醫(yī)用鈦合金的表面改性課件

醫(yī)用鈦合金材料

表面改性生物醫(yī)學(xué)金屬材料

金屬材料是生物醫(yī)學(xué)材料中應(yīng)用最早的。由金屬具有較高的強(qiáng)度和韌性，適用于修復(fù)或換人體的硬組織，早在一百多年前人們就已用貴金屬鑲牙。隨著抗腐蝕性強(qiáng)的不銹鋼、彈性模量與骨組織接近銅鐵合金，以及記憶合金材料、復(fù)合材料等新型生物醫(yī)學(xué)金屬材料的不斷出現(xiàn)，其應(yīng)用范圍也在擴(kuò)大。生物醫(yī)學(xué)金屬材料的特殊要求

并不是多有的金屬材料都能用作生物醫(yī)學(xué)材料，生物醫(yī)學(xué)金屬材料還有一些特殊要求。（1）抗腐蝕性 （2）毒性低或無毒性 （3）高機(jī)械性能常見生物醫(yī)學(xué)金屬材料

金屬及其合金在生物體內(nèi)的生物活性、磨損、腐蝕問題尚未解決，需對(duì)其表面進(jìn)行改性。

表面改性不僅要抑制有害金屬離子的溶出，而且要促進(jìn)組織的再生和加強(qiáng)材料與組織結(jié)合。

生物鈦合金材料的表面改性技術(shù)主要可以分為：

（1）物理化學(xué)方法（2）形態(tài)學(xué)方法（3）生物化學(xué)方法。

醫(yī)用金屬與合金表面涂層處理不足之處：

①不適用于形狀復(fù)雜的生物金屬材料基底；②制備過程中溫度較高，；③冷卻時(shí)，殘余應(yīng)力高、結(jié)晶度低、彈性模量大、結(jié)合度低（2）脈沖激光融敷是在低輸出功率、高掃描速度的脈沖激光照射下，將涂敷材料融敷在基體表面的方法

優(yōu)點(diǎn)：

涂敷過程中涂敷材料的結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯改變，所以性能相對(duì)穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：

提供的基體-涂敷層結(jié)合力不強(qiáng)，受力易脫落，在融敷過程中還可能會(huì)使涂敷層因過冷而形成非晶態(tài)，導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)不一致，甚至出現(xiàn)裂紋。

（3）離子濺射

離子濺射以高速離子轟擊靶材，使涂敷材料粉粒濺射并沉積在金屬基體

優(yōu)點(diǎn)：

形成的涂層具有高密度、高粘附性等特點(diǎn)

缺點(diǎn)：

涂層穩(wěn)定性差，需后續(xù)熱處理，而熱處理又有可能減損基體與涂層及涂層與骨組織之間的結(jié)合力。（4）噴砂法

用噴砂機(jī)將涂敷材料粉末直接高速噴出鑲?cè)牖w表面。優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單易行，低溫操作，涂層粉末不產(chǎn)生分解，成分穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)一致，并且在噴涂過程中由于顆粒間高速摩擦，形成了部分化學(xué)鍵聯(lián)接，所以涂層與基體間的結(jié)合力較高。2形態(tài)學(xué)方法：

在不改變金屬基體表層的化學(xué)組成的情況下，將其直接植入生物體內(nèi)，從而達(dá)到對(duì)生物體組織在其上的粘附、生長(zhǎng)以及粘附強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。此方法并不在基體表面產(chǎn)生強(qiáng)化層或附加涂層，而是通過改善植入體的表面微觀形貌來獲得最好的植入效果。形態(tài)學(xué)表面改性工藝在提高結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，一般不會(huì)減損材料的生物相容性，是一種比較簡(jiǎn)單有效的表面改性方法。其具體方法有：等離子噴刷、超音振蕩、激光束點(diǎn)融以及電化學(xué)晶界腐蝕等。3生物化學(xué)方法將大分子蛋白質(zhì)或酶等有機(jī)高分子物質(zhì)引入基體表面，使其具有更優(yōu)良的生物活性，因而具有更直接、更有效的特點(diǎn)。這樣的材料可以促進(jìn)植入處傷口的愈合，加速植入體與周圍組織的結(jié)合，同時(shí)也可以提高植入體的安全性和使用壽命。大多數(shù)金屬表面存在一層氧化膜，一定條件下會(huì)與[H]或H+作用，形成附于基體表面的-OH羥基。在這種情況下用(APS)對(duì)基體進(jìn)行硅烷化處理，再通過戊二酸醛的作用將一些蛋白質(zhì)或酶的分子如胰蛋白酶，以化學(xué)鍵聯(lián)接在基體表面上。此方法是由美國(guó)科學(xué)家David.A.Puleo提出，它可以將活的生物分子固定在無機(jī)、非孔狀、非松散生物材料的表面，從而使材料表面活性大大提高。醫(yī)用鈦合金的發(fā)展：（1）純鈦和Ti-6Al-4V為代表（2）新型α+β為代表（3）β型鈦合金為代表醫(yī)用鈦合金存在的問題：（1）生物活性不理想（2）耐磨性差（3）耐蝕性有待提高提高耐磨損性能的鈦合金表面改性鈦合金植入件應(yīng)當(dāng)具備良好的耐磨性，不會(huì)因經(jīng)常磨損而產(chǎn)生假體松。目前應(yīng)用的醫(yī)用鈦合金雖然具有優(yōu)良的耐蝕性和比強(qiáng)度，但耐磨性較差，為了提高鈦合金的耐磨損性能，通常是利用表面處理工藝在鈦合金表面形成一層耐磨涂層。，常用的耐磨表面涂層有類金剛石碳(DLC)膜、氮化鈦(TiN)涂層等。

1類金剛石涂層類金剛石碳膜具有先進(jìn)的化學(xué)、電子、光學(xué)和力學(xué)等方面的諸多優(yōu)異性能，如極高的硬度、化學(xué)惰性、低摩擦系數(shù)、高阻抗、良好的熱傳導(dǎo)性和優(yōu)良的光學(xué)透過性等，因而可以廣泛用作醫(yī)用矯形體的耐磨保護(hù)層。

2TiN涂層TiN具有高硬度、優(yōu)良的摩擦磨損性能、良好的化學(xué)惰性、獨(dú)特的顏色，這些非凡的特點(diǎn)使其在耐磨和耐腐蝕的表面涂層有廣泛的應(yīng)用。此外由于其生物相容性已得到了醫(yī)學(xué)界的承認(rèn)，從而也為其在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。提高耐腐蝕性能的鈦合金表面改性腐蝕的機(jī)理本質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕。其腐蝕原理與原電池的工作原理相類似通過陽極極化曲線檢測(cè)表明，金屬材料的耐蝕性為鈦合金>鈷基合金>不銹鋼

常用金屬材料的耐腐蝕性能提高金屬的抗腐蝕性能的途徑：（1）在材料表面形成保護(hù)層-生物陶瓷（2）提高材料表面光潔度方法：化學(xué)鈍化法、電化學(xué)鈍化法、溶膠-凝膠法、離子注入法、激光熔覆法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、電鍍、電化學(xué)法和微弧氧化法等鈦合金生物材料的展望隨著人民生活水平的提高及對(duì)健康的更高要求，對(duì)生物醫(yī)用材料的需求量正在迅速地增長(zhǎng)。盡管近年來人們運(yùn)用表面工程的方法對(duì)提高醫(yī)用鈦合金材料的性能(生物活性和相容性、耐磨耐蝕性)開展了大量的工作并取得進(jìn)展，但涂層與鈦合金基體的界面結(jié)合強(qiáng)度較低仍是困擾鈦合金植入體臨床應(yīng)用的瓶頸問