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羟基磷灰石(HA)/钛(Ti)金属生物陶瓷涂层综合了HA优异的生物活性与Ti金属良好的力学性能,已成为一类重要的人工骨植入材料。但在应用中存在着界面结合强度不高、HA从基体中脱落的问题。针对上述问题,论文基于有限元分析,模拟涂层应力场变化,优化涂层的结构设计,采用激光熔覆法制备HA/Ti梯度生物涂层,分析梯度涂层的形貌、结构和成分,测定其阻抗性和界面力学性能,以期提高涂层与基体间的界面结合强度,并保障其生物相容性。利用有限元软件ADINA模拟涂层应力场分布,对HA/Ti涂层的层次结构进行设计,包括涂层的厚度、成分梯度等,以便得到性能连续变化的生物梯度涂层,缓和涂层内部及界面处的残余应力。结果表明,在厚度相同条件下,从单层纯HA涂层,至双层、多层梯度涂层界面区域应力值变化越来越缓,涂层应力值随层数的增加而降低,与纯HA涂层相比,HA/HT/T梯度涂层应力与表面应力分别降低了59 MPa和84.2 MPa;而在相同梯度涂层中,涂层内部应力及表面应力随涂层厚度的增加而增加。实验优选了梯度涂层(HA/HT/T涂层)的设计方案,由表面到基底层的成分依次为:HA、50 wt%TiO2加50 wt%HA、TiO2。根据有限元模拟优化后的梯度涂层设计结果,利用激光熔覆技术,分别通过预置涂层和同轴送粉两种涂覆方式,基于基体预处理—激光熔覆—后处理三步工艺,制备了纯HA涂层、HA/TiO2涂层及HA/HT/T梯度涂层,摸索出了适宜的工艺参数;采用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD),X射线能谱仪(EDS),X射线光电子能谱(XPS)、金相分析、电化学交流阻抗、粘结拉伸试验等手段对不同结构HA涂层的微观形貌、元素成分、界面结构、电化学阻抗、界面结合强度等性能进行了分析。-与预置涂层法相比较,同轴送粉法更适用于制备HA/Ti涂层,同轴送粉法制备的各熔覆层之间存在原子互扩散的冶金结合,涂层厚度均匀可控,其中制备的HA/HT/T梯度涂层,由底层至表层实现了从致密到疏松的结构过渡,具有梯度结构特点;各区域内电化学性质稳定,Ca/P比值与HA的Ca/P比值接近,相比之下预置涂层法制备的三种涂层Ca/P比值过高且均匀性较差。粘结拉伸试验实验结果表明,从纯HA涂层到HA/HT/T梯度涂层界面结合强度呈递增趋势,梯度涂层结构可有效改善热膨胀系数失配、降低残余应力,提高界面结合强度,与有限元模拟结果相一致。分别设计了涂层与模拟体液(SBF)相互作用实验、涂层与小鼠成纤维细胞毒性实验研究涂层的生物相容性。涂层与模拟体液相互作用后表面形貌更加有序,形成规则的绒毛状或支化状突起,并均有类骨磷灰石生成,表明模拟体液与涂层之间进行了矿化重整,作用前后的Ca/P比值并未下降,还有升高的趋势,说明涂层与模拟体液的相容性良好。进一步的细胞毒性试验结果表明,在HA/HT/T涂层环境中,小鼠成纤维细胞的贴附、增殖能够正常进行,HA/HT/T涂层对细胞增殖无不利影响,上述两类试验均肯定了HA/HT/T涂层材料良好的生物相容性。