生物材料作业论文综述

1、南 京 理 工 大 学生物材料结课作业论文 学院: 材料学院姓名：BUI DUC THU 学号：914116010002 第一部分：作业第一题：简述生物材料的发展历史？答： 生物材料，又称生物医用材料，是和生物系统相作用，用以对生物体进行诊断，治疗修复和置换损坏的组织，器官或增进其功能的材料，即直接与人体接触处置和诊治的相关材料。可以是天然材料，也可以是合成材料，或是他们的结合，还可以是有生命力的或体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的材料。 自从地球上出现了人类，人类就一直不断的于各种疾病作斗争，而生物材料则正是人类同疾病作斗争的有力工具之一。据史料记载，早在公元前3500年，古埃及人和中

2、国人就会利用棉花纤维和马鬃来缝合伤口，用象牙修复人体失牙。直到20世纪30年代，由于科学技术和医学的发展，特别是新型高分子材料的研究与开发，为生物材料的研究和应用提供了极大的发展空间和机遇。1939年，有机玻璃出现后，科学家们很快制造出假牙及人工骨应用于临床。1943年，赛璐珞作为透析膜制成人工肾获得成功，大大的促进了生物材料和人工器官的发展，继而出现了人工骨，人工肾，人工气管等。20世纪50年代，科学家又研制出人工尿道，人工血管，心脏起搏器，人工心肺等。20世纪70年代，羟基磷灰石，珊瑚等生物活性陶瓷问世，同时，还有人工胰，人工血液也相继出现。20世纪80年代，随着生物技术的研究，人类开始将

3、生物技术应用于研究新的生物材料，迈入21世纪，将成为具有巨大潜力的高科技新兴产业。目前，科学家一般把生物材料的发展大致经历了三代：一般将第一次世界大战以前所使用的生物材料为第一代生物医学材料。代表材料有石膏，金属，橡胶以及棉花等物品。这一代的材料大都已被现代医学所淘汰；第二代生物医学材料的发展是建立在医学，材料科学(尤其是高分子材料学)，生物化学，物理学以及大型物理测试技术发展的基础上的，研究人员也多由材料学家和医生来担任。代表材料有羟基磷灰石，磷酸三钙，聚羟基乙酸，聚甲基丙烯酸羟乙基醋，胶原，多肤，纤维蛋白等。这类材料与第一代生物医学材料一样，其研究思路仍旧是从改善材料本身的力学性能和生化性

4、能，使其在生理环境下能够长期地替代生物组织；第三代生物医学材料是一类具有促进人体自身修复和再生作用的生物医学复合材料。它是在生物体内各种细胞组织，生长因子，生长抑素及生长机制的结构和性能的基础上建立的叫，由具有生理“活性”的组元及控制载体的“非活性”组元构成，有较理想的修复再生效果。它通过材料之间的复合，材料与活细胞的融合，活体组织和人工材料的杂交等手段，赋予材料特异的靶向修复，治疗和促进作用，从而使病变组织大部分甚至全部由健康的再生组织取代。其中骨形态发生蛋白(bone morphegenetic protein，BMP)材料是第三代生物医学材料中的代表。第二题:生物材料可以分为几类？试简述

5、其性能？答：生物材料应用广泛，品种很多，其分类方法也很多。主要有以下几种分类方法：1.按材料属性分类(1) 医用金属材料(biomedical metallic meterials)：该类材料主要有较高的机械强度和抗疲劳性，包括不锈钢，钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体，人工关节，医疗器械等。(2) 医用无机材料(biomedical ceramics)：该类材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性，主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如-磷酸三钙陶瓷等。(3) 医用高分子材料(biomedical polymer)：根

6、据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类，蛋白类，合成的聚氨酯，聚乙烯，聚乳酸，聚四氟乙烯等，用于人体器官，组织，关节，药物载体等。(4) 医用复合材料(biomedical composlite)：生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的，主要用于修复或替换人体组织，器官或增进其功能，也可用作人工器官的制造。一般可以克服单一材料的性能缺点，可获得性能更优的材料。(5) 生物衍生材料(biomedical deried meterials):生物医学衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织衍生而成的。经过处理的生物衍生材料是无生物活性的材料，但其具有类似天然组织的构型和功能，在维持人

7、体动态的修复和替换中具有重要作用，如皮肤掩膜，血液透析膜，人工心脏瓣膜等。2.按材料的功能分类(1) 硬组织相容性材料：主要用于生物机体的关节，牙齿及其他骨组织；(2) 软组织相容性材料：主要用于人工皮肤，人工气管，人工食道等；(3) 血液相容性材料：主要用于人工血管，人工心脏，血浆分离膜，血液灌流用吸附剂，细胞培养基材等；(4) 生物降解材料：主要用于吸收型缝合线，药物载体，愈合材料，粘合剂以及组织缺损用修复材料。3.按材料来源分类可分为:自体组织(如人体听骨，血管等替代组织)；同种异体器官及组织(如不同人体之间的器官移植)；异种器官及组织(如动物骨，肾替换人体器官)；天然生物材料(如动物骨

8、胶原，甲壳素，珊瑚等)；人工合成材料：(如各种人工合成的新型材料)。4.按使用部又可分为:硬组织材料(骨，牙齿用材)；软组织材料(软骨，脏器用材料)；心血管材料(心血管以及导管材料)；血液代用材料(人工红血球，血浆等)；分离，过滤，透析膜材料(如血液净化，肾透析以及人工肺气体透过材料等)。由于生物材料主要在生物体内应用，所以必须具有特殊的性能。主要有以下性能:(1) 生物功能性:指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。因各种生物材料的用途而异，如：药物的缓释性能(缓解药物)或者承受或传递负载功能(如人造骨骼，关节和假牙等)，电光声传导功能，填充功能等。(2) 相容性:指生物材料

9、有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。可概括为材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性(无毒性，无致癌性，无热原反应，无免疫排斥反应等)。(3) 化学稳定性：耐生物老化性(特别稳定)或可生物降解性(可控降解)。材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用。(4) 力学性能:材料要有合适的强度，硬度，韧性，塑性等力学性能以满足耐磨，耐压，抗冲击，抗疲劳，弯曲等医用要求。(5) 可加工：能够成型，消毒(紫外灭菌，高压煮沸，环氧乙烷气体消毒，酒精消毒等)。第三题:常用的生物医用高分子材料有哪些？它们具有哪些性能？答: 生

10、物医用高分子材料指用于生理系统疾病的诊断，治疗，修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的高分子材料。近十年来，由于物医学工程，材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性，无毒性等优异性能而获得越来越多的医学临床应用。生物材料可以是天然生物材料如各种甲壳类，昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维等；也可以是人工合成高分子材料如聚酰胺，环氧树脂，聚乙烯，聚乙烯醇，硅橡胶等。生物医用高分子材料的分类可以按用途，或者按材料的降解性不同方法划分。1. 按材料的用途可以把医用高分子材料分为：(1) 手术治疗用高分子材料：缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性输血输

11、液器材。(2) 药用级药物传递用高分子材料：靶向性高分子载体，如肝靶向性和肿瘤靶向性；高分子药物如干扰素，降胆敏；高分子控制解放载体如水凝胶，脂质体。(3) 人造器官或组织：人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等。2. 按高分子材料的降解性能分为：(1) 可生物降解:指的是聚合物在生物体内酶，酸碱性环境下或微生物存在的情况下下，可以发生分子量下降，生产水，二氧化碳的等对生物体或者环境无毒害的小分子化合物的性能。可生物降解高分子材料有：胶原，线性脂肪族聚酯，甲壳素，纤维素，氨基酸，聚乳酸，聚乙醇酸，聚己内酯等。(2) 不可生物降解性(生物惰性材料):相容性是一种生物材料在特殊应用中和宿主反应

12、起作用的能力，要求植入材料和基体间的相互作用能够永久的被协调。在生物环境下自身不发生有害的物理(参透，溶解，或者吸附)或化学反应(对酸碱酶稳定)聚乙烯，聚丙烯，聚丙烯酸酯，芳香聚酯，聚硅氧烷，聚甲醛等。 生物医用功能材料在使用的过程中由于常常与生物肌体，体液，血液等等相接触，有些还长期在体内放置，因此要求其性能较为出色。其要求比普通工业用材料的要求要高度的多，尤其是对于植入性材料的要求更甚。对于在人体内应用的高分子材料一般要求如下：1.力学性能稳定 在使用期限内，针对不同的用途，材料的尺寸稳定性，耐磨性，耐疲劳度，强度，模量等应适当。比如，用超高分子量聚乙烯材料做人工关节时，应该用模量高，耐疲

13、劳强度好，耐磨性好的材料。2.化学性能稳定 作为生物材料，化学性能稳定，对人体的血液，体液等无影响，不形成血栓等不良影响。人体是一个相当复杂的环境，血液在正常环境下呈现微碱性，胃液呈酸性，且体液与血液中含有大量的钾，钠，镁离子，含有多种生物酶，蛋白质，人体的环境易引起聚合物的降解，交联及氧化反应；生物酶会引起聚合物的解聚；体液会引起高分子材料中的添加剂析出；血液中的脂类，类固醇以及脂肪等会引起聚合物的溶胀，使得材料的强度降低。例如聚氨酯中含有的酰胺基极易水解，在体内会降解而失去强度，经过嵌段改性后，化学稳定性提高。对于硅橡胶，聚乙烯，聚四氟乙烯等分子链中不含可降解的基团，化学稳定性则更为出色。

14、另外需在体内降解的骨钉，骨板，手术缝合线等则要求材料在体内在一定时间降解，尽快地被组织分解吸收，而不应该在体内产生对人体有毒，有害的副产物。 目前常使用以下技术来控制降解速度：(1) 用形状，表面积以及不同的链接比例来控制合适的降解速度，以保证材料在正常的使用期限中具有良好的性能而在活体康复后尽快降解。(2) 在大分子链上引进功能基团，引进抗体，药物活性物质，进行功能团修饰及增进材料的亲水性，加快材料的水解速度。(3) 通过前端工具控制缓释药物的释放速度，改善药物通过膜的透过性。3.材料与人体的组织相容性好 材料与人体的组织相容性好，不会引起炎症或其他排异反应材料。所引起的宿主反应应该能够控制

15、在一定可以接受的范围之内，同时材料反映应控制在不至于使得材料本身发生破坏。一些含有对人体有毒有害的基团是不能用作生物医用功能材料的，如有些添加剂对人体有害或有些残留单体对人体有不良影响等，这都应该引起极度的警惕。有些添加剂会随时间的变化，从材料内部逐渐迁移到表面与体液和组织发生作用，引起各种急性和慢性的反应。主要有急性局部的炎症，坏死，形成血栓以及异物排异反应；急性全身反应如急性毒性感染，发热，循环障碍等；慢性局部炎症，组织增生或组织粘连溃疡；慢性全身反应如慢性中毒，脏器功能障碍等。 研究评价生物相容性标准与标准方法一直是生物医用功能材料研究的重要组成部分。临床使用前对生物医用功能材料进行严格

16、的测试与评价以确保临床使用的安全性是十分必要的。国际标准化组织ISO/TC194制定了生物医用功能材料的检验测试项目，其标准实验是可重复性试验，试验程序一般由简到繁，从体内到体外，先动物后人体。4.无致癌性，耐生物老化 无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料及物理机械性能不发生明显的变化。生物医用药用功能材料植入人体时，除应该考虑材料的物理性质和化学性质外，另外还应该考虑其形状因素。引起癌变的因素是多方面的，有化学因素，物理因素以及病毒等。应用高分子材料植入人体后，其本身的性能以及它所包含的杂质，残余单体等都有可能引起和众多副反应的发生。研究表明，高分子材料对人体并不存在更多的致癌因素。当植

17、入材料是粉末，海绵，纤维状时，不会产生肿瘤。虽然组织细胞会围绕它们生长，但它们不会由于氧和营养不足而发生变异，因此致癌的危险很小；但是当植入的材料是片状时，大体积的薄片出现肿瘤的可能性要比在薄膜上穿孔时高出一倍左右，其原因可能是由于植入的高分子材料影响了周围细胞的代谢，细胞营养不充分，长期受到异物刺激而产生变形所致。有些材料需要植入人体长期存放，因此这类材料应选用化学稳定性好，不含降解基团，机械性能稳定的材料。在体内短期放置，机械性能明显下降的材料如尼龙，一般不宜选作长期植入体内的材料。有些材料植入体内后，还要承受一定的负荷及动态应力，如人工骨关节。材料机械性能的降低不会使材料本身破坏从而丧失

18、其实用功能。5.不因高压蒸煮，干燥灭菌，药液等消毒措施而发生质变生物医用功能材料在植入体内之前都必须经过严格的消毒处理，要求如下：(1) 蒸汽灭菌的温度一般在120140，不能选用软化点低于此温度的材料。(2) 化学灭菌通常使用环氧乙烷，碘化合物，甲醛，戊二醛等，采用化学灭菌可以进行低温消毒，从而避免了材料产生的变形。但化学灭菌应避免材料与灭菌剂发生副反应，除了化学反应外，还应避免材料吸附灭菌剂。因此材料应用时，必须除去灭菌剂之后方可植入体内。6.易于加工成型并且来源广泛 除上述一般要求外，根据用途的不同和植入部位的不同有着各自的特殊要求，如与血液接触的不能产生凝血，眼科材料应对角膜无刺激，注

19、射整形材料要求注射前流动性好，注射后固化要快等。作为体外时用的材料，要求对皮肤无害，不导致皮肤过敏，耐汗水等侵蚀，耐消毒而不变质。人工器官还要求材料应具有良好的加工性能，易于加工成所需的各种复杂形状。总而言之，不同的用途有着许多特殊的要求。 第二部分：论文 生物医用材料新表面改性技术综述1. 前沿生物材料是用以和生命系统结合，以诊断，治疗或替换机体中的组织，器官或增进其功能的材料。它涉及材料，医学，物理，生物化学及现代高技术等诸多学科领域。它的临床应用根据其功能一般要加工成单独或与药物一起使用的部件。人类对生物医学材料研究，目的是为了使该材料制成的器件能够代替或修复人体的器官和组织并实现其生理

20、功能。生物材料不但要像传统的功能材料一样具有明确的理化性质，还必须要有良好的生物性质。生物材料长期或临时与人体接触时，必须充分满足与生物体环境的相容性，即生物体不发生任何毒性，致敏，炎症，致癌，血栓等生物反应，而这些都取决于材料表面与生物体环境的相互作用。因此，控制和改善生物材料的表面性质，是发挥和运用材料与生物体之间的有利条件，抑制不利因素的关键途径。而传统的金属和合金，陶瓷及高分子三种性质的材料中，很少有能完全达到植入机体所要求的生物性能。因此，对材料表面进行各取所长趋利避害的改性，成为很多生物材料学家研究工作的重点。2. 医用金属材料的优缺点金属及其合金材料的优点不言而喻，它们都具有拉伸

21、及压缩强度高，耐冲击性及延展性好，成形加工性能好，性能稳定，可靠性高等优点，故常用于替代或修补某些硬组织，特别是支撑强度较大的身体部位，如牙齿，骨头等。值得注意的是，金属材料大都很容易受到体液的侵蚀。这不仅缩短了材料的使用寿命，而且当金属材料植入人体后与体液及血液中的蛋白质和氨基酸相互作用，金属表面会发生腐蚀现象1-2，造成金属离子进入体液中，或金属离子与生物分子(如蛋白质和酶)相结合等，可引起种植体周围组织的局部坏死和炎症反应，甚至金属溶出物可造成的循环器官障碍，过敏反应和致癌等全身反应，影响宿主的健康。以目前最引人注目的金属生物医学材料Ti-6A-l4V合金为例，其中，当V离子进入人体后，

22、将引起慢性炎症3，A1离子与无机磷结合，使体内缺磷，将诱发老年痴呆症4等等。其次，大多数金属的耐磨性较差，以常用的Ti-6A1-4V钛合金为例，80年代初，人们发现在磨损条件下在植人物组织周围有大量Ti，V，A1黑色碎屑存在，因此没经表面涂层或表面处理的Ti-6Al-4V合金被认为不适合用于承受表面磨损场合。还有，金属材料的弹性模量与人体自然骨的弹性模量之间的不匹配，而且大多数金属植入物都比较重，增加了患者的负重。金属材料多为良导体，能在体内形成小电流，可能引起神经疼痛。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3类。3. 物理化学方法3.1

23、 热喷涂热喷涂5是利用一种热源，如电弧，离子弧或燃烧的火焰等将粉末状的金属或非金属喷涂材料加热熔融或软化，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔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。热喷涂具有如下特点：取材范围广，几乎所有金属，合金，陶瓷都可以作为喷涂材料，甚至塑料等有机高分子材料也可以作为喷涂材料；可用于对各种基体，金属，陶瓷，玻璃等几乎所有固体材料进行喷涂；材料的尺寸大小形状不受限制，均可对其表面喷涂；涂层的厚度可以控制；工艺操作程序简单，效率高；可赋予普通材

24、料以特殊的表面性能，可使材料满足耐磨，耐蚀，抗氧化等性能要求；技术及经济效果显著等。热喷涂在生物医学领域应用很多，研究表明6，在金属钛或钛合金上用等离子喷涂HA，其涂层厚度可达大于30Lm，涂层与基底的结合强度大于60Mpa。然而等离子喷涂HA层有很大的不足之处，如由于等离子喷涂是直线过程，使具有粗糙基底的表面涂层不均匀，不适用于形状复杂的生物金属材料基底，而且由于制备过程中温度较高，高温作用易使HA发生分解，从而在涂层中会产生杂质和非晶HA等，冷却时基底与涂层界面会存在很高的残余应力，涂层的结晶度较低7，弹性模量大8，以及由于膨胀系数失配造成的结合强度低9等。故研究人员在提高涂层结合强度，致

25、密度等方面进行了深入的研究工作。如：郑学斌等在10Ti-6Al-4V基体上制备了HATi复合涂层，缓和了涂层与基体间的热膨胀系数失配情况，极大的改善了涂层和基体的结合质量。3.2 离子注入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，使形成高能细小的离子束而打人作为靶的固体材料表层，从而达到改变材料表层的物理，化学，机械以及生物性能的方法。离子注入技术在提高生物材料的表面硬度及其耐磨性能方面得到了成功的应用。同时在提高生物材料的耐蚀性，生物相容性方面也正在逐渐得到应用。与其他表面改性方法比较，离子注入法最大的优点是它可以向金属或合金表面注

26、入任何所需要的元素，被注入的元素不受合金系统中固溶度的限制，而且由于基体温度较低，所以它只改变材料的表面特性，而不影响基体材料的内部结构的性能。除此之外，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人任何材料之中；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。对金属材料进行离子注入可以改善材料的机械性能，如硬度，耐磨性，抗疲劳性等，对金属植入材料的使用安全性和使用寿命都具有重要意义。但是它的缺点也不可忽视，就是其成本较高，所形成的膜相对较薄11。将离子注入技术应用到医学领域相关的研究最早可以追溯到七

27、十年代末期，1977年P.Baurschmidt等人提出将离子注入技术应用至医用材料表面处理的可能性。1985年Dearnaky12-14等人利用活化技术观测了注入氮的Ti-6Al-4V合金的耐磨性提高了1000倍。AChenn15等人采用氮离子注入Ti-6A1-4V合金，大大提高了钛合金的耐磨性能，并且发现如在注入过程中提高靶的温度，能够增大注入层的厚度，并使钛合金的耐磨性能进一步提高。Buchanan16等人研究了磨损对腐蚀的加速作用，认为钛合金的腐蚀磨损机理为表面损伤，因此采用氮离子注入钛合金，在提高其耐磨性能的同时，也提高了钛合金的耐腐蚀性能。此外，采用离子注入法可在Ti合金表面形成T

28、iN，TiC等硬质相17，从而大大提高钛合金的表面硬度离子经氮离子注入的316I不锈钢在模拟体液中的时间一电位曲线及循环极化曲线表明，氮离子注入剂量为1016离子/cm时，其耐蚀性能得到显著提高18。Co-Cr-Mo合金的氮离子注入研究结果表明19，在离子注入氮和氧的过程中，Co-Cr-Mo合金产生了位错，提高了Co-Cr-Mo合金的表面活性，润湿性及硬度，同时提高了Co-Cr-Mo合金的耐磨性能和耐腐蚀性能。在国内，张效忠等20将经氮离子注入后的钛合金与超高分子量聚乙烯对磨，磨损率明显降低。在无润滑条件下，在有蒸馏水，盐溶液和人血浆条件下，磨损率降低了(50500)%。3.3 离子镀离子镀也

29、是物理气相沉积(PVD)的一种，最早在20世纪60年代被提出，它是指在真空条件下，利用气体放电使气体或蒸发物质部分电离化，在气体离子或被蒸发物离子轰击作用的同时，把蒸发物或其反应物沉积在基片上，离子镀把气体的辉光放电或弧光放电等离子技术与真空蒸发镀膜技术结合起来，可以提高修饰层的各种性能。离子镀是镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜过程。经过近四十年的发展，已经发展了多种类型的离子镀方法，主要有直流放电二极型，活性反应蒸镀增强型，空心阴极离子镀，多弧离子镀，离子束增强沉积等几类。其中离子束增强沉积(IBED)是近年来新发展起来的一种表面改性技术，又称为离子束辅助沉积(IBAD)，它把离子束注入和常

30、规气相沉积技术结合起来，在气相沉积的同时，用带有一定能量的离子轰击被沉积的物质，利用沉积原子和轰击离子之间的一系列物理化学作用，使界面原子互相渗透而溶为一体，大大改善了膜与基体的结合强度，在常温下合成各种优质薄膜。它结合了离子束注入和常规气相沉积技术的优点并消除了其缺点，因而可以制备出比别的方法质量更优的膜层结构。离子镀具有如下特点：(1)离子镀可在较低温度下进行，不改变基体的组织和结构；(2)膜层的附着力强，对所有衬底都有好的结合力；(3)绕镀能力强；(4)沉积速度快，镀层质量好；(5)基底材料和镀膜材料选择性广；(6)对环境无污染，镀前清洗简易，适用面广等。离子束增强沉积除具以上特点外，还

31、有自身的特点：工艺控制参数为电参量，不需要控制气体流量等非电参量，因此工艺再现性好；是一种在室温下控制的非平衡手段，可在室温得到高温相，亚稳相及非晶态合金；与高真空相容；可提高薄膜微密度，晶粒细化，消除或减轻膜的本征应力，使薄膜具有所希望的晶体学择优取向；利用反应离子的轰击可以控制薄膜的化学组成，保持化学计量比的稳定性，提高化学活形成完好的氧化物，氮化物，碳化物薄膜；可以方便的控制生长过程，便于实时观察研究薄膜的生长规律。因此，近年来得到了迅速的发展。但同时，离子束增强沉积也有其自身固有的弱点，如；由于离子束的直射性，此方法难以处理复杂表面的样品；由于离子束束流尺寸的限制，也难以处理面积较大的

32、样品；薄膜的沉积速率通常在1nm/s左右，只能制备薄的膜层，不适用于大批量产品的镀制等。3.4离子溅射溅射镀膜是物理气相沉积(PVD)的一种，也是提高材料使用性能的有效途径之一，它是指在真空室中，利用低压气体放电产生的高能正离子轰击阴极，使被轰击出的粒子在基片上沉积形成硬质膜的技术。我们通常所说的溅射就是指二级溅射，又称阴极溅射。它最大的优点就是设备简单，控制方便。但其缺点就是因工作压力较高而使膜层有玷污，而且膜层易受损伤，不易达到生物医学材料的要求。之后发展起来的三级溅射，四级溅射，射频溅射等都因为这样或那样的缺点限制了溅射技术在生物材料中的应用。直到七十年代发明了磁控溅射技术，溅射技术才有

33、了新的转机。所谓磁控溅射就是在二极溅射装置中，装设一个特殊的磁场(磁控效应)增强气体放电的高速溅射源(磁控靶)，利用磁场的特殊分布来控制电场中的电子运动轨迹。它把磁控技术和二级溅射技术相结合，基本上克服了二级溅射的“低速高温”的缺点，沉积速率与二极溅射相比提高了一个数量级。总的说来磁控溅射有如下特点：应用的广泛性；使用的简便性；操作的易控性；沉积的高速性；基板的低温性；易于组织大批量生产；沉积薄膜牢固，致密，优质。陈民芳等21采用射频磁控溅射法在TC4钛合金(Ti-6AI-4V)基体上制备了HA及HA和TiO。复合薄膜，通过显微压人法及粘结拉伸法，定量及定性分析了涂层与基体之问的结合强度，发现

34、完全满足生物涂层材料的使用性能要求。DingSJ22等用射频磁控溅射的方法在Ti-6Al-4V上制备不同比例的HA/Ti涂层(95HA/5Ti，25HA/75Ti，和50HA/50Ti)，发现结合强度都在60-80Mpa之问。3.5激光熔覆 激光熔覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一，它是在金属基体表面上预涂一层金属，合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，控制能量输入参数，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从面得到一外加的熔覆层。激光熔覆是一个复杂的物理，化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率，光斑直径，离焦量，送粉速度，扫描速度，

35、熔池温度等，他们的对熔覆层的稀释率，裂纹，表面粗糙，度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时，各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在熔覆工艺允许的范围内。通过此种方法可大大提高材料表面的硬度，耐磨性，耐腐蚀，耐疲劳等机械性能，可以极大提高材料的使用寿命。激光熔覆具有对基底加工深度浅，作用时间短，功率及部位可准确控制，较低稀释率，热影响区小，与基面形成冶金结合，基材扭曲变形比较小，无化学污染，过程易于实现自动控制等优点。Y.T.Pei等23在铝合金基体上用激光熔覆了A1Si40功能梯度涂层，发现从涂层底部至顶部，硅的形状，尺寸和数量均呈梯度变化。

36、这表明激光熔覆是制备梯度涂层的一种简单而有效的方法。张光磊等24采用两步法对钛合金表面进行了改性，即首先在其表面激光熔覆CaO或CaCO3。得到良好的含CaO的复合涂层，然后通过化学处理得到Ca4O(PO4)2：磷酸盐生物活性涂层。经XRD和SEM分析表明涂层与基体的结合良好。张亚平等“们也在此方面作了大量的工作。3.6电化学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。包括电泳沉积，电沉积(电结晶)复合电镀等几类。电泳沉积是电泳和沉积两个过程的综合，是悬浮液中荷电的固体陶瓷微粒在电场作用下发生定向移动并在电极表面沉积的现象。电化学法有

37、涂层均匀，制备过程简洁快速，条件温和，工艺实施具有连续性，易于实现自动化生产，对基底的形状和表面情况没有限制，设备投资少，生产费用低，原料利用率高，工艺简单等优点，可以避免高温喷涂等引起的羟基磷灰石相变和脆裂，但仍存在基膜结合不够高等问题，而在机理确定和工艺参数的改进等方面还有很多工作要做。 Ducheyne等25在丙醇中将羟基磷灰石沉积在钛板和多孔钛上。沉积电压为60300Vcm，时间为10120s。电结晶是在电化学作用下金属离子从溶液中沉积出来形成晶体的过程，用此方法可以在含有钙，磷离子的水溶液中，常温下利用外电场的作用在基材上电沉积出羟基磷灰石涂层，加拿大学者M.shirkhanzade

38、h26在1991年用电结晶法在Ti-6Al-4V合金材料上电沉积得到了含3.7%CO3的多孔针状缺钙HA生物涂层，这一含量接近于自然骨质中CO3的值(约4%)。4. 形态法 形态学方法是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。生物软组织细胞，如成纤维细胞，与基体的联接是通过在两者之间形成一层厚约15nm的软蛋白质膜来实现的27。当细胞与基体联接时，细胞对基体的表面形貌具有反应的自然特性，如细胞的排列，形状，取向，极

39、性等都会根据基体形貌的变化而变化，这就是所谓的接触导向性。对于反应灵敏的细胞，基体表面纵深130nm的变化幅度就足以影响到细胞接触导向的变化28。因此，当基体表面呈现出粗糙微观面时，粘附在其上的细胞就会由原来的球状与基体间的“点”接触形式转变为细胞顺基体起伏而铺展开来的“面”接触形式，从而提高了细胞与基体的结合能力27。 当表面孔隙大于140nm，即空间大小可允许毛细血管伸延入其中为成骨细胞的生长提供养料时，这些孔隙就会优先生长出成骨细胞29。它们便成了基体与骨联接的“固定销”，显著提高植入体抗剪切应力强度30。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

40、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31以及电化学晶界腐蚀等。值得注意的是，以机械加工来调整基体表面形貌容易在加工处留下微小的金属碎屑和毛刺，如果不予彻底清除，将会在基体和粘附上的组织之间形成软组织胞类异物，从而破坏两者的结合强度。5. 生物化学方法 生物化学技术是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

41、下用APS(Aminopropy ltriethox ysilane) 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32。此法是由美国科学家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。减损，并逐渐消失。Villermaus33 等采用等离子体聚合方法将C2F4单体气体通入等离子体反应器中在NiTi合金表面合成了四氟乙烯薄膜，在类体液(Hank's溶液）中耐腐蚀能力大幅度提高。Morra等34在钛表面用等离子方法进行了表面高分子薄膜合成和改性系统研究。

42、他们首先对乙烯等离子在钛表面进行等离子体聚合反应，形成约40nm厚的碳氢膜，随后对表面进行能够大气成分等离子体处理15s，然后进行甲基丙烯酸羟乙酯表面接枝。由于生物分子种类繁多，将其固定在基体上所用的引导物质也各有不同，对固定住的生物分子与基体的结合强度仍须加以研究35。且此种表面改性方法，对材料的耐磨性，耐腐蚀性没有明显改善作用。因此，这种方法将是表面改性后材料表面最后的修饰方法。6. 表面改性技术发展现状 材料和生物体相互作用机制的大量研究表明：生物材料表面的成分，结构，表面形貌，表面的能量状态，亲（疏）水性，表面电荷，表面的导电特征等表面化学，物理及力学特性均会影响材料与生物体之间的相互

43、作用。通过物理，化学，生物等各种技术手段改善材料表面性质，可大幅度改善生物材料与生物体的相容性。目前，生物材料表面改性的研究主要集中在以下方面：6.1表面形貌与生物相容性 生物材料的生物相容性除了与材料表面化学状态有关外，还与材料的表面形貌密切相关。表面平整光洁的材料与组织接触，易形成炎症和成瘤；而较为粗糙的材料则对细胞生长有“接触诱导”作用。对于与血液接触的医用生物材料，一般要求材料的表面应尽可能光滑。因为这样，产生的激肽释放酶少，从而使凝血因子转变较少。目前已经基本建立了材料表面形貌与细胞，组织粘附行为之间的关系。6.2生物医用材料的表面修饰 材料表面修饰是材料改性的最直接方法。种植内皮细

44、胞的人工血管具有抑制血小板激活的作用，可以维持血管表面不发生凝血；目前，内皮细胞化研究的热点是；怎样获得结合牢固的，均匀覆盖的单层内皮细胞层，以减少因基质的暴露而导致的血栓。涂布白蛋白涂层，可以阻止凝血的发生，防止机体形成血栓。聚氧化乙烯表面接枝及磷脂基团表面都能阻止抗凝血过程的发生，这两种方法也是表面修饰的重点。6.3等离子表面改性等离子体是一种全部或部分电离的气态物质，含有亚稳态和激发态的原子，分子，离子，并且电子，正离子，负离子的含量大致相等。等离子体中的电子，离子，原子，分子等都具有一定能量，可与材料表面相互作用，产生表面反应，使表面发生物理化学变化而实现表面改性。等离子体表面改性有等

45、离子表面聚合，等离子体表面处理和等离子体表面接枝三种方法。等离子体表面改性的优点是过程简单，成本低，可大幅度改变材料的表面性质。但是等离子体表面改性反应尚不完全了解，因而对它的控制也有待完善。7. 展望 目前应用于生物医用材料的表面改性技术，主要是通过离子注入或电化学方法在基体表面制备生物惰性薄膜，以提高植入物的抗腐蚀性和血液相容性32。金属材料表面改性在生物医用领域的发展是十分重要的，就改性方法而言各有其优缺点。由于人体内的生理环境复杂，要提高属材料的生物相容性，在今后的改性研究中，可以综合考虑采用多种方法进行改性，这将在临床应用上开创新的领域，前景十分广阔。参 考 文 献1 Merritt

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