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生物医学植入体钽涂层的微磨损特性研究
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介绍 在矫形植入物领域，生物材料由于其实现特定生物功能的特性而成为主要解决方案.然而，根据材料的类型，人体内部的反应可能会有所不同。在不同的研究中，具有金属-金属接触表面的整形外科植入物显示由水环境的影响产生的离子释放增加.因此，血液和尿液中的金属离子含量最高，与具有聚合物-金属、陶瓷-金属或聚合物-陶瓷接触面的植入物相比。然而，具有金属接触表面的系统在组织中产生较低体积的假体周围炎症，这是因为相对于前面提到的其他系统，磨损时产生的颗粒释放较低.因此，自从机械磨损成为导致植入物失效的主要因素之一，或者在其他情况下，可能长期污染包含它的环境以来，对机械磨损的研究兴趣增加了作为提高耐磨性的要求的结果，气相沉积技术已经允许沉积改变表面物理和化学性质的薄膜，而不改变基底的机械性质.由于耐腐蚀性和耐磨性的提高，钽作为生物材料的使用具有良好的可接受性，并且它在人体内也具有良好的生物相容性.同样，不同的研究显示了钽作为涂层的显著适用性，因为它表现出与骨相似的机械性能，例如高硬度和柔韧性。此外，当钽覆盖植入物时，允许生物材料再生。 实验 微磨损试验采用可模拟两接触面磨损的专用设备完成。该装置配备杠杆臂，样品固定于杠杆臂中两个同轴轴之间的固定球体上；通过移动配重可调节施加在样品表面与球体上的负载，球体由带编码器的直流电机驱动旋转，能精准控制转速和循环次数。此外，蠕动泵可向系统中加入悬浮于溶液的磨粒作为第三主体，实现微研磨过程。 试验以超高分子量聚乙烯球为摩擦副，林格氏溶液为介质，加入悬浮氧化铝颗粒模拟关节置换的生物环境，具体测试参数如表1所示。 磨损率参数估算基于“样品表面磨损路径尺寸与磨损常数关联”的模型。磨损量V定义为：V = πb²(3R - b)/24（其中b为磨痕平均直径，R为试验球体半径）。将该式与阿尔卡德磨损定律结合，可得K = V/(N·S)（其中K为磨损常数，S为滑动距离，N为施加的法向载荷）。 结果与讨论 3.1 XRD表征 为明确涂层晶相，先对无涂层基底进行XRD测试以确定其特征峰，再对比分析不同涂层样品的衍射特征。测试结果显示，316L不锈钢基底在43.7°、50.52°和74.47°处出现特征反射峰，对应基底中的铁、铬元素，该特征峰在多数涂层样品的衍射图中均有体现。 高铪含量涂层（如HfC/Au、30TaC-70HfC/Au）在36.19°、39.4°和69.37°处出现反射峰，对应四方晶系Hf₂Au₁相的(103)、(110)、(213)晶面；高钽含量涂层（如TaC/Au、70TaC-30HfC/Au）则在35.01°和40.75°处出现特征峰，匹配立方晶系Ta₄C₃.₀₄相的(111)、(020)晶面。 含金黄涂层样品的衍射图中，在38.068°和82.05°处出现立方晶系(111)、(222)晶面的特征反射峰，且该样品的衍射计数显著高于其他样品，表明其结晶度更高。此外，38.068°处的金相特征峰在TaC/Au和HfC/Au样品中均有体现，其中TaC/Au样品的该特征峰更明显。 3.2 磨损估计 采用扫描电子显微镜测量磨损过程产生的磨痕长度，分别沿平行和垂直于球体旋转方向进行测量，取平均值作为各样品的磨痕直径（具体数据如表2所示）。基于上述测量结果，结合法向力3 N、滑动距离78.53 m的试验条件，通过前文所述公式计算得到各样品的磨损量和磨损常数。 结果显示，70TaC-30HfC/Au涂层的磨损常数最低，其次是金涂层样品，表明这两种涂层的抗微磨损性能优于其他测试系统。 3.3 形态分析 试验后采用扫描电子显微镜（放大1000倍）和原子力显微镜对磨损疤痕进行形态表征。扫描电镜观察结果表明，涂层可有效保护基底免受磨损破坏，磨损失效特征主要表现为涂层完全去除后基底暴露。其中，70TaC-30HfC/Au涂层样品的表面损伤最小，进一步印证了其优异的抗磨损性能。 原子力显微镜测试显示，所有样品经微磨损试验后表面粗糙度均发生变化，该变化由球体与氧化铝颗粒的协同作用导致。具体来看，HfC/Au样品的粗糙度变化最大；TaC/Au和金涂层样品的表面变化处于中等水平，推测是磨损过程中材料去除使表面趋于均匀所致；而TaC-HfC复合涂层样品不仅粗糙度值最低，且形态变化最轻微，表现出最优的表面稳定性。 结论 本研究中评估的所有系统在林格氏溶液存在下都具有良好的抗微磨损现象的性能，磨损常数的低值证明了这一点。此外，尽管HfC涂层在磨损常数方面表现出最高值，但它在使用时显示出优势，因为其粗糙度显著降低，产生较低的摩擦。 尽管金膜通过微研磨过程显示出沟槽碎片的迹象，但由于其显示出第二低的磨损常数值，因此它也是具有最佳性能的系统之一。另一方面，在氢氟碳化合物/金体系之后，金体系的粗糙度下降幅度更大，与其他涂层相比，金体系的粗糙度值最低。 此外，通过热蒸气相沉积获得的涂层允许生成薄膜，该薄膜用作防止磨损现象的保护屏障，磨损现象是植入物由于表面磨损和裂纹扩展的恶化和发展而失效的主要原因之一。这种退化会延伸到材料的整个表面，避免这种情况很重要，因为在极端情况下会影响植入物的结构完整性，导致需要移除植入物。 但是，当钽覆盖植入物时，允许生物材料再生。 |
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