本研究由西北工业大学凝固技术国家重点实验室的Guangrao Fan、Jun Zhang*、Zhonglin Shen、Dong Dong和Haijun Su**团队完成，研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》2022年第18卷（2842-2852页）。论文标题为《Integrated processing of Al2O3/ZrO2 eutectic implants with bioactive Ca-P coatings by laser cladding》，聚焦于通过激光熔覆技术（laser cladding）在Al2O3/ZrO2共晶陶瓷表面制备生物活性钙磷（Ca-P）涂层的创新方法。

学术背景

Al2O3/ZrO2复合材料因其优异的机械性能和生物相容性，被广泛应用于骨科和牙科修复领域。然而，这类材料作为生物惰性陶瓷（bioinert ceramics），无法与活体骨直接结合，可能导致植入体松动甚至脱落。为提高其生物活性，研究者常在其表面沉积钙磷（Ca-P）涂层，其中羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）因其与骨组织无机成分相似的化学组成和晶体结构成为首选材料。但传统涂层制备方法（如溶胶-凝胶法、等离子电解氧化等）存在机械性能差、工艺复杂等问题。激光熔覆技术因其高效、可控性强和冶金结合（metallurgical bonding）特性成为潜在解决方案。本研究旨在通过优化激光参数，在Al2O3/ZrO2共晶基底上制备兼具高生物活性和强结合力的Ca-P涂层。

研究流程

1. 材料制备与预处理

   • 使用高纯度α-Al2O3（>99.99%）和3Y-TZP（>99.99%）粉末，按共晶摩尔比（63.2:36.8）湿法球磨混合，经模压（90 MPa）和无压烧结（1673 K，2 h）制备前驱体。
     
   • 采用脉冲CO2激光器（Rofin OEM-60，波长10.6 μm）在氮气环境中进行激光熔覆。首先熔覆前驱体制备Al2O3/ZrO2共晶基底，随后在其表面预置200 μm厚HA粉末层，分三层熔覆。

2. 参数优化与表征

   • 激光功率（50-70 W）、扫描速率（50-70 mm/s）和光斑直径（500 μm）通过激光能量密度（LED）公式调控（公式1）。
     
   • 使用X射线衍射（XRD, Co Kα辐射）分析涂层相组成，扫描电镜（SEM）观察表面形貌和截面微观结构，能谱仪（EDS）分析元素分布，纳米压痕仪测试硬度和弹性模量。
     
   • 通过Abaqus软件模拟熔池温度场，采用双椭球高斯热源模型（公式2-3）和三维瞬态热传导方程（公式4）验证实验参数。

3. 体外生物活性测试

   • 将涂层样品浸泡于模拟体液（simulated body fluid, SBF）中14天，通过SEM/EDS分析表面磷灰石沉积层的形貌和Ca/P比。

主要结果

1. 微观结构与相组成

   • Al2O3/ZrO2共晶基底呈现典型的胞状共晶组织（cellular eutectic），ZrO2 lamellae（灰色相）均匀分布于Al2O3基体（黑色相）中，共晶间距约210 nm（图1d）。
     
   • Ca-P涂层相组成复杂，含钙锆氧化物（Ca0.2Zr0.8O1.8）、磷酸铝（AlPO4）及多种Ca-P相（HA、Ca3(PO4)2、Ca2P2O7）。低激光功率（50 W）下Ca-P相含量最高（55.9%），而高功率（70 W）时因元素互扩散加剧，Ca-P相含量降至%（图5, 7）。

2. 力学性能与结合强度

   • 涂层硬度随激光功率增加而提升（50 W: 13.7±0.7 GPa；70 W: 17.5±0.7 GPa），高于纯HA块体（<0.35 GPa）和等离子喷涂HA涂层（1.47 GPa）（图8）。
     
   • 高功率（70 W）下涂层与基底实现冶金结合，结合强度达14.9±1.4 N，显著优于低功率（50 W）的3.5±1.1 N（图6b, 9）。

3. 生物活性表现

   • 50 W涂层在SBF中形成厚约1.71 Ca/P比的类骨磷灰石层（图10a），而70 W涂层仅生成少量絮状沉淀（图10c）。粗糙表面和富Ca区域（5.9±0.8 at.%）为磷灰石成核提供位点（图4a, 5）。

结论与价值

本研究通过激光熔覆技术成功在Al2O3/ZrO2共晶植入体表面制备了兼具高生物活性和强机械性能的Ca-P涂层。优化参数（50 W, 50 mm/s）下涂层的Ca-P相含量最高（55.9%），体外生物活性最佳；而高功率（70 W）则更利于提升结合强度。该技术为生物惰性陶瓷的活性化改性提供了新思路，有望应用于承重植入体的临床转化。

研究亮点

1. 创新方法：首次将激光熔覆技术应用于Al2O3/ZrO2共晶陶瓷的Ca-P涂层制备，克服了传统工艺的局限性。
   
2. 参数调控：揭示激光功率对涂层相组成、元素扩散和结合强度的梯度影响规律。
   
3. 多尺度表征：结合实验与模拟（温度场、元素分布）阐明涂层形成机制。
   
4. 应用潜力：涂层硬度（17.5 GPa）接近基底（Al2O3: 390 GPa, ZrO2: 220 GPa），满足承重要求。
   

其他发现

• 涂层中未检测到毒性CaO，生物安全性优于含CaO的同类涂层（如Behera等报道）。
  
• 孔隙结构（图6a1）可能促进细胞长入，加速骨整合（osseointegration）。