[发明专利]涂层厚度可调的类骨结构生物陶瓷复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及生物陶瓷材料领域，尤其是涉及一种涂层厚度可调的类骨结构生物陶瓷复合材料。

背景技术

在人体硬组织修复领域，骨替代材料植入人体的目的是为了弥补骨缺陷,最终被人体新生骨所替代，所以植入体必须具有生物活性和生物可降解性。磷酸钙基生物陶瓷和人体自然骨有相同的化学成分,是人们研究的热点。由HAP微晶陶瓷制备的植入材料能与人体自然骨很好的结合，是已发现的生物相容性最好的生物陶瓷材料。磷酸钙基的生物陶瓷目前在临床应用中最为广泛，其主要产品为HAP、磷酸三钙(Ca₃(PO₄)₂, TCP)、焦磷酸钙(β-Ca₂P₂O₇, β-TTCP)等。磷酸三钙、焦磷酸钙具有良好的骨诱导能力，是一种理想的可降解生物陶瓷材料，其成骨性能等生理功能非常接近HAP。由HAP与可降解生物陶瓷组成的复合材料的综合生理性能将优于单一的HAP生物陶瓷。目前临床应用时，是将该生物陶瓷材料利用等离子喷涂的方法将其喷涂在金属基体上形成涂层，由于磷酸钙陶瓷强度低、韧性差的力学性能又限制了它的广泛应用。实验证明，该复合生物陶瓷材料制备的涂层组织与结晶度不均匀，涂层的生物相容性与稳定性较差，使得涂层与基体的粘结强度较差，造成涂层在临床应用中会出现在人体内剥落的现象。

文献检索发现，王迎春等人在《激光技术》2004年28卷上发表的论文《激光熔覆原位合成制备生物陶瓷涂层》，该文介绍：Nd:YAG激光熔覆                                                与CaCO₃混合粉末，制备的生物陶瓷涂层为HAP与β-Ca₂P₂O₇复合生物陶瓷涂层，具有优良的生物相容性。但该文涉及的Nd-YAG激光熔覆复合生物陶瓷涂层由于原材料中没有添加稀土成分, 该文涉及的复合生物陶瓷涂层原材料中不存在稀土成分。Nd-YAG激光熔覆过程中，激光工艺参数与原材料成分相同情况下，添加稀土制备的生物陶瓷涂层比未添加稀土的生物陶瓷涂层的晶粒度降低5-10倍，组织具有类骨组织的不规则性和纤维组织等特征，结合强度提高30%-50%，物相组成中羟基磷灰石的含量提高10-30%，并且合成羟基磷灰石的工艺参数范围扩大。原材料中稀土的添加, 能催化HAP 等钙磷基生物陶瓷相的形成并可抑制其分解, 提高HAP 相结构的稳定性。此外稀土在激光涂覆生物陶瓷涂层中, 少量分布于晶内, 大部分分布在局部晶粒间。稀土的掺杂, 促进晶粒细化, 具有自然骨组织晶粒的不规则性和纤维组织等特征。

传统的激光熔覆工艺中使用CO₂激光器，以添加稀土的与CaCO₃的混合粉末为原材料能在熔覆层中得到包含HAP成分的生物陶瓷复合涂层。研究结果发现由于CO₂激光由于自身的波长吸收特性，CO₂激光熔覆不添加稀土成分的与CaCO₃ 成分时无法得到生物陶瓷涂层。Nd : YAG固体激光器的波长为1.064μm，与CO₂气体激光器（波长为10.64μm）相比，它输出的波长较短。但是对于金属材料而言，激光波长越短，吸收系数越大(图中a与b处)，但是对陶瓷与玻璃材料而言(图中A与B处),情况正好相反，如图1所示，所以 ⑴ 当CO₂激光熔覆与CaCO₃混合粉末制备生物陶瓷涂层时，混合粉末对CO₂激光的吸收率将远远高于金属基体，原材料发生烧蚀或分解，降低涂层中HAP的生成含量，同时制备出的HAP成分容易发生分解，所得HAP的含量降低；与之相反，Nd-YAG激光熔覆混合粉末时，金属基体对Nd-YAG激光的吸收率将远远高于混合粉末。⑵ 能量传递方式：Nd-YAG激光熔覆过程中，混合粉末合成生物陶瓷的能量来自吸收Nd-YAG激光束能量而熔化的金属基体，这为激光熔覆过程中HAP的存在提供了加工与热力学条件。从实验设备的角度来讲，与CO₂激光器相比，Nd-YAG固体激光器的输出可以用普通光学元件传递，本实验所用的激光器，就是由光导纤维传播能量的，方便灵活。Nd-YAG固体激光器的使用更有利于激光熔覆制备工艺的自动化与工业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涂层厚度可调的类骨结构生物陶瓷复合材料，使用该复合陶瓷材料熔覆的涂层与基体结合强度高，可满足临床使用要求。