医用金属材料表面处理

1、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己 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，表而涂层处理，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, 需对其表而进行改性。表面改性不仅要抑制有害金属离子的溶岀，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

2、)形态学方法(3)生物化学方法。1物理化学方法一一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 基体表而的方法。(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

3、直接高速喷出镶入基体表而。(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而，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

4、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 善植入体的表而微观形貌来获得最好的植入效果。形态学表而改性 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而改性方法。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口质或酶等有机高分子物质引入基体表而，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

5、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。大多数金属表而存在一层氧化膜，一定条件下会与H或氏作用，形 成附于基体表面的-0H疑基。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口质或酶的分子如胰蛋口 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 物材料的表而，从而使材料表而活性大大提高。（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 金表而制备一层生物活性陶瓷涂层。目前，生物陶

6、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。，常用的耐磨表而涂层有类金刚石碳 （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、光学和力学等方而的诸多优异 性能，如极高

7、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侨形体的耐磨保 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而涂层有广泛的应 用。此外由于其生物相容性己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木质上是电化学腐蚀。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

8、）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而工程的方法对提 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而结合强度较低仍 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 性的多功能表而涂层体系，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。1 俞耀庭

9、.生物医用材料M.天津：天津大学出版社，2000.2 李世普.生物医用材料导论M武汉：武汉工业大学出版社，2000.3 崔福斋，冯庆玲生物材料学M.2版.北京：清华大学 出版社，20044 KWEH S W K, KHOR K A, CHEAXG P. An in vitro in-vestigationof plasma sprayed hydroxyapatite( HA)coatings produced withflame-spheroidizedfeedstockJ. Biomaterials, 2002, 23:775-785.5 VILLERMAUX F, TABRIZIZANM

10、, YAHIAL, etal. Excimer lasertreatmentof NiTi shape memory alloybiomaterialsJ . Applied Surface Science, 1997, (109 / 110):62-66 6 ZHAO B H, LEE I S, BAI W, et al. Improvement offibroblast adherence to titanium surface by calcium phosphate coating formed with IBAD_J. Surface and Coatings Technology,

11、 2005, 193:366-371.7 LIU J X, SHI F, YANG D Z. Characterizaion of sol-gel-derived Ti0：and TiOz-SiO： films for biomedicalappliestionsLJ. Journal of Materials Science and Technology, 2004,20： 550-554.8 ZHANG Q Y, LENG Y. Electrochemical activation of titaniumfor biomimetic coating of calciumphosphateJ. Biomaterials, 2005, 26:3853-3859.9 K0KUB0 T, KIM H M,