[发明专利]Nd-YAG激光熔覆厚度可调的类骨结构生物陶瓷复合涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物陶瓷材料领域，尤其是涉及一种Nd-YAG激光熔覆厚度可调的类骨结构生物陶瓷复合涂层的方法。

背景技术

70年代以来问世的羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, HAP）医用生物陶瓷是目前前国内外正在蓬勃发展的生物材料。由HAP微晶陶瓷制备的植入材料能与人体自然骨很好的结合，是已发现的生物相容性最好的生物陶瓷材料。磷酸钙基的生物陶瓷在目前临床应用中应用最为广泛，其主要产品为HAP、磷酸三钙(Ca₃(PO₄)₂, TCP)、焦磷酸钙(β-Ca₂P₂O₇, β-TTCP)等。磷酸三钙、焦磷酸钙具有良好的骨诱导能力，是一种理想的可降解生物陶瓷材料，其成骨性能等生理功能非常接近HAP。由HAP与可降解生物陶瓷组成的复合材料的综合生理性能将优于单一的HAP生物陶瓷。目前临床应用时，是将该生物陶瓷材料利用等离子喷涂的方法将其喷涂在金属基体上形成涂层。临床使用发现，等离子喷涂法制备的生物陶瓷涂层的主要缺点为：１、涂层的组织与结晶度不均匀，这将减小涂层的生物相容性与稳定性；2、涂层与基体的粘结强度较差，使得涂层在临床应用中出现剥落。

针对羟基磷灰石生物陶瓷涂层及等离子喷涂工艺仍然存在的上述问题，用激光熔覆工艺制备含HAP的钙磷基生物活性陶瓷涂层近年得到了发展。传统的激光熔覆制备工艺中使用CO₂激光器，以添加稀土的                                                与CaCO₃的混合粉末为原材料能在熔覆层中得到包含HAP成分的生物陶瓷复合涂层。值得注意的是由于CO₂激光由于自身的波长吸收特性，CO₂激光熔覆不添加稀土成分的与CaCO₃ 成分时无法得到生物陶瓷涂层。Nd : YAG固体激光器的波长为1.064μm，与CO₂气体激光器（波长为10.64μm）相比，它输出的波长较短。但是对于金属材料而言，激光波长越短，吸收系数越大(图中a与b处)，但是对陶瓷与玻璃材料而言(图中A与B处),情况正好相反，如图1所示，所以 ⑴ 当CO₂激光熔覆与CaCO₃混合粉末制备生物陶瓷涂层时，混合粉末对CO₂激光的吸收率将远远高于金属基体，原材料发生烧蚀或分解，降低涂层中HAP的生成含量，同时制备出的HAP成分容易发生分解，所得HAP的含量降低；与之相反，Nd-YAG激光熔覆混合粉末时，金属基体对Nd-YAG激光的吸收率将远远高于混合粉末。⑵ 能量传递方式：Nd-YAG激光熔覆过程中，混合粉末合成生物陶瓷的能量来自吸收Nd-YAG激光束能量而熔化的金属基体，这为激光熔覆过程中HAP的存在提供了加工与热力学条件。

经文献检索发现，中国专利申请号：200510030117.5，名称：激光熔覆原位合成制备生物陶瓷复合涂层的方法，该专利涉及Nd-YAG激光熔覆生物陶瓷复合涂层的制备工艺，其涉及的复合生物陶瓷涂层材料主要由HAP 与β-Ca₂P₂O₇组成，但是该专利涉及的复合生物陶瓷涂层由于原材料中没有添加稀土成分, 进而该专利涉及的复合生物陶瓷涂层原材料中不存在稀土成分。激光熔覆过程中原材料中稀土的添加, 能催化HAP 等钙磷基生物陶瓷相的形成并可抑制其分解, 提高HAP 相结构的稳定性。此外稀土在激光涂覆生物陶瓷涂层中, 少量分布于晶内, 大部分分布在局部晶粒间。稀土的掺杂, 促进晶粒细化, 具有自然骨组织晶粒的不规则性和纤维组织等特征。Nd-YAG激光熔覆过程中，激光工艺参数与原材料成分相同情况下，添加稀土的生物陶瓷涂层比未添加稀土的生物陶瓷涂层的晶粒度降低5-10倍，组织具有类骨组织的不规则性和纤维组织等特征，结合强度提高30%-50%，物相组成中羟基磷灰石的含量提高10-30%，并且合成羟基磷灰石的工艺参数范围扩大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有CO₂激光熔覆制备生物陶瓷涂层的不足，提供一种以添加了稀土成分的与CaCO₃的混合粉末为原材料制作涂层厚度可调的具有类骨组织结构的复合生物陶瓷涂层的Nd-YAG激光熔覆制备方法。