钽涂层多孔钛合金支架的制备与表征分析

毕万君 邹潇(肇庆市多罗山蓝宝石稀有金属有限公司 广东 肇庆 526200)

多孔钽是一种新进流行的比较理想的骨科植入物质，为了得到这种物质，首先需要将对聚亚胺脂进行热分解，得到其包含的碳骨架，这种碳骨架是一种内部具有小梁结构的多孔网架，进而利用化学气相沉积的办法将钽金属沉积到这种骨架之上，形成多孔钽，这种新型的金属具有与内在的骨架空隙相一致的结构，并且具有较高的孔隙率以及较好的抗压性，更接近人体的松质骨。

一、制备实验

为了制造出这种支架，需要使用到EBM设备以及纯度高达99.95%的TaCL5粉体，以及足量的高纯氢气以及氩气。

使用EBM技术设计与制备钛合金支架的过程为：

1.首先使用计算机软件进行支架结构的设计，并将设计的结果转化为STL格式的文件进行存储，并将处理之后的文件传输到EBM设备系统，方便系统对其进行金属的成形制造，最后将成形的试件取出，清楚干净缝隙中的粉体，并使用超声波技术对其进行烘干，便可以开始下一步的化学气相沉积工作了。

2.化学气相沉积是对金属表面进行涂层的重要技术，这种技术通过对原料气体的CVD处理使得其在目标的金属表面形成非挥发性的物质，进而沉积，在金属表面形成一层薄膜。

对钛金属的支架进行钽涂层的基本原理为使用氢气以及氩气将原粉还原为金属Ta，并在高温条件下沉积到钛金属支架结构缝隙的表面。为了保证气相沉积的结果，还需要对沉积之后的支架进行孔隙率的质量比检测，检测开始之前需要计算出多孔植入体的质量与体积相同的钛合金物质质量的比值，进而在100%之中将这一数值进行剔除，便可以得出最后的数值；同时也可以使用MTS-810型力学性能测试系统来检测支架的抗压强度以及弹性模量；使用X射线来检测钽金属的沉积情况；以及使用划痕法检测钽金属与钛合金集体金属基体的结合程度，为此需要用到UMT-2M型的摩擦磨损试验机，对每个制作出来的样品进行三粗刮划，分别检验之后，对最终的检查结果去平均值便是最后的参考数值。

二、实验结果与表征分析

1.钽涂覆处理之后的钛金属支架的形貌以及结构特征

首先是对支架结构表面的色泽分析，根据涂层实验前后的色泽对比结果，我们发现，经过钽金属涂覆的支架色泽比较灰暗，金属色泽明显；此外，根据计算机技术制作出来的支架结构成像对比，证明了涂覆技术的出现不会改变钛金属支架的结构，仍然能够保持原来结构的孔隙特征，利于细胞与组织的长入以及再血管化。

超景深的三维成像技术表明钽涂覆技术出来前后的金属支架在表明形貌方面基本没有变化，仍然具有原来的正面光滑、反面粗糙以及侧面比较粗糙的表明特征，这些特征来源于快速成型技术，并且没有在钽涂覆技术处理之后发生变化，这是因为快速成型技术使用的是分层累积的成形技术，不仅会造成上述表面特征，还会增加支架组成细胞的黏附度、组织的嵌合度以及骨组织之间的连接紧密程度，进而使得钛金属的支架具有较优越的稳定性。

2.钽涂覆处理之后的钛金属支架的涂层表征

由于钛金属支架具有反光性，所以部分的细微结构没能够清晰的显示出来，不利于对支架进行细微深入的研究，但是钽涂覆的支架则具有较弱的反光性，内部的细微结构以及成孔状态能够清晰的观测到，方便了对于支架涂覆技术的研究与总结。

比如，细微结构的显示能够让我们清晰的看到，虽然涂覆技术已经基本覆盖了钛金属结构的缝隙，但是在局部仍会出现轻微的钽涂层破裂的现象，也正是因为这些断裂处的存在使得我们可以估计出钽涂层的厚度大约在3微米左右，不足以改变钽金属支架对原有结构，也就不会影响支架的力学功能的发挥。

但是涂层的破裂可能会使得支架在植入人体之后影响其生物学的性能的发挥，为了避免支架在植入之后发生涂层脱落的现象、减少对人体造成伤害的隐患，需要对涂层之后的钛金属支架进行优化处理。因为通过对支架进行X射线衍射的结果证明支架的表面因为经过了CVD技术的处理沉积了一定量的钽金属，一旦发生脱离，将会对宿主造成不良的影响与作用，。

3.钽涂覆处理之后的钛金属支架的力学性质

在室温下对钽涂覆技术处理过的支架进行了实验，最后对测得的数值去平均数看，得出其平均的抗压强度为83.8Mpa左右，正负的误差不会超过4.2Mpa，屈服强度为74.6Mpa，正负误差范围为3.5Mpa，可见处理之后的钛金属支架具有较好的抗压强度以及屈服强度，而且具有比较接近人体的皮质骨的弹性模量，从而实现了降低应力屏蔽带来的不利影响的效果。

4.钽涂覆处理之后的钛金属支架的结合力

通过对钽涂覆技术处理之后的支架进行不同程度与力度的刮划实验，可以得出钽金属涂层的剥离临界值为85克，根据这个数值可以计算出二者之间的结合强度为45.3Mpa，远远高于企业涂层技术方法下的二者结合强度，体现出了CVD涂层处理的优越性。

三、结语

采用EBM技术能够制造出具有钻石分子结构特征的支架，并且能够保证其性能，适合人体植入的医学应用；使用CVD技术能够成功的将钽金属沉积到钛金属支架的表面，并且能够保证二者之间具有较高的结合强度，不仅不会改变支架的原有结构与孔隙率，还能够保证支架具有更接近人体皮质骨的弹性模型，更适合植入，进而扩展了钛金属支架的应用范围。

[1]李祥，于晓明，王成焘，谭丽丽，杨柯，罗云，张文光.钽涂层多孔钛合金支架的制备与表征[M].稀有金属材料与工程,2012（11）

[2]李文亚，Hanlin Liao,C.Coddet.基于冷喷涂的多孔钛与钛合金的制备与表征[M].稀有金属材料与工程，2009（12）

[3]饶晓晓，胡树兵，钱得书.钛合金搪瓷涂层的制备与性能研究[M].电镀与涂饰，2010（01）

[4]何博.钛合金表面热障涂层的制备与研究[D].上海交通大学，2008（05）