热处理对等离子喷涂梯度羟基磷灰石/钛涂层微观结构与力学性能的影响机制研究

针对牙科/骨科植入物界面结合强度不足和长期稳定性差的问题，研究人员通过等离子喷涂技术构建羟基磷灰石(HA)/钛(Ti)功能梯度涂层(FGC)，结合650℃热处理使结晶度提升25%、结合强度提高13%，SEM/XRD证实其显著改善微观结构完整性和机械性能，为植入体表面工程提供创新解决方案。

　　

随着人口老龄化和运动损伤增加，牙科和骨科植入物需求激增，但传统金属植入物存在致命缺陷——表面氧化层导致细胞附着率低，长期易发生松动失效。更棘手的是，当前主流的羟基磷灰石(HA)涂层虽能改善生物相容性，却因脆性大、热稳定性差，在体内易出现分层脱落。如何平衡"生物活性"与"机械强度"，成为困扰植入物领域的"鱼与熊掌"难题。

Sharif University of Technology的研究团队独辟蹊径，在《Surface and Coatings Technology》发表突破性成果。他们采用等离子喷涂技术，创新设计出五层梯度结构的HA/Ti功能梯度涂层(FGC)：从100%钛底层逐步过渡到100%HA表层，通过650℃×4h热处理实现"双增强"——结晶度提升25%的同时，结合强度提高13%。这种"刚柔并济"的设计，既保留HA促进骨整合的优势，又通过钛梯度缓解热膨胀系数(CTE)失配，堪称植入物涂层的"黄金比例"。

研究采用三大关键技术：等离子喷涂构建厚度250μm的梯度涂层、X射线衍射(XRD)分析相变、扫描电镜(SEM)结合能谱(EDS)表征微观结构。通过对比热处理前后样品，发现梯度设计使孔隙率从16%降至13.5%，裂纹扩展得到显著抑制。

【Raw materials and materials processing】
采用60±10μm医用级HA粉末和60±15μm钛粉，通过等离子喷涂在钛基体上逐层构建100%Ti→75%Ti→50%Ti→25%Ti→100%HA的梯度结构，热处理制度为5℃/min升温至650℃保温4h。

【Scanning electron microscopy (SEM) –energy dispersive spectroscopy (EDS)】
截面SEM显示涂层厚度200-270μm，钛过渡层形成机械互锁结构，热处理后HA层出现纳米晶粒，EDS证实元素梯度分布符合设计。

【Conclusions】
该研究突破性地证明：功能梯度设计使HA/Ti涂层的杨氏模量和硬度显著提升，热处理诱导的纳米晶粒重组是性能增强的关键。这种"金属-陶瓷"梯度结构为解决植入物"生物-机械"性能矛盾提供了新范式，其4小时热处理工艺更具产业化推广价值。

这项研究的深远意义在于：首次系统阐明HA/Ti梯度涂层经热处理后的构效关系，为开发下一代长效植入物奠定理论基础。相比传统HA单层涂层，该设计将临床预期寿命提升30%以上，堪称再生医学与材料科学的完美联姻。