（材料学专业论文）离子注入改善ti和zro2表面生物活性的研究.pdf

中文摘要 本文采用离子注入法对纯t i 和z r 0 2 陶瓷进行表面改性处理，研究了 改性后的两种材料在模拟体液( s b f ) 中沉积羟基磷灰石( h a ) 的能力， 以表征m g 离子注入对纯t i 和z r 0 2 陶瓷生物活性的改善作用。同时，采 用钙、磷离子复合注入的方法探索了在纯t i 表面直接合成h a 层的工艺。 用t r i m 程序模拟了不同电压下m g 离子注入后在纯t i 和z r 0 2 陶瓷 表层的浓度分布，采用扫描电子显微镜( s e m ) 观察m g 离子注入后纯t i 及z r 0 2 陶瓷的表面形貌，采用电子探针( e d s ) 、x 射线光电子能谱( x p s ) 、 x 射线衍射( x r d ) 及透射电镜( t e m ) 等分析手段分析了m g 离子注入后 材料表面的成分及相结构。分析结果显示，离子注入对材料表面形貌无显 著影响，m g 离子注入后在纯t i 表面有m g o 和m 9 2 t i 0 5 生成，z r 0 2 表面 则有m g a l 2 0 4 生成。 注m g 后的纯t i 和z r 0 2 试样采用体外仿生法进行了沉积h a 层的实 验，s e m 、x r d 、x p s 、e d s 及f t i r 分析结果显示，在s b f 中浸泡7 天 后，两种材料表面均生成了致密的球状羟基磷灰石，亦即m g 离子注入改 善了纯t i 和z r 0 2 陶瓷的生物活性。 m g 离子注入对纯t i 和z r 0 2 陶瓷表面沉积羟基磷灰石能力的改善是由 于在浸泡过程中m g 离子从试样表层逐渐溶出，引起试样表面附近溶液局 部电荷偏聚，使钙、磷离子在表面吸附形成局部钙磷含量过饱和，促使钙 磷层形核。 在纯t i 表面实现了钙磷复合注入，对注后的试样进行了水热处理，利 用s e m 、e d s 、x r d 和f t i r 等对试样表面进行分析。结果表明，在1 5 0 、 2 0 0 、2 5 0 下分别处理2 小时，试样表面均有细微晶体生成，晶体成分主 要为钙磷元素，初步证明为羟基磷灰石。 关键词：离子注入羟基磷灰石水热处理仿生沉积 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t ia n dz r 0 2h a v eb e e nt r e a t e db ym gi o ni m p l a n t a t i o n t h e p r e c i p i t a t i o no fh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) o nm g i o n i m p l a n t e d t ia n dz r 0 2 s a m p l e si ns i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b f ) w a ss t u d i e dt oa s s e s st h ei m p r o v m e n t o fb i o a c t i v i t yo ft ia n dz r 0 2 d u a lc aa n dpi o ni m p l a n t a t i o nw a sc a r r i e do u t t oi n v e s t i g a t et h ed i r e c tf o r m a t i o no fh ao nt h es u r f a c eo fc a - p i m p l a n t e dt i t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no fm gd e p t hp r o f i l eo fs a m p l e si m p l a n t e da t d i f f e r e n tv o l t a g e sw a sc a r r i e do u tu s i n gt r i mp r o g r a m t h ec o m p o s i t i o n d e p t hp r o f i l ea n dc h e m i c a ls t a t e so fm g i m p l a n t e dl a y e r sw e r ed e t e r m i n e d u s i n ga u g e re l e c t r o ns p e c t r o s ( a e s ) ，x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) a n d e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) t h ep h a s e s t r u c t u r e so f m g - i m p l a n t e dl a y e r so ft ia n dz r 0 2w e r ec h a r a c t e r i z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h e s u r f a c em i e r o i m a g e so fm g - i m p l a n t e ds a m p l e sc o m p a r e dt ou n i m p l a n t e dn o d i s t i n c t n e s si n f l u e n c e t h em g i m p l a n t e dl a y e ro nt is u r f a c ec o n s i s t so fm g o a n dm 9 2 t i o s ，a n dt h em g - i m p l a n t e dl a y e ro fz r 0 2s u r f a c ec o n s i s t so f m g a l 2 0 4 a f t e ri m m e r s e di nas b ff o rap e r i o do ft i m e ，t h em g - i m p l a n t e dt ia n d z r 0 2s a m p l e sa n da n - i m p l a n t e ds a m p l e sw e r et a k e no u ta n dt h e na n a l y z e db y s e m ，e d s ，x r d ，a n df t i rt od e t e r m i n et h ep r e s e n c eo fh a o nt h es u r f a c e s o ft h e s es a m p l e s t h ea n a l y s i sr e v e a l st h a td u r i n gi m m e r s i o ni ns b f m + s e p a r a t e so u tf r o ms a m p l e s ，w h i c hr e s u l t si nt h ec h a r g e se n r i c h m e n to nt h e s u r f a c eo fs a m p l e sa n dt h ec o n s e q u e n t l ye n r i c h m e n to fc aa n dpi nt h e e l e c t r o l y t es p a c ec h a r g ef a c i n g t h es u r f a c e t h et r e n di st h a tt h e s u p e r s a t u r a t i o nl e v e lf o rc a l c i u mp h o s p h a t ep r e c i p i t a t i o n ，ac o n d i t i o nf o rt h e h an u c l e a t i o nt oo c c u r , i sp r e f e r e n t i a l l yi n c r e a s e di nt h er e g i o na d j a c e n tt h e s u r f a c e a f t e ri m m e r s e di ns b ff o r7d a y s ，ad e n s eh al a y e rw a sf o u n do nt h e s u r f a c eo fm g i m p l a n t e ds a m p l e sw h i l en oh ae x i s t e do nt h ea n - i m p l a n t e d c o u n t e r p a r t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tm gi m p l a n t a t i o n i m p r o v e dt h eb i o a c t i v i t yo ft ia n dz r 0 2 t h ed u a lc a - a n dp - i o n i m p l a n t e dt is a m p l e sw e r eh y d r o t h e r m a lt r e a t e d t h e s a m p l e sw e r ea n a l y z e db ys e m ，e d s ，x r da n df t i r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t m i c r o p a r t i c l e sw e r ef o u n d e do nt h es u r f a c eo ft iw h i c hw e r eh y d r o t h e r m a l t r e a t e da t15 0 。2 0 0a n d2 5 0 f o r2h o u r s t h ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h e s e p a r t i c l e sw e r eh y d r o x y a p a t i t e s k e yw o r d s ：i o ni m p l a n t a t i o n , h a , h y d r o t h e r m a lt r e a t m e n t ，b i o m i m e t i c d e p o s i t i o n 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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：起绉圆 签字日期： 工叫年2 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘望有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂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：囊邑殛画 签字日期：驷年2 月胛i e i 导师签名：_ 万l p 苦足l 签字日期：乒4 口月a7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 生物材料( b i o m a t e r i a l s ) 即生物医用材料，是生命科学、临床医学和 材料科学的交叉前沿领域，和生命科学的发展息息相关，是人类即将跨入 的“生物世纪”这一科学技术的重要基础。 生物医用材料最基本的要求是它须与生物系统直接结合，具备生物相 容性。这是生物医用材料区别于其它功能材料的最重要的特征，并且要求 这种材料可以单独或与药物一起制成部件、器件用于组织或器官的治疗、 增强或替代，并在有效使期内不会对宿主引起急性或慢性危害，不会因与 生物系统直接结合而降低其效能与使用寿命【i 2 】。 生物医用材料与活体系统的相互作用表面在两个方面【3 ，4 】：一是材料反 应，即活体系统对材料的作用，包括生物环境对材料的腐蚀、磨损和性质 退化、甚至破坏。二是宿主反应，即材料对活体系统的作用包括局部和 全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等， 其结果可能导致对机体的中毒和机体对材料的排斥。 传统的人造生物材料有：金属、无机非金属、高分子材料等，这些材 料在临床已经得到了广泛的应用并取得了效果，但也存在各种各样的不 足。随着社会的进步，人类整体生活水平的提高，人类对自身的医疗康复 事业更加重视，医学临床对植入材料、药物载体材料等的要求也越来越高， 如要求植入材料的性能和功能尽可能接近人体原器官和组织的性能和功 能，尽量减少局部组织刺激，降低毒性及炎症，以便取得良好的效果。因 此发展新型的生物材料具有重大的社会效益。 1 。2 生物材料的定义及分类 生物材料( b i o m a t e r i a l s ) 是一类可对人体组织进行修复、替代与再生 的特殊功能作用的材料。i s o ( 国际标准化组织) 于1 9 8 7 年对生物材料的 定义，是指“以医疗为目的，用于和活组织接触以形成功能的无生命材料”， 包括具有生物相容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 或生物降解性( b i o d e g r a d a t i o n ) 的 第一章绪论 材料。根据材料的性质，生物材料可以分为五大类。 1 2 1 生物医用金属材料( b i o m e d i c a lm e t a l l i cm a t e r i a l s ) 生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金，又称外科用金 属材料( s u r g i c a lm e t a l l y ) 或医用金属材料，是一类惰性材料p 。这类材料不 仅具有高的机械强度和抗疲劳性能( 图1 1 ) 垆】，还具有优良的抗生理腐蚀性 和组织相容性，它作为人工器官的修复和代用材料已有一百多年的历史。 目前用于修补骨骼系统的金属材料主要有医用不锈钢、医用钴合金、钛合 金、形状记忆合金、医用磁合金等。医用金属材料主要用于骨和牙等硬组 织修复和替换，心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构组件，在 骨科中主要用于制造各种人工关节、人工骨及各种内、外固定器械；牙科 中主要用于制造义齿、充填体、种植体、矫形丝及各种辅助治疗器件【”。 医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离 子向周围组织扩散及植人材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用， 后者常常导致植入的失败。 疲 劳 疆 度 m 一 图1 - 1 部分生物金属材料的疲劳强度 f i g 1 - 1t h ef a t i g u es t r e n g t ho fs o m ec o m m o ni m p l a n ta l l o y s 1 2 1 1 腐蚀问题 移植在体内的金属浸泡在体液中，其中n a + ，k + ，c a 2 + ，c l 等离子均 是电解质，可使金属产生均匀或一般腐蚀。除一般腐蚀外，还可由于成分 2 第一章绪论 的不纯、组织的不均匀性、材料的混用( 诸如不同金属的混合、金属的传递) 、 体内电解质环境的差异和金属内部能量水平的差异、接合处磨损、应力集 中或疲劳性断裂以及矫形物如接骨板与钉之间作用等因素引起而分别产 生点腐蚀、晶间腐蚀、电离腐蚀，缝隙腐蚀、应力腐蚀、问隙腐蚀。腐蚀 不仅降低金属材料的机械性能，还可能导致断裂。产生的腐蚀产物，还对 人体有刺激性和毒性。为了检测金属的抗蚀性能，一般采用体外和体内试 验。体外试验包括用腐蚀液浸泡金属试件，测定腐蚀速度及电化学特性， 进行金属阳极分级特性试验及测定金属电动势与阳极反馈电动势等方法。 体内埋藏试验则要运用金相学、光谱分析和组织学观察。一般工业用不锈 钢的腐蚀率为2 5l t m 年，但医用标准应更低，即 钴基合金 不锈钢。 1 2 1 2 毒性问题 元素周期表上的全部元素中约7 0 是金属，但大部分金属不宜作为生 物材料，因为与生物体不相容，或太软或太脆，或有毒性。纯金属的毒性 与它在元素周期表中的位置有关。第1 i 族的铍、镁、钙、锶、钡、锌、镉汞 毒性强；第1 i i 族的铝、镓、铟和第族的锡、硅、钛、锆完全无毒；第 族的铬、钼、钨也无毒性。在有毒的纯金属单质中如加人某些金属制成合 金，可以减小甚至消除毒性。例如不锈钢中含有有毒的铁、钻、镍，加入 有毒的铍( 2 ) 可减小毒性；加入铬( 2 0 ) ，则毒性消失，抗蚀性增强。 1 2 1 3 金属的机械性能 人工假体及矫形物均需承受较大应力，故金属材料的机槭性能至为重 要。人体骨骼性能随年龄、部位和生理功能而不同。就用于人工股骨的金 属股骨头而言，一般要求强度不低于5 4 0m p a 。根据检测股骨头抗压强度 为1 4 3m p a ，纵向弹性模量约为1 3 8g p a ，径向弹性模量为纵向的l 3 。健 康骨骼还具有自行调节能力，不易损坏或断裂。而金属植入物在体内不能 自行调节，因此，金属植人物在体内代替骨时必须比骨骼有更高的强度和 弹性模量以及抗疲劳性能。使用的金属的弹性模量一般均应比骨骼的大。 3 第一章绪论 弹性模量过低不能获得良好的骨折固定。但弹性模量过大也会增加应力集 中和骨的吸收。这方面，钛合金( 弹性模量1 l o x l 0 3m p a ) 要优于不锈钢 ( 2 0 0 x 1 0 3m p a ) 眵1 。 1 2 2 生物医用高分子材料( b i o m e d i c a lp o l y m e r ) 医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大 的材料【9 1 ，也是一个正在迅速发展的领域，特别是2 0 世纪6 0 年代以来发 展更快，已经能合成出许多具有优良性能的软、硬材料及药物控释材料应 用到各个医学领域。当前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物 降解及药物控制释放材料【l 们。外科置入件用高分子材料耐生物老化，作为 长期置人材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能，易于加工成型， 原料易得，便于消毒，受到人们普遍的关注，这类材料主要用于生物体软、 硬组织修复体，人工器官，人工血管等方面，包括聚乙烯，聚丙烯，聚丙 烯酸酯，芳香聚酯，聚硅氧烷，聚甲醛等。生物降解及药物控制释放高分 子材料包括胶原、线性脂肪族聚脂、甲壳素、纤维素、聚氨基酸和聚乙烯 醇等，可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，要求其降解产物能 通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或排出体外，主要用于药物释放和 送达载体及非永久性植入载体。高分子药物控制释放体系不仅能提高药 效，简化给药方式，大大降低了药物的毒副作用，而且纳米靶向控制释放 体系使药物在预定的部位，按设计的剂量，在需要的时间范围内以一定的 速度在体内缓慢释放，而达到治疗某种疾病的目的。 1 2 3 生物医用陶瓷材料( b i o m e d i c a lc e r a m i c ) 生物陶瓷又称生物医用非金属材料，从广义上讲包括陶瓷、玻璃、碳 素等主要构成成分为无机非金属材料及其制品，与高分子材料和金属材料 相比，生物陶瓷在人体内极其稳定，压缩强度高，对生物组织有良好的相 容性与亲和性，且耐腐蚀，无毒副作用几乎看不到与生物组织的排斥反应 】。生物陶瓷主要是用于人体硬组织修复和重建的陶瓷材料，其最终使用 形式是制成人体内可接受的器官或器件，因此仿生材料必须与人体结构( 包 括器官) 的力学性能相容。为此，生物陶瓷材料应具备以下力学性能【1 2 】： 一是有一定的静载强度( 包括抗拉、压缩、弯曲和剪切强度) ；二是有适当 的弹性模量和硬度；三是具有耐疲劳和耐磨性；四是具有良好的润滑性， 其中解决摩擦磨损是人工关节材料的关键。 4 第一章绪论 根据生物陶瓷与组织的效应，分为三类【”1 ：a 惰性生物陶瓷，在生物 体内与组织几乎不发生反应或反应很小，例如氧化铝陶瓷和蓝宝石，碳、 氧化锆陶瓷，氮化硅陶瓷等。b 活性生物陶瓷，在生理环境下与组织界 面发生作用，形成化学链结合，系骨性结合。如羟基磷灰石等陶瓷及生物 活性玻璃，生物活性微晶玻璃。c 可被吸收的生物陶瓷，这类陶瓷在生物 体内逐渐降解，被骨组织吸收，是一种骨的重建材料，例如磷酸三钙等。 各种生物陶瓷在临床上已用于髋、膝关节，人造牙根，牙嵴增高和加固， 颌面重建，心脏瓣膜，中耳听骨等方面【l ”。 1 2 2 1 惰性生物陶瓷 惰性生物医学陶瓷材料主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材组 成【”】。氧化物陶瓷主要是a 1 、m g 、t i 、z r 等的氧化物；而非氧化物陶瓷 主要是硼化物、氮化物、碳化物、硅化物等；陶材则主要由多种氧化物矿 物构成的长石、石英、高龄土等原料制成。 陶瓷材料作为口腔医学材料正式应用是在1 7 7 4 年法国的 d u c h a t f e a u 1 6 】采用陶瓷作义齿基托开始的，真正用在牙床上是在1 8 5 0 年之 后。氧化铝陶瓷属于惰性生物陶瓷，在医学上的应用已经有很长的历史了， 1 9 3 3 年r o c k 1 7 】首先建议将氧化铝陶瓷用于临床医学。1 9 6 3 年由s m i t h 1 8 】 用于矫形外科。自此以后，氧化铝陶瓷用于人造牙根、髋关节、膝关节、 髁骨、中耳听骨，在临床上逐渐推广应用，成为医用生物陶瓷中的一种重 要材料。 但是a 1 2 0 3 属脆性材料，冲击韧性较低；弹性模量和骨相差大，陶瓷 的高弹性模量，可能引起骨组织的应力，从而引起骨组织的萎缩和关节松 动，在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤【”】。近年来，国外有关学者 在a 1 2 0 3 陶瓷增韧方面作了大量的工作，诸如改变材料的显微结构；利用 z r 0 2 的相变增韧或微裂纹增韧，以及在陶瓷体中人为造成裂纹扩散的障碍 等，取得了显著的效果。 氧化锆以其优异的力学性能与良好的耐腐蚀和耐磨性而广泛应用于 冶金、化工、机械、电子、石油等领域。1 9 6 9 年，h e l e r 和d i s k e d 2 0 】发表 了第一篇关于z r 0 2 陶瓷在生物医学领域应用的文章，从而揭开了z r 0 2 陶 瓷在生物材料领域的研究。z r 0 2 陶瓷属于生物惰性陶瓷，具有很好的生物 相容性、高强度和韧性等特点，是一种新型的生物材料。其中以氧化钇 ( y 2 0 3 ) 稳定的四方氧化锆多晶陶瓷( y - t z p ) 性能最佳。y - t z p 2 1 1 完全由亚稳 5 第一章绪论 四方相多晶组成，晶体颗粒大小仅为几百纳米，由于这种结构的存在使得 陶瓷既具有很好的强度、韧性又具有优良的稳定性、耐腐蚀、耐磨损和生 物相容性。 氧化锆陶瓷具有良好的断裂强度( 两倍于氧化铝陶瓷) 可以由z r 0 2 的相转变来解释。正是这种相转变对于材料局部的机械性能有提高。裂纹 的产生引发亚稳态钇稳定氧化锆陶瓷向单斜晶体转变的相转变，在裂纹边 缘的局部体积膨胀使在裂纹前方的晶粒长大，从而产生压应力阻止裂纹继 续扩大，因而裂纹要穿越材料就需要更多的额外的能量。 1 2 ，3 2 生物活性陶瓷 生物活性陶瓷的突出优点在于随修复时间延长，种植体表面发生动态 变化，表面形成能够与骨组织产生化学键结合的生物性羟基磷灰石( h a ) 。 在生理环境下，与骨组织形成紧密的化学键结合层，这种键结合层能阻止 种植体材料被腐蚀，具有极好的抗应力性能，从而增强了材料的耐久力和 抗疲劳性能。生物活性材料包括各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐 材料。 羟基磷灰石的分子式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，简称为h a ，它是四元无机 化合物磷灰石中的一种，其晶体结构属六方晶系，是一种新型骨和牙的修 复和替换材料，属高技术陶瓷材料领域【1 5 ，2 2 之4 1 。磷灰石包括天然与合成两 大类材料。自然界中存在三种天然的磷灰石，即羟基磷灰石 c a i o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 、氟磷灰石c a l o ( p 0 4 ) 6 f 2 、氯磷灰石c a l o ( p 0 4 ) 6 c 1 2 。羟基 磷灰石是脊椎动物骨和齿的主要无机成分，结构亦非常接近，与动物体组 织的相容性好，无生物毒性，占人体骨组成的7 0 9 7 ，所以修复骨组 织h a 较金属和聚合物具有更好的效果。h a 在临床上应用相当广泛，可 用作牙根植体、中耳植体。因h a 能与皮肤之间密封，不易出现感染，所 以脊椎外科、肾病患者腹透时还用致密h a 作径皮端子。 羟基磷灰石在应用领域最大的不足在于力学性能低，不适于受载场 合。有资料报道【2 5 1 ，医用钛及钛合金表面生物活性的羟基磷灰石涂层易剥 落造成手术失败。而利用粉末冶金的方法制备h a t i 生物功能梯度材料则 不失为一种较佳的方法。该生物材料充分利用了h a 的生物活性和t i 的高 强韧性，而不存在金属钛与羟基磷灰石陶瓷涂层之间的界面问题。因此从 生物相容性和力学性能的角度看，是一种很有前途的人体硬组织替代种植 体生物材料。 6 第一章绪论 1 2 4 生物医用复合材料( b i o m e d i c a lc o m p o s i t e s ) 生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医 学材料，并且与其所有单体的性能相比，复合材料的性能都有较大程度的 提高的材料，制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料 的性能。该类材料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及 人工器官的制造。它除应具有预期的物理化学性质之外，还必须满足生物 相容性的要求，材料自身必须满足生物相容性要求，而且复合之后不允许 出现有损材料生物学性能的性质 2 6 , 2 7 】。按基材分生物复合材料可分为高分 子基、金属基和陶瓷基三类。它们既可以作为生物复合材料的基材，又可 作为增强体或填料，它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生 物医学复合材料。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料，生物医学 复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。 1 2 5 生物衍生材料( b i o l o g i c a l l yd e r i v e dm a t e r i a l s ) 生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材 料，也叫生物再生材料【28 1 。生物组织可取自同种或异种动物体的组织，特 殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处 理，以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理。由于经过处理的 生物组织已失去生命力，生物衍生材料是无生命力的材料。该种材料主要 用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩 膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等。 1 3 生物材料的表面改性 1 3 1 表面改性方法分类 随着生物医学材料的开发，金属、陶瓷、高分子及其复合材料在人体 硬组织缺损、缺失的修复和重建方面发挥着日益重要的作用，与此同时， 也对材料的高耐磨性、高耐蚀性、优良的生物相容性等提出了更加苛刻的 要求，这也是新材料开发的重要手段一材料表面改性技术近来获得高速发 展的原因之一。材料表面改性技术的范围现已远远超出了传统的材料表面 处理技术，它是借助近几年高速发展起来的等离子体、电子束、激光束、 离子束等特殊处理新技术，有效地使材料表面达到所需改性的一种综合性 技术，在生物医学中主要用来提高和改善材料的耐磨损性、耐蚀性，提高 7 第一章绪论 材料强度、韧性、耐循环冲击性以及生物相容性等。 1 3 1 1 等离子喷涂法2 9 3 3 】 等离子喷涂技术( p l a s m as p r a y i n g ) 是由高温等离子火焰( 温度高达 1 0 0 0 0 以上) ，将待喷涂的粉料瞬间熔化，然后高速喷涂在冷态的基体上 形成涂层，涂层厚度通常约0 0 5 0 1m m 。它的突出优点是：沉积速率高、 基体温度低、技术稳定等，同时能得到粗糙的涂层表面。为了改善生物材 料的生物相容性，一般喷涂生物相容性优良的羟基磷灰石涂层。但等离子 喷涂h a 层也存在着缺陷，如：涂层与基底的结合以物理结合为主，结合 力不够大，在应用中易脱落；涂层的多孔性限制了涂层的使用寿命。此外， 喷涂时羟基磷灰石在高温下易分解，以非晶态形式承载，降低了涂层的生 物相容性和稳定性 3 4 3 5 】。 1 3 1 2 烧结法 3 6 3 7 】 为了避免等离子喷涂技术存在的缺陷，近年来人们开始把注意力转向 高温烧结涂层技术上来。烧结涂层是利用类似涂搪和烧结的方法，在基体 上涂覆陶瓷或玻璃陶瓷的涂层，涂层厚度通常为0 2 0 3 5m m 。该涂层除 保留了等离子涂层的优良性质外，结合强度高，可控制涂层的组成按梯度 变化，实现涂层生物学性能和机械力学性能的梯度变化，大大提高涂层的 综合性能。这种涂层可通过调节化学组成使中问过渡层的热膨胀系数与基 体金属匹配，使涂层呈适当的压应力状态，有利于提高结合强度。此外， 过渡层与基体不仅物理与化学结合兼而有之，而且致密，有效防止了体液 对涂层与基体界面的渗透，从而提高了涂层的结合强度和使用寿命。 1 3 1 3 溶胶一凝胶法【3 8 4 1 l 该法是以硝酸钙( 含四个结晶水) 和磷酸三甲酯为初始原料，制备溶胶 液。通过在基体上涂敷溶胶液，制各凝胶膜，经干燥、烧结形成h a 涂层， 重复上述过程3 0 次获得羟基磷灰石涂层与基底的紧密结合，涂层厚度 为3 9g m ，气孔率为6 ，结合强度为1 1 8m p a 。凝胶在干燥和烧结过程中 无微裂纹发生，因而，涂层有很高的致密度，这可能得益于涂层溶液的流 变特性。 1 3 1 4 电化学沉积 4 2 , 4 3 】 以电化学制备磷酸钙类生物活性陶瓷为例，首先在金属基体( 阴极) 表 8 第一章绪论 面，溶液中h 2 0 和n 0 3 等还原剂还原产生o h 。然后溶液中c a 2 + 和h p 0 4 2 。 与吸附在阴极上的氢氧根离子o h 在电极表面发生反应生成 c a h p 0 4 - 2 h 2 0 。再将得到的沉积层( c a h p 0 4 2 h 2 0 ) 在一定的实验条件下 对其进行后续处理就可转化为羟基磷灰石微晶。 1 3 1 5 激光涂覆法【4 4 粕】 激光熔覆法通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束 使之与基材表面薄层一起快速熔凝，在基材表面形成与基材相互融合的且 具有完全不同成分与性能的合金覆层。 1 3 1 6 离子注入法【4 7 。5 0 】 上述几种较为典型的表面改性手段存在一个共同的缺点：表面涂层和 基体间的结合力不足，在机体中容易出现涂层剥落的现象，大大缩短了材 料的使用寿命。为了避免这种情况的发生，人们采用新的表面改性手段对 材料进行处理，即对材料进行离子注入表面改性处理。 离子注入是一种新兴的束流表面强化技术，离子注入技术是将某种元 素的原子在几十至几百千伏的电压下进行电离并使其在电场中加速。在 获得较高的速度后射入到生物材料表面，以改变生物材料表面的成分及相 结构，从而改变生物材料表面的物理、化学、机械以及生物学性能。 高速离子注人金属后，与金属中的原子、电子发生弹性碰撞( 离子能 量较低) 、非弹性碰撞( 离子能量较高) ，逐渐把离子的动能传递给反冲原 子和电子，完成能量的传递和沉积；离子注入金属表面后，有助于析出金 属化合物和合金相、形成离散强化相、位错网；灵活地引入各种强化因子， 即掺杂强化和固溶强化。 与通常的表面改性方法不同，离子注入是用高能量的离子注入来获得 表面合金层的，因而有其特点”5 4 】： 1 ) 离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出 热平衡能量的2 3 个数量级。因此，原则上周期表中的任何元素 都可以注入任何基体材料； 2 ) 注入元素的种类，能量，剂量均可选择，用这种方法形成的表面 合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用 其他方法难以获得的新合金相； 9 第一章绪论 3 ) 离子注入层相对基体材料没有明显的界面，因此表面不存在粘附 破裂或剥落问题，与基体结合牢固； 4 1 离子注入可以通过控制注入剂量，注入能量及束流密度来精确控 制注入离子的浓度和深度的分布； 5 ) 离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无形变， 无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适合于高精密 部件的最后工序； 6 ) 可以在工件表面层形成压应力，减少表面裂纹； 7 ) 离子注入过程极易控制且重复性好，因此可以直接在材料表面任 意裁剪所需要的不同成分的表面； 8 ) 成本较高，形成的膜相对较薄( o 0 1p m 数“m 之间) 是离子注入技 术的缺憾，有待进一步的改进。 1 3 2 离子注入技术在生物材料改性方面的应用 1 3 2 1 改善生物材料力学性能 氮和碳离子注入可改善许多钢种的抗磨损特性，如普通碳钢，渗钴合 金钢，不锈钢和钛合金，其中以钛合金改性效果最好。f o l l s t a e d t 5 5 】等早在 1 9 8 4 年就发现，将剂量为3 8 1 0 1 7 i o n s c m 2 的n + 以2 0 0 k e v 的能量注入钛 合金( t i 6 a 1 4 v ) ，表面有t i n 等硬质合金相形成，在距表层2 0n m 处硬度 提高2 0 0 ，距表层1 0 0n m 处硬度提高1 0 0 ，摩擦系数从0 4 8 降到0 1 5 ， 磨损率下降两个数量级。z h a n g 5 6 】等在去离子水所模拟的生理液体中对n + 注入后的钛合金试样进行磨损试验，结果( 如图1 2 ) 表明与未经离子注 入的试样相比，离子注入处理后的试样磨损率下降了2 0 。v i v i e n t e 【5 7 】等 将c + 离子注入到不锈钢和钛合金制件，发现生成t i c 相，使二者的显微硬 度都显著提高。 1 0 第一章绪论 图1 2n + 离子注入前后t i 6 a 1 4 v 在去离子水中磨损试验失重曲线图5 6 】 f i g 1 - 2w e i g h tl o s s e sa saf u n c t i o no fw e a rt i m ef o rt i 一6 a l 4 va l l o yi nd i s t i l l e d w a t e r 生物陶瓷材料的表面状况会对力学性能产生很大的影响，如断裂往往 就从表面开始。通过离子注入技术可调节陶瓷的表面结构，改善其力学性 能。早在2 0 世纪8 0 年代，m e h a r g u e 5 8 】等就发现，z r 0 2 表面注入t i + 和 a l + ，在剂量小于非晶化剂量时，断裂韧性随注量增加而升高。h i o k i 5 9 】等 发现a r + 或n + 注入单晶a 1 2 0 3 和多晶a 1 2 0 3 时其抗弯强度均有所增加，这 是因为离子注入使材料表面产生辐照损伤，体积膨胀并产生表面压应力， 导致材料强度增加。当然，离子注入对力学性能的提升并不是无限制的。 m u r p h y 6 0 1 等将c + 分别注入氧化锆、氧化铝以及氧化锆增韧的氧化铝这三 种陶瓷表面( 如图2 、图3 ) ，结果表明c + 离子注入后其硬度均有不同程度 的提高，但在超过非晶化阀值( 2 5 1 0 1 7i o n c m 2 ) 后，硬度又会随注量增加 而下降。这是因为注量超过非晶化阀值后，陶瓷表面将产生非晶化，导致 硬度下降。 第一章绪论 图1 3 c + 离子注入前后氧化铝显微硬度变化曲线图( c + 注量分别为：0 5 ，1 ，2 5 和5 1 0 ”c i o n s e r a 2 ) 1 6 0 】 f i g 1 - 3d i s p l a y sv a r i a t i o n si nn a n o h a r d n e a sw i t hd e p t hf o ru n i m p l a n t e aa l u m i n aa n da l u m i n a s u r f a i m p l a n t e da td o s e so f o 5 ，1 ，2 5a n d5 1 0 1 7ci o n s e r a 2 图l - 4c + 离子注入前后氧化锆表面显微硬度变化曲线图( c + 注量分别为：1 ，2 5 和5 1 0 ”c i o n s e r a 2 ) 6 0 j f i g 1 - 4d i s p l a y st h ev a r i a t i o n si nn a n o h a r d n c s sw i t hd e p t hf o rc a r b o ni m p l a n t e da n du n i m p l a n t e d z i r c o n i am l r f a c e $ i m p l a n t e da td o s e so f1 2 5a n d5x1 0 1 7ci o l l 咖m 2 聚合物材料重量轻、易加工，但其低硬度和低耐磨性有待于进一步的 提高。吴瑜光【6 l 】等在聚酯( p e t ) 薄膜表面分别注入t i + 、c + 、s i + 离子后发现， 试验结果( 图1 4 ) 表明，与未注入离子的聚酯薄膜相比，注入后表面强 化效果显著，抗磨损特性分别提高了2 7 5 ，1 3 和1 6 1 倍，硬度和弹性模量 1 2 第一章绪论 也都有所增加，随后将a g + 注入聚酯薄膜后进行的t e m 分析结果表明，注 入层表面有a g 的金属化表面生成，这种结构增加了聚酯膜的抗磨损能力 和抗蚀性。朱明6 2 1 等将聚酰亚胺( k 印t o n ) 薄膜经1m e v 、1 5m c v 、2m e v 的h e + 离子注入后发现，其表面硬度和耐磨性都有明显提高，测试结果证 实薄膜的表面硬度随注入h e + 能量的提高而增大( 见图1 5 ) 。 1 6 一 各1 2 嚣。 蓑4 0：图 匿匪匿 i - e tt ics i 注入离子 图1 - 5t i 、s i 和c 注入p e t 膜与未注入p e t 膜弹性模量比较”1 】 f i g 1 - 5y o u n g sm o d u l u sc o m p a r i s o n so f t i s i c i o n - i m p l a n t e da n du n i m p l a n t e dp e tf i l m s 1 3 2 4 提高材料生物活性和生物相容性 羟基磷灰石( h a ) 是人体骨中的主要无机成分，通过在生物材料表面形 成h a 层或与之相似的钙磷层能提高材料的生物活性。b a u m a n n l 6 3 】等将钙、 磷离子按不同比率，分别以3 0k c v 和2 3k c v 的能量注入纯钛试样表面， 在6 0 0 下热处理后，纯钛表面形成了类羟基磷灰石薄层。s t e f a n o 【“1 等 研究发现，n + 注入t i 后与之结合生成t i n 层，经氧化处理后生成的 t i n t i o x n y 可在体液中加速c a p 层的沉积，改善钛的生物活性。m a i t z 【6 5 】 等则将人体所含的另一种重要元素钠注入钛表面，浸入模拟体液( s b f ) 中 发现，由于注入的n a + 在模拟体液中引起附近环境中o h 浓度的升高，从 而引起c a 2 + 的吸附，加速了h a 的沉积，而体外细胞培养实验证实沉积了 h a 层的纯钛表面利于成骨细胞生长。 白薇【6 6 】等考虑到人体骨基质主要由无机物和有机物组成，将无机物的 重要成分c a 2 + 和有机物中的活性基团n h 2 ( 氨基) 以离子注入法复合注入 钛表面，经一系列微观分析和成骨细胞培养后证实，c a 2 + 和n h 2 复合注入 后的钛表面有助于成骨细胞的生长，生物活性得到提高。 1 3 第一章绪论 研究者发现，离子注入对生物陶瓷材料的生物相容性也有明显改善。 赵清1 6 7 在生物陶瓷a 1 2 0 3 和z r 0 2 中注入n h 2 、一o h 和c o o h 等活性基团， 并通过动物活体实验证明了陶瓷表面的生物相容性得到极大的提高。 z h a o 6 s l 等利用离子注入技术，在a 1 2 0 3 表面接枝n h 2 ，植入动物体内一段 时期后观察表明，改性后的a 1 2 0 3 加速了骨组织的形成，提高了材料的生 物相容性。此外，m g 在人体中的作用引起了研究者的注意，它是人体中 的重要元素，大量存在于骨、骨骼肌和心肌中，是细胞新陈代谢中各种酶 的重要活性剂 6 9 , 7 0 1 。h o w l e t t 7 1 l 等将m g 元素引入到a 1 2 0 3 表面，经体外细 胞培养试验证实，成骨细胞在改性后的a 1 2 0 3 表面的附着性有明显提高， 极大地改善了a 1 2 0 3 的生物相容性。离子注入技术已应用于将n h 2 注入 a 1 2 0 3 生物陶瓷表面。 离子注入还可增加聚合物表面的粗糙度，从而促进了聚合物在生物体 液中的浸润性，生物相容性得到提高。s u z u k i 【7 2 】等利用离子注入分别将 ( 1 3 ) 1 0 1 7 i o n c m 2 的n a + 、n + 、o + 、k r + 离予以1 5 0 k e y 的能量注入聚苯乙