医用多孔NiTi形状记忆合金的制备和表面改性及生物相容性研究

多孔NiTi合金具有形状记忆效应、超弹性、可控的力学性能、多孔结构使植入物的固定更可靠、利于人体体液营养成分的传输而缩短病人的康复期等特征，使其成为骨、关节和牙等硬组织的修复和替换外科植入材料的研究热点之一。但多孔NiTi合金植入人体后，因多孔结构造成暴露于体液介质的表面积增大，三维连通的孔隙结构引起缝隙腐蚀效应，导致比致密NiTi合金更易释放出具有潜在毒性的Ni离子。本课题针对承重硬组织替代材料在临床应用遇到的实际问题，首次提出利用微波烧结粉末冶金技术制备与人体硬组织的结构和性能相匹配的三维连通多孔NiTi合金，并使用微弧氧化技术对此合金进行表面改性以提高其耐蚀性，抑制Ni离子释放，从而保证使用的安全性，进一步改善生物相容性。采用体外试验评价改性后多孔NiTi合金的生物相容性，建立显微组织结构与生物相容性的关系，为多孔NiTi合金的临床试验和使用提供基础性数据。

为解决金属植入材料弹性模量高，易出现“应力遮挡”问题，本项目采用节能高效的微波烧结技术制备了多孔NiTi合金。实验结果表明微波烧结制备的多孔NiTi合金，其孔隙率、平均孔径、抗压强度、弹性模量、抗弯强度、洛氏硬度可通过调整造孔剂碳酸氢铵的含量和粒径进行调控，分别为20~60%，20~300μm，70~950MPa，1~10GPa，75~350MPa，19~66HRB，非常适合作为人体骨组织的替换材料；随着造孔剂含量的增加，多孔NiTi合金的孔隙率和孔径随之增加，而力学性能随着降低；随着造孔剂粒径的增加，力学性能呈现“S”型变化；多孔NiTi合金的超弹性可达5%，且具有部分的形状记忆效应，相变温度受孔隙率和孔径影响不大；综合多孔NiTi合金的显微结构和力学性能，确定本项目的最佳微波烧结工艺为烧结温度1000℃，保温时间15min，压坯压力260MPa，原始粉料选择2μm的羰基镍粉和10μm的钛粉。. 为了解决多孔NiTi合金耐蚀性下降的问题，本项目采用微弧氧化技术对多孔NiTi合金进行了表面改性。实验结果表明，多孔NiTi合金经微弧氧化处理后，可在表面和孔内表面形成较为均匀的氧化铝涂层。该氧化铝涂层呈现出典型的微弧氧化粗糙多孔形貌(微观)，但对多孔NiTi合金原有的多孔结构(宏观)无明显影响。经微弧氧化处理后，多孔NiTi合金的耐蚀性提高了一个数量级，而Ni离子释放量降低了近一个数量级。粗糙多孔的氧化铝涂层有效的提高了NiTi合金的血液相容性，还有利于成骨细胞的附着，铺展和增殖，呈现出良好的生物相容性。. 经过对多孔NiTi合金微波烧结的机理探讨发现原始粉末尺寸和粉末间隙小，有利于压坯微波烧结过程中的合金化和元素扩散；压坯内部的电弧放电和涡流损耗是压坯在微波场中的烧结的主要机理。NiTi合金微弧氧化处理初期并不能通过阳极氧化形成绝缘膜，只能通过电解液中的铝酸根离子在NiTi阳极试样表面沉积形成Al2O3绝缘膜，为后续的电击穿、等离子体放电创造条件，而击穿后的微弧放电和涂层形成过程与阀金属类似。