是因為這些斷裂處的存在使得我們可以估計出鉭涂層的厚度大約在3微米左右，不足以改變鉭金屬支架對原有結構，也就不會影響支架的力學功能的發揮。

但是涂層的破裂可能會使得支架在植入人體之后影響其生物學的性能的發揮，為了避免支架在植入之后發生涂層脫落的現象、減少對人體造成傷害的隱患，需要對涂層之后的鈦金屬支架進行優化處理。因為通過對支架進行X射線衍射的結果證明支架的表面因為經過了CVD技術的處理沉積了一定量的鉭金屬，一旦發生脫離，將會對宿主造成不良的影響與作用，。

3.鉭涂覆處理之后的鈦金屬支架的力學性質

在室溫下對鉭涂覆技術處理過的支架進行了實驗，最后對測得的數值去平均數看，得出其平均的抗壓強度為83.8Mpa左右，正負的誤差不會超過4.2Mpa，屈服強度為74.6Mpa，正負誤差范圍為3.5Mpa，可見處理之后的鈦金屬支架具有較好的抗壓強度以及屈服強度，而且具有比較接近人體的皮質骨的彈性模量，從而實現了降低應力屏蔽帶來的不利影響的效果。

4.鉭涂覆處理之后的鈦金屬支架的結合力

通過對鉭涂覆技術處理之后的支架進行不同程度與力度的刮劃實驗，可以得出鉭金屬涂層的剝離臨界值為85克，根據這個數值可以計算出二者之間的結合強度為45.3Mpa，遠遠高于企業涂層技術方法下的二者結合強度，體現出了CVD涂層處理的優越性。

三、結語

采用EBM技術能夠制造出具有鉆石分子結構特征的支架，并且能夠保證其性能，適合人體植入的醫學應用；使用CVD技術能夠成功的將鉭金屬沉積到鈦金屬支架的表面，并且能夠保證二者之間具有較高的結合強度，不僅不會改變支架的原有結構與孔隙率，還能夠保證支架具有更接近人體皮質骨的彈性模型，更適合植入，進而擴展了鈦金屬支架的應用范圍。

[1]李祥，于曉明，王成燾，譚麗麗，楊柯，羅云，張文光.鉭涂層多孔鈦合金支架的制備與表征[M].稀有金屬材料與工程,2012（11）

[2]李文亞，Hanlin Liao,C.Coddet.基于冷噴涂的多孔鈦與鈦合金的制備與表征[M].稀有金屬材料與工程，2009（12）

[3]饒曉曉，胡樹兵，錢得書.鈦合金搪瓷涂層的制備與性能研究[M].電鍍與涂飾，2010（01）

[4]何博.鈦合金表面熱障涂層的制備與研究[D].上海交通大學，2008（05）