關(guān)于生物醫(yī)用金屬材料表面改性探究

孫超宇

齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院

關(guān)于生物醫(yī)用金屬材料表面改性探究

孫超宇

齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院

本文主要綜述了生物醫(yī)用金屬材料表面改性的主要措施，介紹了生物醫(yī)用金屬材料的性能及工藝,并進(jìn)一步闡述了應(yīng)用于生物金屬材料中表面改性的發(fā)展趨勢。

醫(yī)用金屬材料；表面改性；方法

引言

生物醫(yī)用金屬材料對于醫(yī)療建設(shè)非常關(guān)鍵，它應(yīng)用的范圍非常廣泛。通常情況下在硬組織系統(tǒng)應(yīng)用的比較多，如矯形外科、口腔等，它可以作為人工假體、矯形物等承力材料發(fā)揮關(guān)鍵作用。生物醫(yī)用金屬材料具有非常佳的力學(xué)性能，從耐蝕性和生物相容性上講也非常良好。但各種生物體用材料就目前應(yīng)用情況來說還存在一些缺陷，若實(shí)現(xiàn)臨床使用的各項(xiàng)目標(biāo)要求還是奢求，缺乏那種耐蝕性較強(qiáng)、生物相容性優(yōu)良、耐磨性很好的材料。為了獲取需要的材料，可對金屬材料表面實(shí)施處理，使其表面形成改性生物體，更好地把基體的表層生物活性和基體的金屬特性結(jié)合在一起，奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)推動金屬生物材料的充分應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)為，劃分表面改性金屬生物材料的技術(shù)主要為三類：物理化學(xué)方法、生物化學(xué)方法、形態(tài)學(xué)方法。本文就立足于這三方面綜合評述金屬生物材料的表面改性方法。

1、物理化學(xué)方法

金屬生物材料表面性能的改善是以化學(xué)或物理手段為主要手段，這種措施應(yīng)用極為廣泛。常見的集中化學(xué)物理方法有六種。

1.1 脈沖激光融敷法

脈沖激光融敷是在基體表面通過脈沖激光照射融敷HA粉的技術(shù)。激光熔覆極其復(fù)雜，它是化學(xué)、物理冶金過程，熔覆件的質(zhì)量的高低取決于受熔覆過程中的參數(shù)，參數(shù)直接影響熔覆零件的致密性、熔覆層的表面粗糙度、稀釋率、裂紋等。激光熔覆是一種有效而簡單的制備梯度涂層的方法。

1.2 熱噴涂法

是一種利用如離子弧、電弧或燃燒的火焰等熱源，軟化或加熱熔融粉末狀的非金屬或金屬噴涂材料，并通過外加高速氣流或熱源自身的動力進(jìn)行霧化，以一定的速度使噴涂材料的熔滴噴向預(yù)處理干凈的基體表面，與基體建立結(jié)合層，是憑借噴涂材料的化學(xué)反應(yīng)和物理變化而生成的工藝手段。這種噴涂方法可分為四種：等離子噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂、火焰噴涂等。

熱噴涂的主要特點(diǎn)有：具有極為廣泛的取材范圍，幾乎任何陶瓷、合金、金屬都能夠成為噴涂材料,甚至有機(jī)高分子材料如塑料也能夠作為噴涂材料；可對各種基體應(yīng)用，幾乎可以噴涂任何固體材料，如玻璃、金屬、陶瓷等；可將特殊的表面性能賦予在普通材料上，使材料實(shí)現(xiàn)抗氧化、耐磨、耐蝕等性能目標(biāo)；能夠控制涂層的厚度；簡單的工藝操作程序，具有較高的效率；不限制材料的形狀尺寸大小,都能夠噴涂其表面；具有顯著的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效果。

1.3 離子注入

離子注入改性是在離子氣化室中將所需的元素進(jìn)行氣化，對材料表層的物理及生物、機(jī)械、化學(xué)性能加以改變的手段。它的明顯特點(diǎn)就是對生物材料的表面硬度及耐磨性能加以進(jìn)一步強(qiáng)化。

離子注入法的優(yōu)點(diǎn)非常獨(dú)特：離子注入過程是一個在低溫狀態(tài)下進(jìn)行的過程,對金屬靶材料的成分，在外部表現(xiàn)出的形狀極其構(gòu)成內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)不會進(jìn)行改變；離子注入過程可以將任何元素原子加速注入于任何材料之中，冶金學(xué)規(guī)律對其不會產(chǎn)生限制，屬于非熱平衡過程。

1.4 噴砂法

在基體表面通過噴砂機(jī)將HA粉末高速噴出，然后直接鑲?cè)搿＿@種方法的主要特點(diǎn)就是可以在低溫情況下操作，非常簡單容易操作。HA粉末具有穩(wěn)定的成分,結(jié)構(gòu)比較一致，不會產(chǎn)生分解情況，并且在噴涂HA顆粒的時候由于高速摩擦,部分化學(xué)鍵聯(lián)接由此產(chǎn)生,所以基體與HA間的結(jié)合力是尚佳的。

1.5 離子濺射法

就是通過高速離子（如Ar+）對HA靶材實(shí)施轟擊，在這個過程中HA粉粒通過濺射并在金屬基體上沉積,它的結(jié)合力是相當(dāng)高的。HA涂層的粘附性非常好、密度也非常高，然而因產(chǎn)品還處于非晶態(tài)，穩(wěn)定性不足，后期的熱處理是不可避免的，而熱處理又有一定的弊端，會導(dǎo)致結(jié)合力減損。500℃下加熱30min是最佳的損失最小的熱處理?xiàng)l件。

1.6 電化學(xué)法

這個制備手段是利用電流實(shí)現(xiàn)反應(yīng)控制的，是對電解液的反應(yīng)實(shí)施調(diào)節(jié),通過電化學(xué)的措施。電泳沉積過程分為兩個，一個是綜合沉積，一個是電泳。

電化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)很多，主要體現(xiàn)為它的制備過程不僅快速而且簡潔，它的條件也非常溫和，具有均勻的涂層，實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)也不困難，具有連續(xù)性的實(shí)施工藝，它不限制表面情況和基底形狀，投資的設(shè)備不多，原料的利用率較高，工藝不復(fù)雜，生產(chǎn)費(fèi)用不高等，但基膜結(jié)合缺乏沒能避免,它能夠防止高溫噴涂等因素發(fā)生羥基磷灰石相變和脆裂,需要對工藝參數(shù)和確定機(jī)理等方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2、生物化學(xué)方法

生物化學(xué)技術(shù)是將有機(jī)高分子物質(zhì)在基體表面引入，使其具有更加良好的生物活性，所以有效、直接是它的主要特點(diǎn)。這種材料可以使植入體加速與周圍組織結(jié)合，使植入處傷口愈合加快，另外從使用壽命和安全性能上講，此項(xiàng)技術(shù)的植入體還能因此而加高。一層氧化膜在很多金屬表面存在,與H+或[H]在一定條件下會發(fā)生作用，形成-OH羥基依附于基體表面。這種表面改性措施，沒有明顯改善材料的耐腐蝕性、耐磨性作用。所以，最后表面改性后修飾材料表面的方法當(dāng)首選此法。

3、形態(tài)學(xué)技術(shù)

形態(tài)學(xué)技術(shù)是對金屬基體表層不改變其化學(xué)組成的環(huán)境下，將其直接在生物體內(nèi)植入,從而對生物體組織產(chǎn)生極大影響。這種技術(shù)并不是將附加涂層或強(qiáng)化層產(chǎn)生于基體表面，它最佳植入效果的實(shí)現(xiàn)是通過對植入體表面微觀形貌實(shí)施改善而獲得的。

形態(tài)學(xué)表面改性工藝不會對材料的生物相容性減損，它提高了結(jié)合的強(qiáng)度，是作為一種表面改性措施非常簡單有效。有一點(diǎn)必須注意,調(diào)整基體表面形貌的過程中通過機(jī)械加工來進(jìn)行，在加工處容易留下微小的毛刺和金屬碎屑,若清除不徹底,將會形成軟組織胞類異物在基體和粘附上的組織之間,對兩者的結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生破壞作用。

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