研究簡報

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研究簡報

鈦植入物的表面處理對創(chuàng)傷治愈和骨形成的促進作用

鈦植入物的表面改性必須能促進細胞增殖和分化，同時能防止感染、促進治愈并能夠使植入物與骨快速結(jié)合，另外對于承擔(dān)咬合力的植入物，還必須考慮周圍再生骨組織的力學(xué)特性。以下概述這方面的最新研究報告。

對于牙科植入物來說，加快與骨的結(jié)合、縮短功能恢復(fù)時間對患者是很重要的。近年通過表面細微結(jié)構(gòu)對鈦表面進行粗化以及伴隨電化學(xué)處理的表面化學(xué)構(gòu)造改變等對提高與骨的結(jié)合性有利，取得了臨床的實際證明。在鈦表面用親水性官能團修飾，使其易吸附細胞結(jié)合性蛋白質(zhì)及體液中的無機離子，提高了形成骨頭的骨芽細胞的附著力，從而促進了與骨的結(jié)合。表面形態(tài)隨加工尺度的不同具有不同的效果，粗化對再生骨的物理嵌合力是重要的，但也有微尺度表面結(jié)構(gòu)可誘導(dǎo)骨芽細胞分化的報告。

在牙科植入物治療中，手術(shù)后的細菌感染不僅會延長治愈時間，而且可能有植入失敗的風(fēng)險，因此希望植入物表面對口腔細菌具有抗菌性。可通過導(dǎo)入抗菌物質(zhì)到鈦表面，如用在氯化鈉溶液中陽極氧化的方法使鈦表面形成陽極氧化膜的同時，析出三氯化鈦結(jié)晶，其與體液接觸會放出次氯酸和亞氯酸，對口腔細菌具有強力的殺滅作用。

鈦表面涂覆羥基磷灰石可大大提高植入物的骨結(jié)合性能，但在植入后，其長期效果就很難保證，由于這種涂層較脆，且與基體的結(jié)合力差，會導(dǎo)致涂層剝離，使植入物長期生存率低，這在牙科植入物中尤為顯著，牙周炎發(fā)病率明顯多于沒有涂層的鈦植入物。研究了鈦在模擬體液中的放電處理，不僅提高了與納米羥基磷灰石的結(jié)合力，而且具有氧化鈦膜這種親水官能基團，帶負(fù)電荷，可以抑制口腔細胞(表面帶負(fù)電荷)的附著，從而產(chǎn)生抗菌效果。

由于氧化應(yīng)激性的影響，導(dǎo)致植入物埋入治愈的血管內(nèi)皮細胞、牙肉上皮基底細胞及巨噬細胞的再生能力下降。為此，要進行表面改性，增加對附著細胞的氧供給。為此研究了在磷酸二氫鈉溶液中鈦的放電陽極氧化處理，所獲氧化膜提高了溶存氧的經(jīng)時濃度，可抑制細胞的氧化應(yīng)激性反應(yīng)。

牙科植入物不但要求盡早與骨結(jié)合，而且要求能長期維持與周圍骨適應(yīng)的物理性能，因此要求再生骨具有良好的力學(xué)性能。如研究了在磷酸二氫鈉溶液中的放電陽極氧化處理，表面生成非晶二氧化鈦，在體液中可產(chǎn)生親水性官能基，促進骨芽細胞的結(jié)合和分化，在鈦表面形成石灰化組織，可提高骨組織的力學(xué)性能。

今后要在以往植入物生物適應(yīng)性評價基礎(chǔ)上，進一步探討再生骨組織的骨質(zhì)及力學(xué)性能的評價方法，以及高預(yù)見性的模擬技術(shù)。

吳全興譯自《チタン》

Ti-17合金的高壓水噴射輔助切削及刀具磨損分析

法國學(xué)者Ayed Y等人使用無涂層的WC/Co刀具，分別對是否使用高壓水噴射輔助裝置(HPWJA)的Ti-17合金(Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr)的機加工能力進行了研究，研究了不同切削速度和噴射壓力對刀具磨損以及切削力的影響。

首先對不同切削速度進行了測試，確定了最小切削速度為50 m/min。之后研究了不同切削速度和不同噴射壓力對刀具磨損的影響。實驗選取的切削速度為50、61、75、81、88、100 m/min，噴射壓力為0(傳統(tǒng)潤滑)、5、10、15、20、25 MPa。

在切削速度為50 m/min，噴射壓力為0、10、25 MPa，切削時間為30 min時，后刀面磨損量均不超過0.26 mm。在HPWJA作用下，粘附層(WC/Co)減少，導(dǎo)致磨損坑加深；因傳統(tǒng)潤滑比HPWJA具有更高的切削溫度和摩擦系數(shù)，故磨損率更高；此外，切削碎屑和刀具間的擴散作用會形成積屑瘤。

在切削速度為75 m/min時，傳統(tǒng)潤滑下，刀具的壽命不超過3 min，而在HPWJA下，10 MPa是最佳的噴射壓力，此時刀具壽命可比傳統(tǒng)潤滑提高8倍，而當(dāng)噴射壓力超過10 MPa時，刀具壽命會隨之減少，且工件的表面由于切削碎片的作用會被劃傷。

在切削速度為88 m/min時，傳統(tǒng)潤滑下，Ti-17合金是不可機加工的(刀具的壽命是1 min)；然而在高壓潤滑下，刀具的壽命增加到9 min；這個切削速度下也觀察到了工件表面的劃傷和積屑瘤，而積屑瘤是由于切削碎片在工件與刀刃之間來回“穿梭”而被焊合在刀刃上的。

在切削速度為100 m/min時，即使在HPWJA下，刀具的壽命也不超過4.5 min，而在傳統(tǒng)潤滑下，刀具壽命僅為幾秒鐘。

另外，作者認(rèn)為切削速度增加，刀具壽命會降低，切削產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)導(dǎo)致了刀具的磨損。相比常規(guī)潤滑，HPWJA能夠極大地增加刀具的壽命，但當(dāng)切削速度達到一定值時，HPWJA的作用會被削弱。最后，作者在61、81 m/min的切削速度下進行了實驗，來測定刀具壽命為15 min(工業(yè)常用值)時的最大切削速度，發(fā)現(xiàn)在HPWJA下，切削速度能提高30%。此外，軸向力的變化是隨刀具磨損而變化的，軸向力為600 N時是刀具磨損0.3 mm的標(biāo)志。

石瑾譯自《Precision Engineering》

多孔鈦的氟腐蝕與氣孔率關(guān)系

在研究多孔鈦用作牙科植入材料時，必須探討其在口腔環(huán)境下的耐蝕性。氟常作為防止齲齒的元素而用于牙面涂敷材料、牙磨粉等，因此有必要研究多孔鈦的氣孔率與氟腐蝕的關(guān)系。

日本學(xué)者坂本裕紀(jì)采用了45、100～125、250 μm 3種不同粒徑的純鈦球形粉末，用放電燒結(jié)法制成了多孔鈦試樣，經(jīng)超聲波清洗后進行浸漬試驗，浸漬溶液為2%氟化鈉(NaF)溶液中加1.7%磷酸(H3PO4)并調(diào)整pH值至5.0的水溶液。在37 ℃的恒溫槽中保持4周時間，每3天換一次溶液，每隔1周進行表面觀察和質(zhì)量稱量，并進行了浸漬前后力學(xué)性能的測試，以及浸漬后的表面XRD分析。

首先通過質(zhì)量、表觀體積及鈦的密度計算得到3種不同粒徑粉末制得的多孔燒結(jié)試樣的氣孔率，分別為22.9%、27.4%、28.0%。浸漬后測得的質(zhì)量變化表明，各試樣在浸漬至2周時質(zhì)量增加，而后質(zhì)量又減少，其中45 μm的試樣質(zhì)量增加最少，而100～125 μm及250 μm的試樣質(zhì)量增加顯著。掃描電鏡觀察表明，試樣經(jīng)浸漬后表面均被析出物覆蓋，第1周析出物特別明顯，第4周試樣失去了光澤，表明試樣受到氟化物的顯著腐蝕，并且變色。力學(xué)性能測試表明，浸漬前后試樣壓縮強度的變化不大，均與人骨相近，但彈性模量比人骨低，今后要通過改進燒結(jié)條件加以提高。XRD分析表明，浸漬后的試樣表面存在含氟的衍射峰，可能是腐蝕產(chǎn)物Na3TiF6。

根據(jù)以上結(jié)果分析了腐蝕與氣孔率的關(guān)系。粉末粒徑小，比表面積大，浸漬時與液體的接觸面積大，因此在理論上45 μm的試樣應(yīng)最易被腐蝕，但試驗結(jié)果卻相反。這是由于45 μm的試樣氣孔率小，阻礙了溶液的侵入，從而使腐蝕析出物減少。因此表面積和氣孔率要同時考慮才能使多孔鈦的腐蝕降至最低，今后需要更深入的研究。

吳全興譯自《チタン》

Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si合金中溫變形行為的研究

Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si(也稱BT3-1)是一種在汽輪機葉片領(lǐng)域比較常用的兩相鈦合金。大多數(shù)研究都是針對其800 ℃以上的變形行為，而服役溫度600 ℃以下的變形行為卻幾乎沒有被討論過。我們必須注意到800 ℃以上的高溫變形行為在很多方面完全不同于600 ℃以下的中溫變形行為，比如相轉(zhuǎn)變不會再發(fā)生以及變形條件將變得更加嚴(yán)苛。所以，之前關(guān)于該合金高溫變形行為的研究對于中溫變形機制的研究沒有多少幫助。

伊朗德黑蘭大學(xué)Ghasemi E等人研究了BT3-1鈦合金在中溫變形過程中的微觀組織演變和流變行為。為了得到流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線、微觀組織和斷裂表面的變化規(guī)律，拉伸和壓縮實驗在100～600 ℃的溫度范圍內(nèi)進行。

研究結(jié)果表明：溫度低于400 ℃時，由于滑移系有限，材料加工性能比較差。然而，隨著溫度升高，三角滑移系被激活，材料的成形性能大幅度提高；絕熱效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)變速率敏感性指數(shù)呈現(xiàn)負(fù)數(shù)以及出現(xiàn)絕熱剪切帶；100～400 ℃的中溫拉伸變形引起α相晶粒球化，并且隨著溫度升高，球化趨勢更加顯著。

孫花梅譯自《Materials Science and Engineering A》