生物医用材料黄小叶

生物金属材料黄小叶摘要：本文综述了生物医用金属材料在制备工艺、生物相容性等方面的研究进展，以及生物医用金属材料表面改性的几种方法，并对表面改性在生物金属材料方面做出了展望。关键词：生物医用金属材；钛合金；表面改性；生物相容性前言金属材料具有高强度、高硬度以及较好的韧性和抗冲击性，在承载部位的应用尤为重要，是临床医学领域广泛使用的材料之一。最常见的用途是作为人工假体、矫形物等承力材料应用于口腔、矫形外科等硬组织系统。它包括医用不锈钢、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。现在使用的各种生物体用材料中，没有一种能满足临床使用的各项要求, 如高耐磨性、优良的生物相容性、高耐蚀性等。可采用表面处理的方法对生物体用金属材料进行表面改性，使基体的金属特性与基体的表层生物活性更好地结合起来，为金属生物材料的应用打下良好的基础。钛及其合金低模量 型钛合金由无毒、不致敏的元素组成，如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr(成分均以wt表示)已经开发用于医学及牙科方面。由于这种合金模量低，可有效促进骨损坏的愈合及再生。这一作用已由向兔胫骨损伤植入髓内金属棒获得证实。以Ti-29Nb-13Ta-46Zr金属植入兔的骨组织得到良好复原。这类合金还有望用于牙科修复，如牙冠的镶嵌等。采用重复氧化钙涂层技术将高熔点钛合金(如Ti-29Nb-13Ta-46Zr)用于补牙正在研究中。此外，还研究了采用普通的氧化镁基材料将低熔点钛合金用于固定的牙科修复。钛及其合金不但可用于植入，而且可用于牙科固定手术。目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。不久前，采用计算机辅助设计肼算机辅助制造技术用于牙科修复受到关注。不锈钢和钻合金无镍不锈钢和钴合金在生物医学中的应用受到重视。由于镍是致敏元素，因而氮不锈钢(即无镍奥氏体不锈钢)获得发展。用普通方法制成的无镍不锈钢，由于含锰量高，不易通过锻造而使其变形。为解决这一难题，开发出一种新的无镍不锈钢制造工艺。第一步制出铁素体不锈钢产品在高温下在氮气中加热。氮气扩散进铁素体不锈钢产品，最终可制成无镍奥氏体不锈钢产品。由于氮的扩散深度仅达表面下几个毫米，因而此工艺只适于制造钢丝之类的小直径制品。拉伸强度超过316L钢，但延伸率却不及316L钢，对1473K下吸氧1296ks的Fe24Cr和Fe24Cr-2Mo不锈钢，仅在表面以下2mm深度内可获得完全的 相。在实体模拟环境中，无镍不锈钢的耐蚀特性良好，与普通奥氏体不锈钢相比，无镍不锈钢拥有良好的细胞兼容性。其他金属生物材料除了钛材、Co-Cr合金和不锈钢，还研究了Ag-Pd-Cu-Au-Zn合金和锆基非晶合金之类的金属材料，Ag-Pd-Cu-Au-Zn类合金在日本已广泛用作补牙材料。这类合金的力学特性如疲劳强度和断裂韧性与其微结构和铸造缺陷的关系已进行了相关讨论。非晶合金与同一成分的晶态合金相比通常表现出较高的抗拉强度和较低的杨氏模量。非晶合金比晶态合金还表现出较高的耐蚀能力。在一个锆基非晶合金中，杨氏模量曾低达75GPa，这比一般的钛合金低许多(100GPa)。这些特性有利于缩小植入件的尺寸。因此，锆基和钯基非晶合金正在研究用于生物材料。Zr-Al(Ni-Cu)系锆基合金显示出很高的机械强度(51500MPa)和很低的杨氏模量(100GPa)，预期可作医用材料。在模拟体液环境中，锆基非晶合金的阳极极化行为及表面反应也进行了研究。生物适配性改进为改善金属生物材料的耐磨特性、抗蚀性及生物适配性，对材料进行了表面改性处理。为提高钛的骨诱导作用，对如何涂布磷酸钙基材料的方法进行了充分研究。这类工作之所以必需是因为等离子喷射磷酸钙涂覆技术不理想，为了确保植入体表面的完全覆盖，这个方法要求涂覆层必须达到一定厚度。提高骨诱导作用的另一方法是促使在植入人体内的钛表面上生成羟磷灰石。还研究了钛离子注入和给钛材涂覆CaTiO ，经证实这可提高骨骼的生物亲和力。对CoCr植入合金还使用过生物活性玻璃涂层。拥有六方结构的磷酸钙陶瓷是各向异性的，由于其物理和化学特性与其晶体取向有关，因而受到研究人员关注。经证实，因在体内的外形和应力条件不同，生物活性磷灰石的优先排列方向会发生变化，通过热处理或高磁场作用，可对磷灰石陶瓷的优先晶向进行控制。疲劳、磨损疲劳及磨损特性对力学性能，诸如普通疲劳、磨损疲劳及磨损特性进行了评估和改进。对钛、CoCr合金和不锈钢进行了表面处理以提高其在空气中或模拟体液中的耐磨特性进行了研究，热处理和热力学处理可提高力学特性和疲劳强度，这对植入体的长时间安全使用很关键。钛合金的抗磨损能力比不锈钢或CoCr合金之类的金属生物材料都差，因而对钛必须进行表面改性处理，如氧化、氮化、类金刚石碳涂层以及激光束处理等。生物体用金属材料的表面改性在生物医学工程中, 表面改性一般都是用于提高植人物的耐磨损性, 抗腐蚀性和生物相容性, 改性后的表面一般呈现“ 生物惰性” 或“ 生物活性”。医用金属生物材料主要用于对人体某些组织和器官的加固、修复和替代它包括医用不锈钢、医用钻合金、钦合金、形状记忆合金、担妮错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, 将其植人到人体中, 仍存在着许多问题如何进一步改善植人材料的生物相容性、抗腐蚀能力, 增强其与活体组织的结合力, 提高安全使用性仍是金属生物材料推广应用的主要问题由于植人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表面改性技术是通过对金属材料的表面改性, 从而达到改善材料性能的目的国内外学者认为, 金属生物材料的表面改性技术主要可以分为物理化学方法, 形态学方法, 生物化学方法类。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。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。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。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: 点蚀； 晶间腐蚀； 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展望： 人类已进人对生物体用金属材料高需求的时代, 急待开发出耐磨性能、耐蚀性能、特别是生物相容性更好的活性生物材料目前生物医用材料正在向多种材料复合、性能互补的方向发展, 其中在钦合金方面的研究一直倍受人们关注, 成为最引人注目的生物医学金属材料表面改性技术在生物材料上的应用有效地提高了医用金属材料的表面质量,改善了植入物的植人效果因此, 利用表面改性来提高医用金属材料的生物相容性将会是今后医用金属材料发展的趋势。参考文献：1 李青.生物体用金属材料J.金属功能材料，2000,7（4）：814.2 Wang Changxiang，Chen ZhiqingJ Biomed Eng，1999，16(2)：1403 Weng Jie，Liu Qing，Wlke J G G，et a1Biomaterials，1997，18(15)：4 卫敏仲，顾汉卿. 医用金属材料表面改性与修饰的研究进展.透析与人工器官，2005，（01）.5 李世普生物医用材料导论 M 武汉： 武汉工业大学 出版社 ，20006 崔福斋，冯庆玲生物材料学 M .2版 北京： 清华大学出版社 ，20047 KWEH S W K，KHOR K A，CHEANG P.An in vitro in-vestigation of plasma sprayed hydroxyapatite( HA)coatings produced with flame-spheroidized feedstockJ.Bio- materials,2002，23:775-785 8 乙黑靖男. 金属,1991 ,61 (2) :99 张效忠. 中国生物医学工程学报,1988 ,7 (4) :19210 刘敬肖, 杨大智, 王伟强, 等表面改性在生物医用材料研究中的应用J.材料研究学报,2000,14,(3):225-233.11 张大伟. 金属学报,1990 ,26 (5) :A35112 俞耀庭.生物医用材料M.天津：天津大学出版社，2000.13 ZHANG Q Y,LENG YElectrochemical activation of titanium for biomimetic coating of calcium phosphateJ.Biomaterials，2005，26:3853-385914 张效忠. 中国生物医学工程学报,1988 ,7 (4) :19215 曾晟宇, 赵乃勤, 崔振铎