[科普中国]-钙镁橄榄石

简介

等离子喷涂金属基/轻基磷灰石涂层(HA)由于优异的生物学性能和良好的力学性能，已作为人工髓关节、种植牙等广泛应用于临床。但是由于轻基磷灰石在喷涂过程易发生热分解现象，降低了涂层的结晶度和稳定性，另外HA涂层与钦合金热膨胀系数的不匹配也会导致结合强度下降。为解决此问题，人们尝试着寻找新的替代涂层。

生物玻璃、玻璃陶瓷和磷酸钙陶瓷具有优良的生物活性，但由于其脆性限制了其在承载骨替换方面的应用。采用涂层技术，在金属基体的表面制备涂层，将金属材料的优良力学性能与陶瓷材料的生物活性相结合，是应用这些材料的一个有效途径。在众多涂层技术与涂层材料中，等离子喷涂HA陶瓷，是最为常用和广为研究的方法。尽管生物玻璃与玻璃陶瓷较HA具有更高的生物活性，但采用等离子喷涂工艺制备生物玻璃与玻璃陶瓷涂层的研究相对较少。

钙镁橄榄石具有热稳定好等优点，可成为一种优良的替代涂层。以钙镁橄榄石粉为原料，采用大气等离子喷涂技术在钦合金Ti-6A1-4V上喷制了钙镁橄榄石涂层，测定并研究了涂层的组织结构、热膨胀系数及结合强度和涂层生物活性，期望制备出生物相容性和机械稳定性好的生物材料1。

分类橄榄石有好几种，如铁橄榄石、锰橄榄石、钙镁橄榄石、硅镁石等等。品种不一样，它们的颜色也不一样，有绿色到柠檬黄色，有褐黑色、茶色、红色甚至无色等等。但它们都具有玻璃光泽或松脂光泽。橄榄石是岩浆成为岩石后形成的第一代矿物，所以科学家可以用它来研究当初岩浆的成分。橄榄石喜欢高温环境，在低温时如果遇到水，它们就立即就会变成蛇纹石、绿泥石、磁铁矿或滑石了。橄榄石能经受1500摄氏度高温，可以当作耐火材料。透明的橄榄石叫黄电气石，是可以当作宝石的2。

钙镁橄榄石等离子涂层喷涂前钙镁橄榄石原料颗粒呈球形。通过粒度分析仪测定可知钙镁橄榄石粉体的粒度分布在10-120μm之间，粒度范围较窄，平均粒径为60μm。涂层的表面分布着大小不等的微小气孔和颗粒，其中扁平状颗粒相互连接，部分球形颗粒或被扁平颗粒包裹，或豁附在扁平颗粒表面，整个涂层表面呈现粗糙、多孔的结构特征。钙镁橄榄石原料粉末主要由钙镁橄榄石相组成。与原始粉料相比，涂层的主要相结构仍是钙镁橄榄石，但存在大量的玻璃相，这主要是等离子喷涂过程中，粉末被高温等离子焰加热融化，然后以300m/s-1的速度喷向基底材料，大量的熔融粒子来不及析晶所致。

作为植入体使用的涂层应有较高的结晶度和稳定性。非晶相的弹性模量较结晶相低，会溶入体液，对植入体的持久性产生不良影响。在喷涂工艺参数一定的条件下，要提高涂层的结晶度可采取后热处理工艺。本实验通过对涂层进行热处理考察热处理温度对孔隙率、结合强度、涂层显微组织及结晶度的影响。

热处理能明显降低涂层的空隙率，且随着热处理温度升高，孔隙率逐渐下降，当热处理温度达到700℃时，空隙率达到最小值，当热处理温度继续升高时，涂层的孔隙率反而逐渐增大。热处理后，涂层的结合强度显著提高，且随着热处理温度的升高，涂层与基体的结合强度逐渐增大，当热处理温度到700℃时，结合强度达到最大值37MPa，当热处理温度超过700℃时，结合强度反而降低。涂层的孔隙率是影响结合强度的一个重要因素，随着孔隙率的降低，涂层的结合强度增加，热处理温度为700℃时，孔隙率达到最小值，对应的涂层结合强度达到了最大值。

钙镁橄榄石涂层在700℃下热处理前后的X射线与热处理前相比热处理后涂层的结晶度明显提高，玻璃相基本消失。钙镁橄榄石等离子涂层在700℃下热处理后涂层表面及横截面的扫描电镜照片。可见涂层与基体之间没有明显缺陷，与热处理前相比，涂层更为致密，孔隙与裂纹很少，组织比较均匀，因而涂层与基体结合紧密。EDS结果表明涂层中的钙、硅等元素向基材中扩散，而基材中的钦元素也向涂层扩散。这种致密结构，可有效阻止生物液体向基体渗透，从而提高涂层的生物稳定性3。

总结在大气等离子喷涂条件下制备了的钙镁橄榄石玻璃陶瓷涂层，经过热处理可提高涂层的结晶度，涂层变得致密，孔隙减少，结合强度增大，其中在700℃下热处理后，涂层具有最高的结合强度，达到37MPa，且热膨胀系数同钦合金接近。该涂层在模拟体液中浸泡后涂层表面明显有轻基磷灰石形成，体外细胞共培养试验表明涂层材料无细胞毒性且具有良好的细胞贴壁作用，生物活性高，这对加快植入体的早期稳定，缩短手术后愈合期有重要意义2。