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艾因斯新蟲(chóng) (小有名氣)
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生物醫(yī)學(xué)植入體鉭涂層的微磨損特性研究
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介紹 在矯形植入物領(lǐng)域，生物材料由于其實(shí)現(xiàn)特定生物功能的特性而成為主要解決方案.然而，根據(jù)材料的類(lèi)型，人體內(nèi)部的反應(yīng)可能會(huì)有所不同。在不同的研究中，具有金屬-金屬接觸表面的整形外科植入物顯示由水環(huán)境的影響產(chǎn)生的離子釋放增加.因此，血液和尿液中的金屬離子含量最高，與具有聚合物-金屬、陶瓷-金屬或聚合物-陶瓷接觸面的植入物相比。然而，具有金屬接觸表面的系統(tǒng)在組織中產(chǎn)生較低體積的假體周?chē)装Y，這是因?yàn)橄鄬?duì)于前面提到的其他系統(tǒng)，磨損時(shí)產(chǎn)生的顆粒釋放較低.因此，自從機(jī)械磨損成為導(dǎo)致植入物失效的主要因素之一，或者在其他情況下，可能長(zhǎng)期污染包含它的環(huán)境以來(lái)，對(duì)機(jī)械磨損的研究興趣增加了作為提高耐磨性的要求的結(jié)果，氣相沉積技術(shù)已經(jīng)允許沉積改變表面物理和化學(xué)性質(zhì)的薄膜，而不改變基底的機(jī)械性質(zhì).由于耐腐蝕性和耐磨性的提高，鉭作為生物材料的使用具有良好的可接受性，并且它在人體內(nèi)也具有良好的生物相容性.同樣，不同的研究顯示了鉭作為涂層的顯著適用性，因?yàn)樗憩F(xiàn)出與骨相似的機(jī)械性能，例如高硬度和柔韌性。此外，當(dāng)鉭覆蓋植入物時(shí)，允許生物材料再生。 實(shí)驗(yàn) 微磨損試驗(yàn)采用可模擬兩接觸面磨損的專用設(shè)備完成。該裝置配備杠桿臂，樣品固定于杠桿臂中兩個(gè)同軸軸之間的固定球體上；通過(guò)移動(dòng)配重可調(diào)節(jié)施加在樣品表面與球體上的負(fù)載，球體由帶編碼器的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，能精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)速和循環(huán)次數(shù)。此外，蠕動(dòng)泵可向系統(tǒng)中加入懸浮于溶液的磨粒作為第三主體，實(shí)現(xiàn)微研磨過(guò)程。 試驗(yàn)以超高分子量聚乙烯球?yàn)槟Σ粮�，林格氏溶液為介質(zhì)，加入懸浮氧化鋁顆粒模擬關(guān)節(jié)置換的生物環(huán)境，具體測(cè)試參數(shù)如表1所示。 磨損率參數(shù)估算基于“樣品表面磨損路徑尺寸與磨損常數(shù)關(guān)聯(lián)”的模型。磨損量V定義為：V = πb²(3R - b)/24（其中b為磨痕平均直徑，R為試驗(yàn)球體半徑）。將該式與阿爾卡德磨損定律結(jié)合，可得K = V/(N·S)（其中K為磨損常數(shù)，S為滑動(dòng)距離，N為施加的法向載荷）。 結(jié)果與討論 3.1 XRD表征 為明確涂層晶相，先對(duì)無(wú)涂層基底進(jìn)行XRD測(cè)試以確定其特征峰，再對(duì)比分析不同涂層樣品的衍射特征。測(cè)試結(jié)果顯示，316L不銹鋼基底在43.7°、50.52°和74.47°處出現(xiàn)特征反射峰，對(duì)應(yīng)基底中的鐵、鉻元素，該特征峰在多數(shù)涂層樣品的衍射圖中均有體現(xiàn)。 高鉿含量涂層（如HfC/Au、30TaC-70HfC/Au）在36.19°、39.4°和69.37°處出現(xiàn)反射峰，對(duì)應(yīng)四方晶系Hf₂Au₁相的(103)、(110)、(213)晶面；高鉭含量涂層（如TaC/Au、70TaC-30HfC/Au）則在35.01°和40.75°處出現(xiàn)特征峰，匹配立方晶系Ta₄C₃.₀₄相的(111)、(020)晶面。 含金黃涂層樣品的衍射圖中，在38.068°和82.05°處出現(xiàn)立方晶系(111)、(222)晶面的特征反射峰，且該樣品的衍射計(jì)數(shù)顯著高于其他樣品，表明其結(jié)晶度更高。此外，38.068°處的金相特征峰在TaC/Au和HfC/Au樣品中均有體現(xiàn)，其中TaC/Au樣品的該特征峰更明顯。 3.2 磨損估計(jì) 采用掃描電子顯微鏡測(cè)量磨損過(guò)程產(chǎn)生的磨痕長(zhǎng)度，分別沿平行和垂直于球體旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行測(cè)量，取平均值作為各樣品的磨痕直徑（具體數(shù)據(jù)如表2所示）�；谏鲜鰷y(cè)量結(jié)果，結(jié)合法向力3 N、滑動(dòng)距離78.53 m的試驗(yàn)條件，通過(guò)前文所述公式計(jì)算得到各樣品的磨損量和磨損常數(shù)。 結(jié)果顯示，70TaC-30HfC/Au涂層的磨損常數(shù)最低，其次是金涂層樣品，表明這兩種涂層的抗微磨損性能優(yōu)于其他測(cè)試系統(tǒng)。 3.3 形態(tài)分析 試驗(yàn)后采用掃描電子顯微鏡（放大1000倍）和原子力顯微鏡對(duì)磨損疤痕進(jìn)行形態(tài)表征。掃描電鏡觀察結(jié)果表明，涂層可有效保護(hù)基底免受磨損破壞，磨損失效特征主要表現(xiàn)為涂層完全去除后基底暴露。其中，70TaC-30HfC/Au涂層樣品的表面損傷最小，進(jìn)一步印證了其優(yōu)異的抗磨損性能。 原子力顯微鏡測(cè)試顯示，所有樣品經(jīng)微磨損試驗(yàn)后表面粗糙度均發(fā)生變化，該變化由球體與氧化鋁顆粒的協(xié)同作用導(dǎo)致。具體來(lái)看，HfC/Au樣品的粗糙度變化最大；TaC/Au和金涂層樣品的表面變化處于中等水平，推測(cè)是磨損過(guò)程中材料去除使表面趨于均勻所致；而TaC-HfC復(fù)合涂層樣品不僅粗糙度值最低，且形態(tài)變化最輕微，表現(xiàn)出最優(yōu)的表面穩(wěn)定性。 結(jié)論 本研究中評(píng)估的所有系統(tǒng)在林格氏溶液存在下都具有良好的抗微磨損現(xiàn)象的性能，磨損常數(shù)的低值證明了這一點(diǎn)。此外，盡管HfC涂層在磨損常數(shù)方面表現(xiàn)出最高值，但它在使用時(shí)顯示出優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠浯植诙蕊@著降低，產(chǎn)生較低的摩擦。 盡管金膜通過(guò)微研磨過(guò)程顯示出溝槽碎片的跡象，但由于其顯示出第二低的磨損常數(shù)值，因此它也是具有最佳性能的系統(tǒng)之一。另一方面，在氫氟碳化合物/金體系之后，金體系的粗糙度下降幅度更大，與其他涂層相比，金體系的粗糙度值最低。 此外，通過(guò)熱蒸氣相沉積獲得的涂層允許生成薄膜，該薄膜用作防止磨損現(xiàn)象的保護(hù)屏障，磨損現(xiàn)象是植入物由于表面磨損和裂紋擴(kuò)展的惡化和發(fā)展而失效的主要原因之一。這種退化會(huì)延伸到材料的整個(gè)表面，避免這種情況很重要，因?yàn)樵跇O端情況下會(huì)影響植入物的結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致需要移除植入物。 但是，當(dāng)鉭覆蓋植入物時(shí)，允許生物材料再生。 |
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