（材料加工工程专业论文）医用niti形状记忆合金的化学法表面改性研究.pdf

摘要 本文对医用n i 形状记忆合金( s m a ) 进行了低温化学氧化、碱液活化等化学方法表面 改性研究，并提出了低温化学氧化一碱液活化的复合活化新技术，通过扫描电子显微镜 ( s e m ) 、x 射线衍射仪( ) 、x 射线光电子能谱仪( x p s ) 及f o u r i e r 3 睦换红外吸收光谱仪 ( r t m ) 等系统研究了表面改性对n i t is m a 的表面组织结构的影响，并通过模拟体液( s b f ) 浸泡实验、溶血实验及细胞相容性实验等评价了表面改性后n i t is m a 的医学性能，研究表明： 经过h 2 0 2 水溶液低温化学氧化表面改性处理后试样表面n i 含量显著降低，残余n i 仍以 n m 金属间化合物态存在，表面形成了以低结晶度的金红石和锐钛矿结构的 r i 0 2 相为主的氧 化层，且富含t i o h ，这对改善n i t is m a 的生物相容性是有益的。氧化动力学初步研究表明 在低温化学氧化过程中，n i t is m a 的质量变化受到温度与h 2 0 2 水溶液浓度的协同作用。 化学抛光过的n i t is m a 经n a o h 碱液直接处理后，其表面形成了低结晶度的生物活性 钛酸钠( n a 2 啊0 3 ) 永凝胶层。试样表面n i 含量下降，出现了少量的n i 2 0 3 相。o ，n i ，t i 和n a 元素在试样表面深度方向上的含量分布曲线显示钛酸钠生物活性层与n i t i 基体问具有平滑的 梯度界面结构，这有利于提高其界面结合强度。该研究表明通过碱液活化处理可以获得具有 梯度化表面结构的理想的生物活性n i t is m a 。 通过h 2 0 2 低温化学氧化复合碱液活化技术对n i ns m 避行复合活化处理，试样表面生成 了生物活性的钛酸钠- - 氧化钛复合水凝胶层。与碱液直接活化处理相比，复合活化处理可使 试样表面的n i 含量更低，且t i o h 基团显著增加，同时也减少y n i 2 0 j 和n a 2 t i 0 3 的含量。模拟 体液浸泡实验表明在碱液活化前对试样进行h 2 0 2 低温化学氧化预处理可进一步提高n i t i s m a 的表面活性，缩短s b f 中磷灰石在其表面形核的孕育期，短期内即可在复合活化处理过 的n i t is m a 表面形成理想的磷灰石生物陶瓷涂层。 低温化学氧化、碱液活化等化学表面改性方法可显著提高医用n ms m a 的表面亲水性， 细胞相容性实验进一步证实了该化学法表面改性有利于细胞在n i 豇s m a 表面的黏附和增殖， 表面改性后的试样毒性为0 级。溶血实验研究表明化学法表面改性后的n i t is m a 的溶血率 显著下降( 1 ) ，满足医学标准所规定的植入物溶血率 5 的要求。 关键词；n i 砸形状记忆合金( s m a ) 、低温化学氧化、碱液活化、表面改性、生物相容性 a b s t r a c t s u r f a c em o d i f i c a t i o n so fn i t is h a p cm e m o r ya l l o y ( s m a ) w e r ei n v e s t i g a t e db yc h e m i c a l m e t h o d si n c l u d i n gl o wt e m p e r a t u r ec h e m i c a lo x i d a t i o na n da l k a l ib i o a c t i v et r e a t m e n la n dan e w c o m p o s i t eb i o a c t i v et e c h n o l o g yc o m b i n i n gc h e m i c a lo x i d i a t o na n da l k a l it r e a t m e n tw a sp r o p o s e d a n ds t u d i e d 1 1 地e f f e c t so fs u r f a c em o d i f i c a t i o 越o i lt h es u l f a c em i c r o s t z n c t u a n dp r o p e r t i e so f n i t is m aw e 把i n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l yb ys e a 1 1 1 i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , x - r a yd i f f r a c t i o n , 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 , f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , s i m u l a t e db o d yf l u i d s o a k i n gt e s t , h e m o l y s i se x p e r i m e n ta n dc e l lc o m p a t i b i l i t yt e s t i tw a sf o u n dt h a tt h el o wt e m p e r a t u r eo x i d a t i o no fn i s m ai nh 2 0 2s o l u t i o nr e s u l t e di n t h ef o r m a t i o no f t h eo x i d es c a l ed e p l e t e di nn ia n de n r i c h e dw i t ht i - o hg r o u p s t h er e m n a n tn i i nt h es c a l ew a ss t i up r e s e n ta si n t e r m e t a l l i cn i t ip h a s e 1 1 把s c a l ew a sm a i n l yc o m p o s e do fl o w c r y s t a l l i z a t i o nt i 0 2w i t hl t l t i l ea n da n a t a s es t n m n l 把，w h i c hw o u l db e n e f i tt oi m p r o v et h e b i o c o m p a t i b i l i t yo f n i t is m a e l e m e n t a r yi n v e s t i g a t i o no f o x i d a t i o nk i n e t i c si n d i c a t e dt h a ti nt h e l o w - t e m p e r a t u r eo x i d a t i o np r o c e s s t h em a s sv a r i a t i o n so fn i t is m aw b - r ed e p e n d e n to i lb o t h t e m p e r a t u r ea n dh 2 0 2c o n c e n t r a t i o n ab i o a c t i v es o d i u mt i t a n a t e ( n a 2 t i 0 3 1f i i m 州t h1 0 wc r y s t a l l i z a t i o na n dat r a i to fn i 2 0 3 p h a s ef o r m e do i lc h e m i c a l l y - p o l i s h e dn i t is u b s t r a t ea f t e rd i r e c tn a o ht r e a t m e n t d e p t hp r o f i l e s o fo 。n i 。t ia n dn as h o wt h es o d i u mt i m n a t eb i o a c f i v el a y e rp o s s s e sas m o o t hg r a d e di n t e r f a c e s t r u c t u r et on i t is u b s u a t e w h i c hb e n e f i t st 0i n c r e a s et h e i rb o n d i n gs t r e n g t h 1 1 ”r e s u l t si n d i c a t e t h a ta ni d e a lb i o a c t i v en i 豇s m aw i t hag r a d e ds u r f a c es t r u c t u r ec a nb eo b t a i n e db ya l k a l i t r e a t m e n t m c o m p o s i t eb i o a c t i v et r e n t m e n tb yh 2 0 2s o l u t i o na n ds u b s e q u e n tn a o hs o l u t i o nl e a d st o t h e f o r m a t i o n o f a b i o a c t i v e s o d i u m t i t a n a t e t i t a n i a c o m p o s i t e a q u e o u sg e l f i l m c o m p 盯e t o d i r e c t a l k a l it r e a t m e n t t h ec o m p o s i t eb i o a c t i v et r e a t m e n tc a l lr e s u l ti nt h ed i r e c tc r e a t i o no f m o r et i - o h g r o u p sa n d t h ed e c r e a s ei nt h ea m o u n to fn i 2 0 3 ，n a 2 t i 0 3a n dr e m n a n tn i t ip h a s e s s i m u l a t e d b o d yf l u i ds o a k i n gt e s tr e v e a l st h a tt h ei n d u c t i o np e r i o do fa p a t i t ef o r m a t i o nw a ss h o r t e n e db y f u r t h e ri m p r o v i n gt h eb i o a c t i v i t yo fn a o h - t r e a t e dn ms m av i at h eh 2 0 2p r e t r e a t m e n t a sa r e s u l t , a l li d e a la p a t i t ec o a t i n gc a nb eo b t a i n e do nn i t is m aa f t e rt h ec o m p o s i t eb i o a c t i v e t r e a t m e n ti nas h o r tt e r m n l ea b o v ec h e m i c a lm e t h o d sc o u l dr e m a r k a b l yi m p r o v et h eh y d r o p h i l ec a p a b i l i t yo fn i 髓 s m a t h ec e l lc o m p a t i b i l i t ye x p e r i m e n tf r r t h e rp r o v e dt h a ts u r f a c em o d i f i c a t i o nb yt h ec h e m i c a l m e t h o d sw a si nf a v o ro f e e l la d s o r p t i o na n dm u l t i p l i c a t i o no nn i s m as u r f a c e s t h et o x i c i t yo f t h em o d i f i e ds a m p l es u r f a c er e a c h e d0l e v e l h e m o l y s i se x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h eh e m o l y s i s r a t eo f n i t is m aw a sr e m a r k a b l yd e c r e a s e da f t e rc h e m i c a lm o d 施c a t i o nt r e a t m e n t ( 1 ) ，w h i c h m e e t st h er e q u i r e m e n to f t h em e d i c a li m p l a n t ( 5 1 k e y w o r d s ：n 订js m a , l o wt e m p e r a t u r ec h e m i c a lo x i d a t i o n , a l k a l ib i o a c t i v e , 8 1 1 f a c m o d i f i c a t i o n , b i o c o m p a t i b i l i t y 第一章前言 第一章前言 1 1 课题背景及意义 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 又称生物材料( b i o m a t e d a l s ) ，它是对生物体进行诊 断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料【l 】，生物医学材料研究是一个正在对 人类健康做出重要贡献并获得重大发展的新兴交叉学科。我国自7 0 年代开始研究生物医学材 料以来，在国家自然科学基金资助下，科研队伍不断壮大，研究领域不断扩展，在许多方面 取得了显著进展。生物材料的表面一般会长期与人体内血液或体液接触，必须满足与血液和 组织的生物相容性，因此生物材料的表面改性显得非常重要。 b u e c h l e r 于1 9 6 2 年在n a v a lo r d a n a n c e 实验室发现了镍钛诺( n i t i n 0 1 ) ，它是一种接近等 原子比的n i t i 合金，具有形状记忆效应、超弹性和低的弹性模量( 与人体骨头相似) 等优异 的综合性能，被认为是医用材料学方面的一项重大发现，并引起国际材料工作者们的广泛兴 趣。近几年来，在国内外掀起了n i n 合金临床推广应用的高潮。但是n i n 合金含有大量的 n i ( 约5 0 a t ) ，植入人体后总会有微量的镍离子释放到人体内，从而存在引起过敏和致毒 性的潜在副作用 2 , 3 1 ，因此十分有必要对其进行表面处理，改变其表面结构、形态及化学成分 以提高生物相容性甚至能够达到生物活性的要求。 1 2n i t i 形状记忆合金( s m a ) 的特性 镍钛形状记忆合金具有独特的记忆效应、超弹性、低的弹性模量、高阻尼等优异性能， 显示出其在医学应用中的优势地位。 1 2 1n i t i 合金的形状记忆效应 形状记忆效应( s m 巳) 是指材料会记忆它在高温奥氏体态下的形状，即它在低温马氏 体态下变形，加热后就会恢复到原来高温奥氏体态下的形状。 燮形 原始形状 图1 - 1 形状记忆效应示意图 s m e 源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，则随温度下降继续增长，如果温 度上升它又会减少，两相自由能之差作为相变驱动力。在整个相变过程中，s m e 材料主要 有4 个特性参数，即m 。、m f 和a s 、a f ，它们分别表示马氏体相交和奥氏体相变的初始温度 ( m 。和气) 及结束温度o 峨和a f ) 。n i t i 合金的低温相为马氏体，柔软且易变形：n i l i 合 查查查兰堡主兰垡丝茎 金的高温相为奥氏体，比较硬。冷却过程中，母相会转变为孪晶马氏体，该马氏体在外应 力作用下容易变形成某一特定形状；加热时，已发生形变的马氏体会回到原来的奥氏体形 态，这就是宏观的形状记忆现象，其原理见图1 1 。 当马氏体变形后，经逆相变能恢复母相形状的称为单程形状记忆效应。除单程形状记 忆效应外，n i n 合金经过一定处理后，如多次加热一冷却循环、约束加热和时效等，还可 产生双程及全程形状记忆效应【4 】。不但对母相材料具有记忆，并且在再度冷却时能恢复马氏 体变形后的形状，这称为双程形状记忆效应；而加热时为高温形状，冷却时则形成与高温 相形状相同但方向相反的现象，称为全程形状记忆效应，如图1 2 所示。医用n i t i 记忆合 金的m f 点一般被设置在0 c 附近，并将a f 点设置为接近人体内温度。这样，高温下定型， 在冰水浸泡下，处于比较柔软的马氏体态下随意变形成易于导入体内的形状，再加热到体 温以上，合金发生逆相变，立刻恢复到原来预定的形状，并产生较大的回复力，起到矫形 及支撑的作用。 q d f 国 单程效应 i j 一笙习 ( b ) 变形 ( c ) 加热 ( d ) 冷却 图1 2 形状记忆效应类型【5 】 1 2 2n m 合金的超弹性 n i n 合金除具有优异的形状记忆效应外，经过适当的处理还可呈现出良好的超弹性。 所谓超弹性是指试样在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时应交可 自动恢复的现象。如图1 3 所示，温度高于a f 时，将n i n 拉伸使其产生应变( 不超过8 ) ， 应力卸载后n i 甄可以完全恢复原状。由图1 3 可见在n i l l 的拉伸曲线上有两个平台，上面 的为加载平台，下面的为卸载平台，在很大的应变变化范围内应力基本保持不变。这种现 象被称为非线性超弹性，是在a f 以上一定温度区间内加载与卸载过程中分别发生应力诱发 马氏体相交及其逆相变的结果，因此非线性超弹性也称相变伪弹性。 1 2 3n i t i 合金的力学性能 目前常用的金属植入材料有钛合金、不锈钢、钴铬合金等。表1 1 列出了n i t i 形状记忆合 金与医用不锈钢的力学性能参数对照。可见，与医用不锈钢相比，n i t i 形状记忆合金具有高强 2 第一章前言 度、高的可恢复应交、高的疲劳强度、相对较低的杨氏模量，以及更好的生物相容性。 表1 - 1n i l i 形状记忆合金与不锈钢的力学性能比较 传统金属植入材料如不锈钢等具有比人体硬组织大得多的弹性模量，而弹性模量高的金 属植入物承担了大多数的外力，造成骨组织的“应力屏蔽”效应，容易引起骨质疏松、骨吸收。 镍钛形状记忆合金的应力应变形为与传统的材料不同。从图1 - 3 可以看到，不锈钢弹性极限 0 8 ，超过这个极限，位错就会滑移而导致屈服，进一步变形产生的应变将在卸载后不可回 复。而n i t is m a 的应力与应变开始呈直线关系变化，随后，在应力基本不变的条件下，应变 显著增加，卸载约束力后应变变为零。n i t is m a 的这一变形行为与自然界中很多生物体材料 一致1 6 , 7 ，如图1 - 4 。这表明n i t is m a 能在人体内受伤移植部位在加力- 卸载情况下产生变形和 回复，保障植入物与肌体组织间的生物力学兼容性。 图1 3 超弹性镍钛合金与不锈钢的应力应变曲线图 n i t i 形状记忆合金具有良好的耐磨损、抗疲劳性能。在磨损过程中马氏体变体之间的 相互协调性和超弹性是其具有高耐磨损性能的主要原因【8 】。在外力作用下，母相转变为诱发 马氏体，引起超弹性作用；消除外力后，应力诱发马氏体又逆转变为母相。这种相结构的 变化可有效地消耗外力，消除部分应交，使组织中不易形成滑移和位错，降低了马氏体受 磨损的程度。如果变形没有超过弹性极限，不会有损坏产生，因此也没有磨损例。对传统的 金属来说，弹性极限很小以至于在磨损过程中难免产生塑性变形。当塑性变形积累到一定 3 查壹查堂堡圭堂垡堕苎 程度，会产生裂纹最后发生断裂。s h a b a l o v s k a y a l l 川对不同材料做的股、臂假肢作比较研究 发现，c o - c r - m o 合金在仅2 x1 0 5 次交变循环载荷作用后出现裂纹，而n i n 形状记忆合金 做的组件则不同，甚至经过2 1 0 6 次交变循环载荷作用后都没有出现裂纹，因此n i t is m a 具有更好的抗疲劳性能。 1 0 k a 图1 - 4 各种生物体材料的应力应变行为阴 1 头发；2 骨头；3 骨胶质；4 桦树；5 白杨 此外，n i 而s m a 因热弹性马氏体相变过程中的界面( 相界面、孪晶界面) 移动吸收能 量而具有优良的阻尼特性，将n i 币s m a 复合于材料中构成一种被动减报材料结构将在工业 上具有很大应用潜力。 1 2 4n i t i 合金的生物化学性能 移植在体内的金属浸泡在体液( 包括血液、间质液、淋巴液和滑液) 中，由于体液均含 蛋白质、无机盐、碱金属和有机酸，可使金属产生均匀或一般腐蚀。腐蚀会导致金属离子进 入周围机体组织，影响细胞内的生物化学反应。同时腐蚀产物和腐蚀电流会激活组织，影响 机体的新陈代谢。 n i t i 形状记忆合金具有较好的生物化学性斛1 1 - 2 2 。n i t i 形状记忆合金中的n i 与t i 化学 结合，形成很强的金属间化合物价键。因此，n i 的负作用反应是很弱的，甚至包括对n i 反应 特别敏感的病人。同时，在氧存在的情况下，与其它钛合金一样，n i t i 形状记忆合金表面瞬间 就会形成t i 0 2 氧化层，从而阻碍了n i 离子的析出。因此n i t i 形状记忆合金具有高的生物相容 性和优良的抗蚀性。但是，如果长期放置在体内，终会有少量的n i 离子溶出，从而引起致癌、 染色体畸变等各种细胞毒性反应。 1 3n i t is m a 的医学应用 从7 0 年代末开始，国内外学者在n i t i 合金的医学应用方面进行了卓有成效的研究。至 今在医学上得到应用的领域主要有：( 1 ) 口腔科，如牙齿矫形正畸丝等；( 2 ) 整形外科， 如用以矫正变形骨骼用的矫正棒、人造关节、骨髓针等；( 3 ) 心血管等内科，如血栓过滤 器等；( 4 ) 其它与生物体组织不长期接触的医疗器具，如导入线等。 4 1 3 1 口腔科应用 金属材料在牙科的重要应用是牙齿矫形丝、齿冠、托环、齿根固定器、颌骨固定、齿 根种植等。如矫治牙颌畸形，通常利用金属丝材弹性力进行矫正。牙齿矫形用金属丝材常 用不锈钢丝和c o c r 合金丝，但这些材料具有弹性模量高、弹性应变小的缺点。而n i n 合 金制作的牙齿矫形丝具有超弹性，即使应变高达8 也不会产生塑性变形，而且应力诱发马 氏体相变使弹性模量呈现非线性特性，即便应变增大，矫正力却增加很少。因此在结扎时， 即使产生很大的变形也能保持适宜的矫正力，不仅结扎操作简便，而且疗效也好，可减轻 患者不适感。 1 3 2 整形外科应用 n i t i 合金在整形外科应用主要有脊椎侧弯症矫形器械、人工颈椎关节、加压骑缝针、 人工关节、髌骨整复器、颅骨板、接骨板、髓内钉、髓内鞘、接骨超弹性丝、关节接头等。 下面举几个应用实例： 1 人工关节 人们在日常生活中诸如跑步，跳跃的运动，每次都导致关节承受着比体重大3 6 倍， 甚至高达1 0 倍的载荷，而股关节一年内至少也要承受1 - 3 x 1 0 6 次的反复载荷。人工关节材 料要经得住这样的工作条件，要求材料不仅长期生物相容性好，而且耐磨性等力学特性也 要好。前面曾提过，n i n 合金具有良好的生物相容性和极好的耐磨性，因此被用来制造人 工关节。s c h m e r l i n g 等刚将n i t i 和c o c r m o 合金应用在人工股关节上，试制人工骨头，在 3 7 cr i n g e r 溶液中受循环载荷7 5 蚝的条件下，进行了多达2 x 1 0 6 的反复磨损实验。实验表 明，c o c r m o 合金仅磨擦2 x 1 0 5 次时已经出现线状伤痕，而n i n 合金摩擦2 x 1 0 6 次还没有出 现，表面非常光亮。 2 接骨板 传统的治疗骨干骨折所采取的方法是把不锈钢、c o c r 合金( v i t a l l i u m ) 制接骨板紧紧 固定在骨折部位以给予很大的对紧力。如果采用形状记忆合金，则手术时不需要给予过大 的对紧力，只要手术后从体外把接骨板加热到比体温高几度的温度，就能牢固地固定骨折 部位。应用能获得足够机械强度和回复力的n i n 合金制作接骨板，其变形量应不超过6 ， 以免出现不能完全恢复原状的永久应变。为使接合部位有充分的对紧力，需要缩短2 m m 以 上的变形量，故接骨板的形状设计是重要的。 3 加压骑缝针 加压骑缝针，即u 型钉，是n i t is m a 在整形外科应用最早、最多的领域之一。将u 型钉的两侧钉脚置入骨折两端的预先钻好的孔内，在体温作用下，u 型钉迅速恢复记忆形 状，使骨折两端拉紧。这样，即使不用石膏，断骨也可在2 3 周内痊愈。 查堕查堂堡主兰垡丝苎 1 3 3 心血管科等内科应用 在这方面的应用也比较广泛，如血栓过滤器、血管扩张支架、血管成形架、脑动脉瘤 夹、血管栓塞器等血管方面的应用，其它的还有前列腺扩张固定支架、气管支架、尿道支 架、节育环、输卵管绝育夹、耳鼓膜、震动放大器、人工脏器用微泵、自动控温血液运输 箱、人工肾用瓣、鼻镜等。 血栓过滤器是被用来阻止游动于腔静脉中的凝血块的过滤器。在心脏、下肢和骨盘静 脉中形成的血栓被剥离后通过血管游动到肺时便会发生肺栓塞。为了阻止这种危险的发生， 用n i n 合金丝记忆处理成能阻止凝血块的罗网形状，然后在低温下拉直，通过导管插入腔 静脉。进入腔静脉的n i n 丝被体温加热立刻变成原先复杂的罗网形状而成为血栓过滤器， 阻止凝血块游动。此法局部麻醉即可，操作安全、简单、迅速。 扩张支气管以减缓其阻碍这种技术已经被运用多年。镍钛形状记忆合金气管扩张器由 0 b r i e n t 2 4 设计，气管和支气管扩张器用图解法示于图l - 4 。这种设计通过管的径向扩张力， 使得它能在气管压力下被压扁，增加病人舒适感，重要的是这种压扁不是永久的变形。 图1 - 4 ：气管和支气管扩张器记忆合金支架示意图 1 3 4 其它医疗器具应用 n i ns m a 也被用来制造作为辅助工具的不与人体组织长期接触的医疗器具。随着近年 医学诊断和治疗新技术的发展，形状记忆合金在医疗器械上新的应用主要在下述两个方面： 1 用于导入线、丝、管 用超弹性镍钛合金做导入线，比用不锈钢有显著的优点。它的刚度仅为钢的1 4 ，且可 按要求加以调整，在导入过程中不易损伤组织，特别是它可以在迂回路径中行进而不发生 曲折口5 1 。这种导入线不但有优异的抗折曲性，而且有良好的跟踪性、推进性和导入线两端 的同步扭转性，使操作安全、准确、灵活、可靠。如用n i t i 形状记忆合金做驱动器的管道 镜可通过远程控制在各种复杂的人体管道内运动。利用这种管道镜，外科医生可对血管等 6 进行显微外科手术；用这种合金制作的毛细管非常柔软，易弯曲、能在血管壁的导向作用 下深入到人体各个部位去，从而可以实现对人体某个特定部位进行注射等治疗。 2 用于无创伤或微切口外科器械 利用n i ns m a 在宽的应变范围内应力恒定、自保护作用以及其大的可回复应变等特 性，发展出无铰链的器械，制成电取器、抓紧器、钳子和剪刀，其结构简单、部件少、功 能好，易于折装进行清洁和消毒。这些外科器械被设计成活动连接，实现了灵活的伸弯动 作，增加了外科操作在体内活动地自由度。便于在弯角处进行曳取、切除、夹持和缝合， 从而显著地提高整个器械的可操作性。如图1 5 所示： 图1 5 外科用杆状n i t i 形状记忆合金电取器、剪刀、抓起器等示意图 n i t is m a 在微机械领域常被用来做驱动器吲。例如，利用n i t i 形状记忆合金制造出 能反映触觉和触力大小的触觉手套，解决了在用微机械或机器人进行显微外科手术时，医 生在控制过程中因手上没有一点感觉而常出错的现象。其主要原理为：将传感器输出的信 号转换成一定大小的加热电流，从而通过控制n m 形状记忆元件的温度来控制作用在医生 手上力的大小。 医用记忆合金正在逐步被越来越多的人所认识。我国对n i t i 记忆合金的医学基础研究 和临床应用起步较晚，但发展较快，目前涉及到医学各科，在临床应用方面已处于国际领 先地位。用n i 瓢合金制成的医用产品，具有其它材料所不能比拟的疗效。随着对n i 合金 应用研究的不断深入，可以预料该合金在医学各科的应用将越来越广，各种新设计与新产 品将不断出现。某些临床难题将随着新的医用n i 豇合金产品的出现而被解决。 1 4 医用金属生物材料的表面改性研究 医用金属生物材料包括医用不锈钢、医用钴合金、钛合金、形状记忆合金、钽铌锆合 金以及医用磁性合金等，具有良好的力学性能、较好的生物相容性和耐蚀性，目前在诸如 畸齿整形、脊柱矫形、断骨接合、颅骨修补、心血管支撑等方面有着广泛的应用。然而， 7 奎堕查兰堡主塑丝苎 应用在医学领域的金属材料，必须是既满足力学功能要求又能满足化学和生物学要求的可 靠材料。由于植入材料和人体的相互作用仅在表面的几个原子层处，故表面改性技术应运 而生。通过对金属材料的表面改性可以有效地改善它的各种表面性能，使基体的金属特性 与其表层的生物相容性更好地结合起来，为金属生物材料的应用打下良好的基础。 1 4 i 生物医学材料的性能要求 生物医学材料的性能要求具体表现为生物功能性以及生物相容性两个方面。生物功能 性是指决定生物医学材料完成近似的或特殊的功能的能力，通常指与组织相适应的力学及 物理学性能，包括具有足够的静态强度( 如抗弯、抗压、拉伸、剪切等) ；具有适当的弹性模 量和硬度；具有耐疲劳、抗磨损、摩擦、润滑性能等。生物相容性，即生物体不发生任何 毒性、致敏、炎症、致癌、血栓等生物反应，又可分为组织相容性及血液相容性。组织相 容性要求医用材料在具有良好力学性能前提下，植入体内后与组织、细胞接触无任何不良 反应，如无细胞毒性、无致敏致癌性。血液相容性涉及医用材料与血液直接或间接接触时 材料表面与血液各种成分相互作用问题，对于生物医学材料血液相容性的评价，且前主要 以凝血与溶血为主要内容，即要满足其抗凝血能力和血液成分及功能不发生变化嘲。 一般要求生物医学材料同时具有生物功能性与生物相容性，但有良好的生物功能性的 材料，不一定具备生物相容性；同样，有良好的生物相容性，也不一定能满足相应的生物 功能性的要求。例如，生物陶瓷膜啊0 2 、羟基磷灰石( 姒) 具有较好的血液相容性，但又 由于其柔韧性不够而无法制成血管内支架。值得注意的是，如果分别将具有生物相容性和 生物功能性的材料复合在一起，在医用金属表面制备陶瓷膜就可将金属材料的良好力学性 质与陶瓷膜良好的生物相容性有效结合。 1 4 2 纯t i 及其合金的表面改性研究 钛( n ) 在上世纪四十年代首先被b o t h e ，b e a t o n 和d a v e n p o r t 用于医学领域。随后的 几十年里，钛及钛合金的研究和开发有了较大的进展。与不锈钢和c o - c r 合金相比，钛合 金，如t i 6 a 1 4 v ，具有更高的力学强度和耐腐蚀性能，更低的弹性模量和密度，从而引起了 广大学者的兴趣。然而，作为生物惰性材料，它们不能与骨组织形成化学性结合。为了提 高骨整合的效果，减少有毒离子的释放，提高耐磨性，n 合金表面改性的研究得到医学界 的重视。近几十年来发展出的钛合金表面处理方法主要有等离子喷涂法、激光熔覆法、溶 胶凝胶法、电化学法、离子注入法、碱液活化及仿生沉积法等。 1 等离子喷涂法 在钛合金表面形成一层生物活性羟基磷灰石涂层可以显著改善钛合金种植体的表面活 性，这也是h a 在临床上最重要的使用之一。等离子喷涂技术( p l a s m as p r a y i n g ) 是目前研 究得最多的一种制备羟基磷灰石涂层的方法。它是以离子焰为热源的热喷涂法，能把 2 0 5 0 p , m 大小的陶瓷材料注入高温、高速的等离子体喷射嘴中，粒子熔化经加速后撞击金 属材料基体，快速冷却( 1 0 0 0 k s 1 ) 后在基体表面形成陶瓷涂层。该技术沉积效率高，且气 蔓二主堕壹 孔及夹杂少，尺寸易于控制。但是，由于喷涂过程在极高的温度( 1 0 0 0 0 1 2 左右) 下进行， 而h a 在高温下可分解为易于溶解的杂质相 2 7 1 ，从而降低涂层与钛合金基体的结合强度 2 8 1 。 2 激光熔覆法 激光熔覆法( l a s e ra b a t i o n ) 是在基底表面预先涂覆一定配比的混合粉末，然后用激光 器进行多道搭接熔覆处理，使合成与涂覆涂层一步完成。此方法得到的涂层与基底结合良 好，硬度高，强度高，韧性良好，但涂层的均匀性和稳定性较难控制。 3 溶胶凝胶( s 0 1 g e l ) 法 溶胶凝胶法制备的硅胶在模拟体液中可诱导磷灰石的结晶，在体内可沉积出磷酸钙层， 这与硅胶表面高浓度的s i o h 集团有关。采用四异丙醇肽的硅胶和4 0 0 6 0 0 热处理在纯钛 片上制备了二氧化钛凝胶层，表面具有丰富的t i o h 基团，在模拟体液和体内也可诱导磷 灰石的沉积及骨形成【2 9 】。溶胶一凝胶法制备氧化膜工艺简单，不受基体形状限制，而且可以 调控薄膜的表面组成、形态及性质等，但这种二氧化钛凝胶层与基体的结合较弱。 4 电化学沉积法 加拿大学者s h i r k h a n z a d e n l 3 0 在1 9 9 1 年报道了用电化学沉积法制备磷酸钙涂层的工艺。 电化学沉积法是在较低的温度下进行的，因而克服了等离子喷涂时高温所引起的羟基磷灰 石失去羟基、相变和脆裂，致使生物活性破坏，可以减少植入后涂层的分解、脱溶的可能 性。电化学沉积法是非直线过程，可以使用于外形复杂的基材，同时具有高的可控性、工 艺简单、成本低等优点。 5 离子注入法 离子注入技术是将某种元素的原子进行电离，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( 如图1 - 6 所示) ，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。 图1 - 6 离子注入系统示意图 9 查堕查竺堡圭兰垡丝苎 与其他表面改性方法比较，离子注入法具有独特的优点1 3 1 , 3 2 j ：离子注入过程是非热平 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任何材料之中；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地控制靶材料的注入 浓度，梯度和注入深度。离子注入的一个主要缺点是离子注入后样品表面改性层厚度不足 ( 一般小于0 1 微米) ，因此可将离子注入与表面沉积同时使用，这种技术被称为离子辅助 沉积( i a d ) p ”。 6 碱液活化及仿生沉积法 在制备涂层之前，先活化骶金属基体表面，促进其在仿生溶液中形成c a p 化合物，从 而有效的强化植入体与骨的结合，改善了它们的生物相容性。用碱液进行活化处理被认为 是一种可获得生物活性医用钛金属有效方法【3 羽。这种化学处理对钛表面结构的影响是导 致表面产生包含碱离子的生物活性钛酸层，在模拟体液( s b f ) 中会加速类骨磷灰石在豇 表面的自发形核，最后形成c a p 涂层。这种简单的化学处理方法引起人们广泛的关注，是 目前最有前景的表面改性工艺之一。碱处理同样被用来获得生物活性的钽金属 3 9 1 。然而， 它并不是对所有的金属生物材料都起作用，例如s u s 3 1 6 l 不锈钢和c o - c r - m o 合金p ”。 1 4 3n i t is m a 的表面改性研究 n i t is m a 区别与其它钛合金的一个重要特点是它具有高的n i 含量以及在生物环境下 由于n i 的溶出而存在潜在的毒副作用，这是n i t is m a 作为金属生物材料的最大缺陷。针 对这一缺陷，科研工作者们对医用n i t is m a 的表面改性主要集中在降低其表面n i 含量和 抑制表面n i 原子的溶出，以及提高表面的抗腐蚀、抗疲劳等力学性能。 众所周知，n i n 移植材料的生物相容性依赖于其表面自然形成抗腐蚀的二氧化钛薄膜， 这种薄膜能够阻碍镍的析出【蜘。然而，镍无论是金属态还是氧化态都能在n i t i 表面被发现， 它的含量与表面处理方法有关1 4 1 4 2 】。 考虑到n i t is m a 含有大量噩，这种元素能够在有氧环境下被氧化，从而在原位形成二氧 化钛薄膜。因此，表面氧化是一个在n i t is m a 上制作二氧化钛薄膜的理想方法。f i r s t o v 等人 【4 3 】研究了机械抛光后的n i 面合金在空气中于3 0 0 8 0 0 的表面氧化行为，结果发现5 0 0 和 6 0 0 c 热处理时，在氧化层中出现一个无n i 的区域，这有利于提高n i n 移植材料的生物相容性； x u 等人州报导了其在4 5 0 - - 7 5 0 c 纯氧环境下等温氧化行为；c h u 等人 4 5 1 贝1 j 研究了近等原子 n i t i 合金在于空气中从5 5 0 到1 0 0 0 等温氧化行为；c h a r t 等人 4 6 1 研究了等原予n i 豇合金于 4 0 0 c 分别在氧气环境与空气环境下的氧化过程，结果表明在不同氧化环境下形成不同的氧化 物。这些研究结果表明，n ms m a 经过高温下不同表面氧化后，其表面主要覆盖物为二氧化 钛和富镍层。这使得通过表面氧化方法在n i ns m a 上形成二氧化钛薄膜成为可能。 c h e n g 等人1 4 7 通过将机械抛光后n i t i 试样在6 0 含4 + 离子的溶液中预处理8 小时后， 再经过1 0 小时1 4 0 水热处理后发现，n i 基体表面覆盖一层约2 0 0 n m 厚的锐钛矿形态的 1 1 0 2 ，并在h a n k s 溶液中进行抗腐蚀行为实验，结果表明表面这种形态的物质大大提高了 1 0 n i n 试样的抗腐蚀性。 a r m i t a g e 等人【4 8 】考察了喷丸处理、电子抛光、机械抛光及热处理等表面处理方法对n i t i s m a 表面结构的影响。所有试样的表面主要为 r i 0 2 ，然而，n i 元素的含量随着表面处理的 方法表现出不同。抛光后热处理过的表面，表面n i 为氧化态且在表面n i 总含量减少。4 0 0 以下低温氧化过程中，试样表面的氧化以向内生长为主，且对表面n i t i 比无影响，只是 氧化结构发生转变；在5 0 0 和6 0 0 温度下，主要向外生长，但表面n i 含量下降，这种n i 下降对提高n i 面合金生物相容性是很重要的。 c u i 等人1 4 9 】用n d y a g 激光在n i t i 合金基体表面注入氮的方法，使得基体表面覆盖很 薄的t i n 层，并发现外表面没有n i 的存在，用h a n k s 溶液观察到n i 离子的溶出率远小于 未处理过的n i n 合金试样。 与一般矿和b + 溅射法镀层相比，p e l l e t i e r 等人【5 0 】通过高能氩离子溅射法在n f r i 合金表 面镀上更厚的一层非晶结构，这种非晶结构层能够大大提高n i 西医疗器械的抗磨损和疲劳 性。 “u 等人1 5 1 埔溶胶凝胶法在n i 面合金表面覆盖上t i 0 2 薄膜，结果表明具有纳米尺度的 n 0 2 粒子镶嵌在厚度为2 0 5 n m 的涂层内，主要形态是锐钛矿，涂层致密而且光滑。电化学 腐蚀测量表明，n 0 2 薄膜作为保护层，能够提高n i t i 合金的抗腐蚀性以及血液相容性。 c h o i 等【5 2 】及c h e n 等脚侧近来报道了通过碱液活化处理也能获得生物活性的n i t i s m a 。c h e n 等【5 5 】用h n 0 3 和n a o h 溶液先后浸泡n m 合金试样后，再将试样放入模拟体 液中处理4 8 h ，发现试样表面沉积了一层羟基磷灰石( h a ) 涂层。随后将之移植到鼠骨中， 6 周后发现h a 层上有造骨细胞的增生，1 3 周后可以观察到大量的骨细胞依附在表面；而 未经过表面处理的n i t i 试样则发现与骨之间出现了间隙以及中间出现纤维组织。因此，通 过碱液活化处理可改善生物相容性，使得n m 医用移植更加安全。 1 5 本课题研究目的及内容 近几年，国内外关于其表面改性的研究报道在镍钛记忆合金基础研究领域的文献中比 重明显加大。旨在提高n i t i 合金生物相容性的表面改性技术已发展了很多种，如等离子喷 涂技术、激光熔覆、溶胶凝胶方法和离子注入技术等。虽然处理手段各不相同，但都是通 过在合金表面制备生物涂层( 膜) ，以获得理想的表面状态，降低人体环境下n i 离子的溶 出，提高其生物相容性。 但是，迄今报道的这些方法都存在一些缺陷。必须指出的是，n i ns m a 的相变形为对 热处理条件相当敏感，如温度。因此高温表面氧化方法将对n ms m a 的形状记忆特性产生 不良影响；部分方法对实验条件要求较高，如等离子喷涂，离子注入法等不仅需要先进的 设备，而且对结构复杂的工件则无法胜任。目前，国内外许多学者都致力于研究更加简单、 合理的n