（应用化学专业论文）NiTi合金表面生物活性层的制备及性能研究.pdf

中文摘要 本文采用化学法对5 0 %原子比的n i t i 合金进行表面生物活性化处理， 在其 表面生成了以轻基磷灰石 h a ) 为主的生物活性层， 提高了n i t i 合金作为植入 体的生物相容性。 运用环境扫描电子显微镜( e s e m ) 、 电子探针( e d x s ) , x射线衍射( x r d ) 和x光电子能谱 ( x p s ) 等检测设备对n i t i 合金试样在活性化处理过程中的表 面形貌、成分以及表面生成的钙磷生物活性层的显微形貌、物相组成等进行了 分析研究， 在此基础上确定了化学法在n i r i 合金试样表面制备生物活性层的最 佳工艺，并讨论了 各工艺 过程的反应机理; 研究了 钙磷生 物活性层生长 机制、 厚度优化、与基体的结合机理及结合性能等性能特点;采用划痕试验检测了 钙 磷层与基体的结合性能，并采用平面显微压入试验推算了 两者的结合强度;采 用电化学试验, n i 离子溶出试验及细胞毒性试验检测了n i t i 合金表面生物活性 化后的生物相容性。 研究结果表明:n i t i 合金试样经过酸处理， 表面具备了一定的粗糙度，形 成了以t i 0 : 为主的致密的氧化膜: 碱处理在表面生成了n a 2 t i 伪活性晶 体: 预 钙化处理使钙、磷离子在试样表面形成局部过饱和;钙化处理5 天后试样表面 生成了致密、 均匀、由 刺球状颗粒组成的钙磷层， 该钙磷层以 轻基磷灰石为主， 具有生物活性，提高了n i t i 合金的生物相容性。 钙化处理时间控制在 5 - 7 天时，生成的钙磷层厚度为6 11 m左右，划痕试 验表明 钙磷层与基体结合性能良 好; 平面显微压入试验结果表明其结合强度为 6 2 1 .9 8 m p a 。 其结合机理为: 酸处理在试样表面形成t i 0 z , t i o过渡层， 在界 面间形成了横跨界面的连续原子结构的电子结构; 钙化处理时， 基体与钙化液 界面处发生进一步的化学反应，引入化学键联接， 使得钙磷层与基体之间结合 强度明显提高。 电化学试验及n i 离子溶出试验表明n i t i 合金在表面活性化处理后耐蚀性 能大大提高; 细胞毒性试验表明活性化处理后的n i t i 合金试样细胞毒性不明显， 生物相容性良好。 关键词: n i t i 合金，化学法处理，生物活性化，轻基磷灰石，生物相容性 a b s t r a c t a s i m p l e a n d e ff e c t i v e c h e m i c a l m e t h o d w a s d e v e l o p e d f o r i n d u c i n g b i o a c t i v i ty o n n i t i a l l o y ( 5 0 a t . p c t b y n i / t i ) . a l a y e r o f c a l c i u m p h o s p h a t e w a s d e p o s i t e d o n t h e s u r f a c e t o i m p r o v e b i o c o m p a t i b i l i ty o f t h e a l l o y . m o r p h o l o g y a n d e l e m e n t s o f t h e n i t i s u r f a c e s a ft e r t h e h n 0 3 a q u e o u s s o l u t io n a n d n a o h s o l u t io n t re a t m e n t s a n d t h e b i o a c t i v e l a y e r w e r e i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l b y m e a n s o f e n v i r o n m e n t s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y ( e s e m ) , e n e r g y d i s p e r s i o n x - r a y s p e c t r o s c o p y ( e d x s ) , x - r a y d i ff r a c t i o n ( x r d ) a n d x - r a y p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( x p s ) . s c r a t c h t e s t a n d a n o v e l mi c r o - i n d e n t a ti o n t e s t w e r e c a r r i e d t o e x a m t h e a d h e s i o n b e t w e e n t h e b i o a c ti v e l a y e r a n d s u b s t r a t e . e l e c t r o c h e m i s t ry t e s t , n i i o n r e l e a s e t e s t a n d c y t o t o x i c i ty t e s t w e r e a l s o c a r r i e d t o me a s u r e t h e b i o c o m p a ti b i l i ty o f t h e n i t i a l lo y s p e c i m e n s a f t e r b i o a c t i v e m o d i f i c a t i o n . a r o u g h s u r f a c e w a s c r e a t e d a n d a t h i n t i 0 2 l a y e r w a s f o r m e d o n t h e s u r f a c e a ft e r a c i d t r e a t m e n t . a n a 2 t i 0 3 l a y e r w a s f o r m e d a ft e r a l k a l i t r e a t m e n t . a d e n s e a n d u n i f o r m b o n e l i k e c a l c i u m p h o s p h a t e ( c a / p ) b i o a c t iv e l a y e r w a s f o r me d o n t h e s u r f a c e s o f t h e s p e c i m e n s a ft e r c a l c i f i c a t i o n t r e a t m e n t , w h i c h w o u l d i m p r o v e t h e i r b i o c o m p a t i b i l ity . a ft e r c a l c i fi c a ti o n t r e a t m e n t f o r 5 t o 7 d a y s , t h e c a / p b i o a c t i v e l a y e r o n t h e su r f a c e o f n i t i sp e c i m e n h a d g r o w n t o b e 6 u m a p p r o x . s c ra tc h te s t s h o w e d t h a t t h e a d h e s i o n b e t w e e n t h e b i o a c t i v e l a y e r a n d s u b s t r a t e w a s e x c e l l e n t , a n d t h e m i c r o - i n d e n t a ti o n t e s t i n d i c a t e d q u a n t i t a t i v e l y t h a t t h e a d h e s i o n i n t e n s i ty w a s 6 2 1 .9 8 mp a . t h e t r a n s i t i o n l a y e r o f t i 0 2 a n d t i o f o r m e d d u r i n g a c i d t r e a t m e n t c o n t r i b u t e d t o c r e a t e a c o n ti n u o u s e l e c t r o n i c fr a m e b e t w e e n t h e b i o a c t i v e l a y e r a n d t h e s u b s t r a t e , a n d c h e m i c a l b o n d s f o r m e d s u c c e s s i v e l y d u r i n g c a l c i fi c a t i o n t r e a t me n t . t h e r e s u l t s o f e l e c t r o c h e m i s t ry t e s t a n d n i i o n re l e a s e t e s t s h o w e d t h a t n i t i s p e c i me n w i t h c a / p b i o a c t i v e l a y e r e x h i b i t e d g o o d c o r r o s io n r e s i s t a n c e , a n d g o o d b i o c o m p a t i b i l i ty o f t h e l a y e r c o u l d b e c o n c l u d e d fr o m t h e c y t o t o x i c ity t e s t r e s u l t s . k e y w o r d s : n i t i a l l o y , c h e m i c a l m o d i fi c a t i o n , b i o a c ti v e l a y e r , h y d r o x y a p a ti t e , b i o c o m p a ti b i l i ty 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人己 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 -壁 k 色或 其 他教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 刘亚 签 r fi 期 :-1 o 9 2 年 2 月2 3 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者完 全了 解 二 k 建大岁 匕有关 保留 、 使 用 学 位 论 文的 规 定。 特 授 权 适遭选全- 可以 将 学 位 论 文的 全 部 或 部 分内 容 编入 有 关 数 据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和 借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 刘亚 签字日 期:夕 。 。 2 年 1 2 月 2 多日 导 师 签 “ : 勃强全 签 字日 期 : 2 ow l年， ， 月衫 日 第一章绪论 第一章 绪论 引言 n i t i 形状记忆合金是近年来得到广泛应用的一种金属生物材料，它具有良 好的形状记忆效应、生物相容性及优异的耐蚀性，是一种良 好的植入材料;但 是， ni t i 合金中n i 的溶出是可能造成危害的重要因素。因此，如何对 n i t i 合 金进行表面处理，以进一步提高其生物相容性， 减少或抑制n i 离子的溶出， 一 直以来是人们研究的一大课题。近几年来，人们己提出了多种较为有效的表面 改性技术，取得了一定成果，并且正在进一步向前发展。 .2 n i t i 合金的 形状记忆效应和机 械性能 2 . 1 n i 丁 1 合金的 形状记忆效应 某些材料在发生了塑性变形后， 加热到某一温度之上， 能够恢复原来形状， 这就叫做形状记忆效应。其实质是热弹性马氏体相变。马氏体相变的高温相为 母相 ( p ) ，低温相为马氏体相 ( m) ， 冷却时由母相向马氏体相的相变称为马氏 体相变， 起始温 度为 m s ，终了 温度为 m f ， 而由 马氏体 相向 母相的转变称为马 氏体 逆相变， 起始 温度为a $ ， 终了 温度为a f 。 形状恢复的 驱动力是马氏体 逆相 变时母相对马氏体相的自由能差。 n i t i 合金的形状记忆效应是单程的，即低温 变形加热后可使 n i t i 合金恢复到高温时的形状 ( 即变形前的形状) ，但重新冷 却却不能使n i t i 合金恢复到低温时的形状。 但经一定的特殊训练， n i t i 合金能 表现出 双程记忆效应。 在加 热过程中约束 住n i t i 合金会产生 最高6 0 0 m p a 的 应 力，即回复 力。 a v a f 和回复 力都可以 根据需要 在一定的范围内 调整。 如: 合 金中n i 的含量对合金的相变温度影响较大， 原子比稍有变化， 都会引起相变温 度的 变化。 n i t i 形 状记 忆合金的 形状恢复 温度一般为 3 0 0c - 4 0 0c ， 人体的温度 恰好在此范围内， 这就使n i t i 合金的形状记忆效应广泛用于医学的硬组织修复 中。大多数 n i t i 形状记忆合金制成的医用产品，如接骨板、骑缝钉及 n i t i 合 金牵引环， 均是利用了n i t i 合金的形状记忆敖应。 表 1 - 1 为n i t i 合金形状记忆 性能参数。 第一章 绪论 表 1 - 1 n i t i 合金的形状记忆 性能 t a b l e 1 一 1 t h e s h a p e m e m o r y p r o p e r ti e s f o r n i t i a l l o y 相变温度 ( ms ) 温度滞后 最大回复应力 mp a 热循环寿命 次 - 5 0 1 0 02 - - 3 05 8 8 1 0 31 0 耐热性 形状回复量 ( 循环次娄 n) - - 2 5 0 n +1 0 5n = 1 0 5n = 1 0 6 %以下2 %以下 0 .5 %以下 2 . 2 n i t i 合金的 超弹性 超弹性是ni t i 形状记忆合金的又一较重要的性质。 n i t i 形状记忆合金产生 热弹性马氏 体相变， 在a f 温 度以 上诱发产生的马氏 体只有 在应力作用下 才能 稳 定存在，应力一旦解除，立即发生逆相变回到母相，在应力作用下产生的宏观 形变也随逆相变而完全消失， 应力 一应变关系呈现明 显的 非 线性， 这种非线性 的弹性 称为 超弹性或 伪弹性。 如图 1 - 1 所示，当 温度高于a f 时，即n i t i 形状 记忆合金处于高温相时， 将 n i t i 合金拉伸使其应变 ( 不超过 8 %) ， 应力去处后 n i t i 合金可完全恢复原状。 t .w d u e r i g 1 阐 述了n i t i 合金 超弹性和形状记忆效 应的机制， 并根据由于超弹性所具备的一些特殊性能， 如良 好的弹性变形能力， 抗扭能力以及在变形时应力恒定等， 进一步阐述了n i t i 合金在不同生物医学领 域的应用 。 2 00 力 口 载平台 1 5 0 n 门 司山昌) 即 长翅 。 r0 .0 0 一 0 .0 2一 0 .0 4 洲一 0 .0 6 0 .0 8 应变 图1 - 1 n i t i 合金的 超弹性应力 应变曲 线 ( 拉 伸温度高于a f ) f i g . 1 - 1 t h e s u p e r e l a s t i c i t y a 一 c u r v e s f o r n i t i a l l o y 第一章 绪论 2 . 3 n i t i 合金的 耐磨性 目前的关节置换手术中不可避免的会发生替代材料的摩擦磨损，而磨损造 成的关节置换的无菌松动常常会导致置换的失败. n i t i 合金具有良好的耐磨性， 不仅高于一 般的医 用金属材料， 甚至高于经 氮化处理的工 程耐 磨材料3 8 c r m o a 1 合金。 h a m a n a k a h 2 等将n i t i 制成股关 节骨头， 在3 7 格林氏 溶液中受 静载荷 5 8 8 n 、 循环载荷7 3 5 n的条 件下进 行多 达2 x 1 0 6 次 循环后n i t i 骨头的 磨损量只 相当 于 c o c r m 。 合金的 8 .4 % ，与n i t i 对磨的h d p臼 头磨 损量也只相当 于与 c o c r m o 合金对磨的h d p 臼 头的1 6 .6 %， 试验 结果表明用n i t i 合金制作人工关 节十分理想。 1 . 2 . 4 n i t i 合金的 低弹性模量 n i t i 合金在母相状态 ( 高温相时)的弹性模量约为 6 7 g p a ，马氏体状态的 弹性模量仅为2 6 g p a 。 目 前所 用金属植入材 料的 弹性 模量一 般为1 0 02 0 0 g p a , 与人体骨骼弹性模量差别很大 ( 骨的弹性模量约为 1 - 3 0 g p a ) ，而这种弹性模 量的巨大差异常常造成植入材料周围骨骼的弱化和吸收。因此， ni t i 合金作为 一种金属生物医用材料，其较低的弹性模量非常可贵。例如，在修复膝关节韧 带时很难找到一种能代替韧带的材料、能同时具有低弹性模量、高强度以及能 抵抗百 万次以 上冲击载 荷的 抗疲劳能 力。 m a s s o n 3 提出 可以 利 用 n i t i 合金的 超弹性和低弹性模量 特性来研制韧带 替代材料。 由 若干超弹性n i t i 合金条带组 成的 2 0 0 m m 长的模拟韧带的实验结果表明，n it i 合金韧带具有与天然韧带相 近的强度、韧性和形状可恢复性。 表1 - 2 n i t i 形状 记忆合金的 机械性能【 4 t a b l e 1 - 2 t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s f o r n i t i s ma 抗拉强度 a n / mp a 剪切强度 t、 / mp a 延伸率 s/% 弹性模量 e/ gp a 疲劳强度 a 一 】 / mp a %9 8 07 25 9 2 12 0 6 0 6 7 ( 室温) 5 5 8 ( 旋转弯曲疲劳循环周 期1 0 7 ) 第一章 绪论 . 3 n i t i 合金的生物性能 3 . 1 n i t i 合金表面氧化膜结构 金属生物材料的生物相容性与其表面的物理化学特性有密切的关系，如表 面的化学成分、结构、形貌、孔隙 率和相组成等都影响到 材料在生理环境下的 反应， n i t i 合金的 表面氧化膜对其生物相容性亦有重 要影响。 s h a b a l o v s k a y a 等人 5 1 对等原子比n i t i 合金的 表面 成份进行了 分析，结 果 表明 ， 在自 然 状 态下 ， n it i 合 金 表 面 会 生 成 一 层t ixn i, %氧 化 物( x : 7 - 2 0 , y : 0 - - 5 , x , y值的范围 受表面 处理方式的 影响) ，其中 仅含有少量的单 质 n i ( 约 o . s a t % ) , s h a b a l o v s k a y a 认为正是由 于这层氧化物的 存在， 使n i t i 合金具有较 好的生物相容性。e n d o 等 人 6 1 对n i t i 合金表面成 份的研究 表明， n i t i 合金的 表面元素为氧、碳、钦和镍，其中碳主要来 自 于空气污染，钦和镍均以氧化物 的形式存在; 外表面由钦的氧 化物 ( t i 0 2 ) 、 少量 镍及镍氧 化物 n i 。和m2 0 3 ) 组成，内表面由n i t i 组成。 杨贤金等 人 7 1 利 用俄歇电 子能 谱 ( a e s ) 和x射 线光电子能谱 ( x p s )对n i t i 合金的表面成份和结构进行了分析，结果表明， n i t i 合金外表面膜由t i 仇、 t i 0和少量的单 质n i 组 成， 其中t i 0 2 与t o的相 对含量分别为 3 0 . 3 2 %和6 9 .6 8 %;在表面氧化膜下存在一层富n i 层，随离表面 距离的 增加， t i 0 : 和t i 0 含量逐渐减少， t i 含量增加， 而n i 无价态变化。 w e v e r 等人 8 对n i t i 合金表面 成份的 分析则表明其 表面主要是t i o 2 和少 量的n i ，没 有检测到t i 0的存在。 研究 结果 5 ,6 1 还表明 ， n i t i 合金的生 物相容性还与表面 t i/ n i 比 有关。 n i t i 合金表面的t i / n i 比是 变值， 表面 处理方 法不同 时表面t i / n i 比不同，机械抛光后， n i t i 合金表面的t i / n i 比为 5 . 5 ，而在水中煮沸或高温消 毒后，该比值变为 2 3 . 43 3 . 1 ; 在一定程度上n i t i 合金表面t i / n i 比值越高其生 物相容性越好。 3 . 2 n i t i 合金在生物模拟溶液中的耐蚀性 n i t i 合金作为金 属生物材料， 在生理环 境下工作时 遇到的首要问 题就是腐 蚀问题。 人体体 液是 含约 1 % 氯 化钠的 充气溶液， 此外还含 有其它类型的盐、 有 机化合物、血液、淋巴液与酶等，在 3 7 体温下形成一个相当强的腐蚀环境， 可能产生多种类型的腐蚀，因此，很多学者对 n i t i 合金在生物模拟溶液中的耐 蚀性进行了研究。 d u tt a 等 人 9 研究了n i t i 合金微 观结构 分别为 母相13 、 马氏 体相和 经3 0 % 冷变形的马氏体相时在 h a n k s 溶液和人工唾液中的阳极极化行为，并和不锈钢 第一章 绪论 的阳 极极化行为作了 对比 。 结 果表明， 两 种合金的 钝化膜在含c 1 一 离子溶液中都 不太稳定，从阳极极化曲 线可知，在 h a n k s 溶液中， n i t i 合金的致钝电流和钝 化电流都远低于不锈钢，而在人工唾液中，n i t i 合金的致钝电流低于不锈钢， 但钝化电流相近;微观结构为p 相时比为马氏体相时耐蚀性好，金属间化合物 n i t i 2 是孔蚀发生的敏感点。 众多 研究表明， n i t i 合金在 各种生物模拟溶液 ( 如 唾液、人工汗液、 h a n k s 溶液、生 理盐水及r i n g e r 溶 液等) 中均有很好的耐蚀 a，其耐蚀性能受合金的微观结构和表面状态直接影响。 3 . 3 n i t i 合金的 生物相容性 r y h a n e n 等人 1 0 - 1 2 对n i t i 合 金的 生物相 容性进行了 较为 系统的 研究， 细 胞试验表明 n i t i 对成骨细胞和纤维细胞具有良 好的相容性，但 n i t i 在细胞培 养介质中最初的n i 离子释放速度比较高; 体内软组织生物相容性试验表明n i t i 对肌肉组织没有明显的毒性，其肌肉内、神经内生物相容性良 好;体内截肢手 术愈 合、 骨矿化和再 成型响 应试验结果表明 其骨组织相容 性良 好， 可以 在临 床 外科推广应用。s h i h 等 人 1 3 最近的 研究却表明n i t i 合金 丝腐蚀产物对培养的 平滑肌细胞有毒性作用。 他们在d u l b e c c o 修正的e a g l e s 介质中 对n i t i 进行电 化学腐蚀，结果显示n i t i 的腐蚀产物具有细胞毒性，且腐蚀产物的浓度越高， 抑制细胞生长的作用就越大，毒性还表现为改变细胞的形态、引起细胞坏死和 降低细胞数量。 w e v e r 等人 g 以 及h a n a w a 等人 1 4 发现， n i t i 合金在人 体模拟液中 浸泡 或在体内 植入后表面 存在钙磷层，即 在氧化物钝化 膜上生 成了 钙磷层， 而钙 磷是骨组织的基本成分， n i t i 合金 表面生成 钙磷层可以 有 效的 提高合金基体 与骨组织的相容性和成骨诱导性。作者在近期的实验中将经水磨砂纸打磨的 ni t i 合金试样浸泡在人体模拟液中， 2 0 天后发现合金表面生成了肉眼可见的 白 色粉末状沉积层，电 子能 谱分析 表明该沉 积层为钙 磷层， 钙磷比 约为4 / 3 , 扫描电镜照片表明该沉积层呈岛状、在表面均匀分布但覆盖不完全，与基体 结合力较差。 可以看出，n i t i 合金的耐蚀性和生物相容性与其表面状态有极为密切的关 系，而 合金表面的 钝化膜又起了 十分关键的作 用。 在 钝化膜处于正常状态时， n i t i 合金表现出良 好的耐 蚀性和生 物相容性，而 一旦钝 化膜遭到破坏， 再钝化 是一个很慢的过程，将引发点蚀等局部腐蚀， n i 离子大量溶出，造成其生物相 容性恶化。因此，改善n i t i 合金的耐蚀能力对该合金获得满意的生物相容性是 非常必要的，最行之有效的办法就是对 n i t i 合金进行表面生物活性化处理。 第一章 绪论 1 . 4 n i t i 合金的表面生物活性化研究 表面生物活性化是通过某种手段在生物材料表面获得生物活性层等理想表 面状态， 以明显改善材料的耐蚀性、 降低材料中有害离子在人体环境中的溶出， 从而提高其生物相容性。 针对n i t i 合金的表面生物活性化国内外学者己 进行了 大量的研究，应用比较成熟的处理手段主要有以下几种: 1 . 4 , 1等离子喷涂 f i l i p等人 1 5 用等离子喷涂的方法在 n i t i 合金表面制备出轻基磷灰石 ( h a )涂层，经基磷灰石与人体骨、齿的无机成分十分相近，可以诱导新骨、 齿的生长，是目 前国内 外研究最多的一种生物活性陶瓷。 研究表明，在等离子 喷涂过程中， n i t i 合金与涂层发生了界面化学反应，两者结合良 好。 y a h i a等人 1 6 用等离 子喷涂的方法在n i t i 合金上沉积一 层等离子体聚合 四氟乙 烯薄膜( p t f e ) , p t f e 是一 种惰性生 物材料， 能 够提供一个具有低自 由 能的相对惰性的和低摩擦系数的疏水性交链表面， 可以使n it i 合金的抗腐蚀性 和生物相容性有显著提高。 y a h ia 等通过电 化学实验对比 分析了n i t i 合金在表 面喷涂p t f e 涂层前后的抗腐蚀性能。 研究表明， 表面未喷 涂p t f e 涂层的n i t i 合金在发生点 状腐蚀， 释放出 大量的n i 离子，而表面喷涂p t f e涂层的n i t i 合金耐蚀性能有了明显的改善，其血液相容性也得到了 提高。 等离子喷涂是当前应用最广的一种表面活性化方法，该方法利用电极间的 高电 势差产生电弧放电， 将电极周围的气体电 离成等离子体，再以高 速撞击悬 浮的被沉积物使之沉降于金属表面，从而达到表面活性化的目 的。等离子喷涂 能够在基体与沉积层之间 提供很高的结合力， 并能获得覆盖完整的 涂层( 4 0 - - 5 4 u m) ， 但作为一个高温过程，存在着密度不均匀，结构不一致，结合强度变化 幅度大等缺点， 并且可能 在喷涂过程中 造成被沉积物的 分解， 从而导致涂层在 体液环境下的脱溶现象，因此常常要进行一些特殊的后续处理，如热处理、蒸 汽浴等，以改善涂层的性能。 1 . 4 . 2 激光表面处理 v i l l e n n a a x 等人 1 7 1 使用准分 子 激光 器在空 气 环境中 对n it i 合金 表 面 进行 了重熔处理 ( l s m ) ，处理后的合金表面在h a n k s 溶液中具有极好的耐蚀能力， 还表现出良 好的 耐点蚀性能。 实验结果表明 激光表面处理可以 对提高n i t i 合金 在模拟生物环境中的耐蚀能力产生显著的影响。 第一章 绪论 ma n 等人 1 8 采用n d - y a g 激光分别在氢 气、 空 气和氮气气氛中 对n i t i 合 金进行表面活性化，结果表明，激光重熔处理可以得到洁净、多孔、无裂痕的 n i t i 合金外表面，在 3 % n a c l 溶液中的腐蚀测试表明其耐蚀性能得到了明显的 改善;改善的机理随工作气氛的不同而有所不同，在空气气氛中进行激光处理 其耐蚀性能提高是由于增加了 n i t i 合金表面的 t i 姚 含量，而在氢气气氛中则 提高了n i t i 合金表面的 t i / n i 比，从而使其耐蚀性能有所改善。 激光表面处理是一种先进的表面修饰技术，采用激光表面处理可以在不影 响基体材料整体性能的前提下，获得具有不同性能特征的表面活性层，目前已 经在耐磨、耐蚀、耐疲劳等方面得到广泛应用。激光表面活性层与基体材料之 间形成的是冶金结合， 具有良好的结合强度， 有利于获得稳定、安全的活性层。 4 . 3 化学法表面修饰 t h i e r r y 等 人 1 9 , 2 0 采用硝酸 钝化对n i t i 合金进行表面 处理， 并对比 分析了 电 解抛光、 机械抛光、 热处理( 空气中 和盐浴中) 等多 种不同的 处理方法对n i t i 合金的表面 特性以 及耐蚀能 力的 影响。 研究结果表明， 和经过机械抛光的n i t i 合金相比 ，电 解抛光、 热处理 和硝酸钝 化都会不同 程度 地提高合金的耐腐蚀能 力， 经过电 解抛光和硝酸钝化的试样耐蚀性最好。 体外细胞培养试验结果表明， 电解抛光的试样阻止细胞在合金表面的依附，造成细胞生长速度的降低 但仍 高于未经处理的n i t i 合金的细胞生长速度) ;而硝酸钝化试样对成纤维细胞生 长基本无有害作用。动物体内实验结果表明，所有经过表面处理的试样其生物 环境响应都是良好的，植入时间越长，发炎响应就越低。他们认为经过处理的 试样具有好的生物相容性的原因是表面处理可以促进合金表面 t i 氧化物的生 长，并使试样的外表面毒性元素n i 的含量极低。 杨贤金等人【 2 1 , 2 2 采用化学方 法， 对n i t i 合金试 样进行酸碱处理及钙化修 饰， 在合金表面形成了 一层钙磷层， x射线分析表明， 钙磷层的主要成份为 c a s ( p o 4 ) 3 ( o h ) ， 还有少量的。 一 c a 2 p 4 0 : 和13 - c a 3 ( p o 4 ) 2 。 通过原子吸收光谱 测 量，研究了 n i t i 合金试样在化学法表面活性化前后在模拟人体体液中 n i 离子 的溶出情况，结果表明，经表面活性化处理后n i t i 合金表面形成的钙磷层能够 抑制n i 离子的 溶出。 动物 植入实验表明， 经处理的 试样和骨组织结合良 好， 能 传导新生骨的形成;而未经处理的试样在实验范围内未观察到成骨细胞的存在 及新生骨的 形成。 实验结果 表明， 化学 法表面活性 化处理能够明 显改善n i t i 合 金的生物相容性。 化学法将化学键联接引入到涂层与基体之间，其结合强度明显提高。采用 化学法对金 属生物材料进 行表面活性 化， 能够在复杂 材料表面获得均匀涂层， 第一章绪论 因 其简便有效而日 益引起广大研究 者的 注意。 化学法 表面处理 后的 表面活性化， 表现出良好的愈合效应和骨性结合，是一个值得进行系统深入研究的领域。 4 . 4 生物化学法 e n d o 6 , 2 5 采 用生 物化学法， 利用生物功能蛋白 对n i t i 合金 进行表面化学 修饰， 也取得了 很好的 效果。 研究表明，表面附 着的 粘连蛋白 能明显促进成纤 维细胞在金属表面的扩散。他还研究了经过上述表面修饰的 n i t i 合金在 0 . 9 % n a c l 溶液和一种含血清的细胞培养介质中的耐蚀性， 结果表明表面处理使 材料的钝化得到了改善，改善的原因是合金表面形成了一层交叉紧密连接的硅 氧烷网，限制了溶解氧、金属离子和与腐蚀反应有关的生物分子的扩散。 采用生物化学法对金属生物材料进行表面活性化处理是最近发展起来的一 种较新的 技术， 基于将具有生物活性的物质直接附 着于金 属基体上的设 想。一 般非生物化学的 方法都是通过改善金属基体表面的 性能来 提高 材料的生 物相容 性和对活体细胞的生长诱导性，属于比较间接的表面活性化方法，而生物化学 技术却是将大分子蛋白 质和酶等有 机高 分子物质直接引 入到基体表 面， 使其具 有更加优 良的生物活性。不足之处是表面修饰的生物分子与金属基体在人体环 境下的结合强 度仍需 加以 研究提高。 除了以上介绍的几种表面生物活性化处理手段以外，国内外一些学者还对 其他的 方法进行了 研究。 e n d o 等人 2 4 采用电 弧离子 镀的 方法， 在n i t i 表面制 备了t in覆层， 在盐溶 液中 测定其腐蚀行为， 结 果表明，n i t i 合 金表面镀t i n 层后耐蚀性能得到了 明显的改善。 刘敬肖 等人 2 5 采用溶 胶一 凝 胶法在n i t i 合金 表面制备了t i 0 2 - s i o 2 复 合薄膜， 运用电化学方 法对不同 组成的t i 0 2 - s i o 2 薄 膜 在模拟体液中 的腐蚀行为进行了 研究，结果表明， 随薄 膜中 t i / s i 比的 增加， t i 0 2 - s i o 2 薄膜的 耐蚀性增强; 运用划痕实 验对t i 0 2 - s i o 2 薄 膜与n i t i 合金基体 的结合强度进行了测试， 认为t i / s i 比为4 : 1 时， t i 0 2 - s i q薄 膜与n i t i 合 金基 体具有较高的结合强度。 5课题思路和论文工作设计 5 . 1课题的提出 植入材料被用在生物体内，不仅要求其金属性能可靠，还必须具备化学、 生物学和生物化学的可靠性，不应造成生物体的组织恶化，即必须具有良好的 生物相容性。 目 前应用的各 种植入材料其生物相 容性从长期 来看都不 是很乐观， 第一章 绪论 于是各种表面改性技术应运而生。 ni t i 形状记忆合金含有5 0 %a t 左右的n i ，而无论是 n i 还是 n i 盐，都有 致癌作用。虽然n i t i 合金有很好的钝化耐蚀性， 但长期植入时由于生物体液的 作用，必然会有 n i 离子的溶出。因此，医学界对 n i t i 形状记忆合金作为人体 植入材料的安全性存在普遍担心。 而寻求一种减小或抑制n i 在人体体内环境下 的溶出、同时又不改变其独特性能的表面改性技术，正是目前人们致力研究的 一个重要方向。 5 . 2课题的意义 近些年来， 旨在提高n i t i 合金生物相容性的表面生物活性化技术己发展了 很多 种， 虽然处理手段各不 相同 ，但 都是通过在合金 表面制备具有生物活性功 能的活性层，以获得理想的表面状态， 在不影响ni t i 合金优良的物理化学性能 的前提下，降低人体环境下 n i 离子的溶出，提高其生物相容性。 对医用ni t i 合金进行表面活性化时需要注意的问题很多， 需要特别注意的 有两个:一是表面层的生物相容性如何，二是表面层与基体的结合能力如何。 前 者与 表面层的种类有关， 后者则主 要取决于表面活 性化手段的运用。目 前应 用较广泛的表面层有很多种， 如 轻基 磷灰石 ( h a ) 层或钙磷层、 聚四氟乙烯 ( p t e f ) 层以 及 t i 0 : 层等， 不同 的表 面层生物相容 性不同。 植入物的具体要 求不同时 ，对其进 行表面 活性化处理 时表面层的 选择也应该有 所不同，如植入 物应用于肌肉、皮 肤等软 组织时，可 采用生物功能蛋白 等软组 织生物相容性较 好的 表面层; 应用于骨骼、 牙齿 等硬组织时， 可 采用轻基 磷灰石 ( h a ) 层或 钙 磷层等硬组织相容 性好的 表面层; 应用于心血管 系统时，则可 采用聚四氟乙 烯 ( p t e f ) 层及t i 0 2 等血液 相容性较 好的 表面 层。 本文采用化学法对 n i t i 合金进行表面生物活性化改性， 在合金表面制得生 物相容性良好的轻基磷灰石 ( h a) 层， 以诱导骨组织的生长。 该工艺简单易行， 能够在复杂材料表面获得均匀沉积层，并且将化学键联接引入到表面层与基体 之间，其结合强度明显提高。 化学法表面处理后n i t i 合金表面活性化，表现出 良 好的愈 合效应和 骨性结 合， 是一 个值得进行系 统深入 研究的 领域。 5 . 3课题的 研究思路 ( 1 ) 实验采用酸处理、 碱处理、预钙化处理和钙化处理对n i t i 合金进行 表面活性化， 研究处理 过程中 温度、 浓度、 p h值等因素对n i t i 合金 表面 钙磷 生物活性层生成的影响，优化合理的表面处理工艺; 第一章 绪论 ( 2 ) 采用环境扫描电子显微镜 ( e s e m) , x光电子能谱 ( x p s ) , x射线 衍射 ( x r d )等研究手段，对化学处理工艺的反应机理进行探讨，尤其是钙化 处理时钙磷活性层在n i t i 合金表面生长的反应机理; ( 3 ) 研究表面生物活性层的有关性能。 包括:钙磷活性层在 n i t i 合金表 面成核、生长的过程:晶粒的大小及影响因素:厚度增长趋势及最优化;以及 钙磷活性层与 n i t i 合金基体的结合性能; ( 4 )研究表面生物活性层对n i t i 合金生 物相容 性的 影响。 通 过在模拟生 理溶液中的体外对比实验， 检验 n i t i 合金在表面生物活性化处理前后的耐腐蚀 性能、n i 离子溶出速率及细胞毒性等生物性能。 第二章 化学法表面生物活性化工艺及机理的研究 第二章 化学法表面生物活性化工艺及机理的研究 2 . 1引言 对医用n i t i 形状记忆合金进行表面生物活性化处理， 可以改善合金的表面 性能，在不影响其机械性能的情况下提高其生物相容性，减小合金作为植入体 在人体体液中 n i 离子的溶出，降 低生物体的免疫排斥反 应。 轻基磷灰石( h a ) 具有良 好的生物相容性，在生物体内具有诱导成骨的作用。在植入体表面覆盖 多孔轻基磷灰石可提高植入体的生物活性，使它能够在生物体内稳定存在 2 6 - 2 7 1 . 在金属植入材料表面形成轻基磷灰石的方法很多，本实验采用化学方法， 可简化工艺，节约成本;该方法将化学键联结引 入到h a层与基体之间，使其 与植入金属结合强度获得明显提高。 2 . 2实验材料及设备 2 . 2 . 1 .实验材料及试样准备 本次实验所用为t i - 5 0 .0 6 a t % n i 的n i t i 合金板材，线切割成 的块状试样 超声波清洗 。 将切割好的试样用水磨砂纸打磨， 去掉表面氧化皮， ，干燥备用。 i o x i o x3 mm 打磨至6 0 0 # , 2 . 2 . 2 .实验所用化学试剂 本次实验所用的化学试剂如表2 - 1 所示: 表2 - 1 :实验中所用的化学试剂 t a b l e 2 - 1 : c h e m i c a l r e a g e n t s u s e d i n p r e s e n t w o r k 试剂名称化学式 纯度试剂来源 氯化钠 na c l分析纯天津市塘沽鹏达化工厂 氯化钾 kc i分析纯天津市医药公司 第二章 化学法表面生物活性化工艺及机理的研究 表 2 - 1( 续) 氯化钙 ca ci2 分析纯 天津市塘沽邓中化工厂 硫酸钠na 2 s 仇分析纯天津市耀华化工厂 氢氧化钠 na oh 分析纯 天津市森昌 工贸公司 碳酸氢钠na hc03分析纯天津市天河化学试剂厂 磷酸氢二钠 na 2 hp 0 4.1 2 h2 o 分析纯 天津市天河化学试剂厂 磷酸二氢钾kh2 p o4 分析纯 天津市化学试剂六厂 氧化镁 mg c 1 2 6 h 2 0 分析纯天津市化学试剂三厂 硫酸镁mg s 0 4 分析纯 天津市港林精细化工厂 缓血酸胺 ( c h 2 0 h ) 3 c n h 4 分析纯成都化学试剂厂 葡萄糖 c 6 h t 2 氏 口月 r 级 天津市化学试剂一厂 三氯化铁f e c l 3 . 6 h 2 0分析纯天津市 化学 试剂三厂 硝酸 hn03 ( 含量 6 5 6 8 %) 分析纯天津市化学试剂五厂 盐酸 hci ( 含量3 6 - 3 9 % ) 分析纯天津市化学试剂三厂 硫酸 h2 s o4 ( 含量9 5 9 8 % ) 分析纯天津市化学试剂三厂 去离子水h2 o天津大学化工学院 2. 2.3主要实验仪器 第二章 化学法表面生物活性化工艺及机理的研究 表2 - 2 : 主要实验仪 器 t a b l e 2 - 2 : mo s t l y u s e d e x p e r i m e n t i n s t r u m e n t s 仪器及型号生产厂家 t g 3 2 8 b电光分析天平上海天平仪器厂 p h s - 2 c型精密酸度计 上海雷磁仪器厂 5 0 1 型超级恒温器上海实验仪器厂 d l - 2 0 4 型电热干燥箱天津实验仪器厂 d k - 9 8 - i 型电子恒温水浴锅 天津泰斯特仪器有限公司 2 . 3 实验分析的物理方法 2