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医用钛合金材料表面改性

摘要:金属材料是生物医学材料中应用最早的。由金属具有较高的强度和韧性,适用于修复或换人体的硬组织,早在一百多年前人们就已用贵金属镶牙。随着抗腐蚀性强的不锈钢、弹性模量与骨组织接近铜铁合金,以及记忆合金材料、复合材料等新型生物医学金属材料的不断出现,其应用范围也在扩大。

关键词:钛合金材料,表面涂层处理,表面改性

(一)医用金属与合金表面涂层处理 

金属及其合金在生物体内的生物活性、磨损、腐蚀问题尚未解决,需对其表面进行改性。表面改性不仅要抑制有害金属离子的溶出,而且要促进组织的再生和加强材料与组织结合。

生物钛合金材料的表面改性技术主要可以分为:

(1)物理化学方法(2)形态学方法(3)生物化学方法。

1 物理化学方法——改善金属生物材料表面性能的主要方法

(1)热喷涂

热喷涂是利用一种热源的火焰将粉末状的金属或非金属喷涂材料加热熔融并软化,并用热源自身的动力或外加高速气流雾化,使喷涂材料的液滴以一定的速度喷向经过预处理干净的基体表面,依靠喷涂材料的物理变化和化学反应,与基体形成结合层的工艺方法。可分为电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂等。

(2)脉冲激光融敷 

是在低输出功率、高扫描速速的脉冲激光照射下,将涂敷材料融敷在基体表面的方法 。

(3)离子溅射 

离子溅射以高速离子轰击靶材,使涂敷材料粉粒溅射并沉积在金属基体 

(4)喷砂法 

用喷砂机将涂敷材料粉末直接高速喷出镶入基体表面。 

(5)电化学法 

电化学法是用电化学的方法,通过调节电解液的浓度、PH值、反应温度,电场强度,电流等来控制反应的制备方法。 

(6)离子注入法 

离子注入改性是将所需的元素在离子气化室中进行气化,通过高频放电使其离子化,以外加电场导出、聚束和加速,使其形成高能细小的离子束而打入作为靶的固体材料表面,从而达到改变材料表层性能的方法。非热平衡过程,不受冶金学规律的限制,可以将任何元素原子加速注入粉盒材料之中;离子注入过程是低温过程,不会引发金属靶材料内部结构、成分和外部形状的变化;同时离子注入技术又是一种高度可控技术,通过控制注入能量与注入剂量可以准确控制靶材料的注入浓度、梯度和注入深度。

2 形态学方法:

在不改变金属基体表层的化学组成的情况下,将其直接植入生物体内,从而达到对生物体组织在其上的粘附、生长以及粘附强度产生重要影响。此方法并不在基体表面产生强化层或附加涂层,而是通过改善植入体的表面微观形貌来获得最好的植入效果。  形态学表面改性工艺在提高结合强度的同时,一般不会减损材料的生物相容性,是一种比较简单有效的表面改性方法。其具体方法有:等离子喷刷、超音振荡、激光束点融以及电化学晶界腐蚀等。 

3 生物化学方法

将大分子蛋白质或酶等有机高分子物质引入基体表面,使其具有更优良的生物活性,因而具有更直接、更有效的特点。这样的材料可以促进植入处伤口的愈合,加速植入体与周围组织的结合,同时也可以提高植入体的安全性和使用寿命。 

大多数金属表面存在一层氧化膜,一定条件下会与[H] 或H+作用,形成附于基体表面的-OH 羟基。在这种情况下用 (APS) 对基体进行硅烷化处理,再通过戊二酸醛的作用将一些蛋白质或酶的分子如胰蛋白酶,以化学键联接在基体表面上。此方法是由美国科学家David. A. Puleo 提出,它可以将活的生物分子固定在无机、非孔状、非松散生物材料的表面,从而使材料表面活性大大提高。

(二)提高钛金属表面改性

1提高生物活性的钛合金表面改性

为了改善医用钛合金的生物活性,提高其血液相容性,通常是在钛合金表面制备一层生物活性陶瓷涂层。目前,生物陶瓷涂层制备方法主要有:等离子喷涂法、电泳沉积法、离子束溅射法、浸渍涂层法、 射频磁控溅射法、离子束动态混合法、激发物激光沉积法、溶胶-凝胶法、仿生溶液生长法、整合-烧结法和浸涂-烧结法等。 

2提高耐磨损性能的钛合金表面改性

钛合金植入件应当具备良好的耐磨性,不会因经常磨损而产生假体松。目前应用的医用钛合金虽然具有优良的耐蚀性和比强度,但耐磨性较差,为了提高钛合金的耐磨损性能,通常是利用表面处理工艺在钛合金表面形成一层耐磨涂层。,常用的耐磨表面涂层有类金刚石碳(DLC)膜、氮化钛(TiN)涂层等。 

(1) 类金刚石涂层 

类金刚石碳膜具有先进的化学、电子、光学和力学等方面的诸多优异性能,如极高的硬度、化学惰性、低摩擦系数、高阻抗、良好的热传导性和优良的光学透过性等,因而可以广泛用作医用矫形体的耐磨保护层。 

(2) TiN涂层 

 TiN具有高硬度、优良的摩擦磨损性能、良好的化学惰性、独特的颜色,这些非凡的特点使其在耐磨和耐腐蚀的表面涂层有广泛的应用。此外由于其生物相容性已得到了医学界的承认,从而也为其在临床医学领域的应用奠定了一定的基础。 

3提高耐腐蚀性能的钛合金表面改性

腐蚀的机理 

本质上是电化学腐蚀。 其腐蚀原理与原电池的工作原理相类似 

腐蚀分类:(1) 全面腐蚀 (2)局部腐蚀: ① 点蚀;② 晶间腐蚀;③ 缝隙腐蚀 (3) 磨蚀(4) 应力腐蚀(5) 疲劳腐蚀(6) 电偶腐蚀

提高金属的抗腐蚀性能的途径:(1)在材料表面形成保护层-生物陶瓷 (2)提高材料表面光洁度 

钛合金生物材料的展望

随着人民生活水平的提高及对健康的更高要求,对生物医用材料的需求量正在迅速地增长。尽管近年来人们运用表面工程的方法对提高医用钛合金材料的性能(生物活性和相容性、耐磨耐蚀 性)开展了大量的工作并取得进展,但涂层与钛合金基体的界面结合强度较低仍是困扰钛合金植入体临床应用的瓶颈问题。 

因此从仿生原理、组织工程原理、基质控制矿化的思路出发,兼顾涂层的高耐磨性、优良的耐蚀性和生物相容性,研究适合钛合金特性 的多功能表面涂层体系,运用新的涂层形成原理开发涂层制备新工艺是今后医用钛合金表面改性的一个重要发展方向。 

(文章来自于网络,版权归原作者所有)


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