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钛丝钛棒等医用钛合金材料的表面技术处理

发布时间:2021-03-10 11:00:22 浏览次数 :

第二次世界大战以后,由于航空航天和军事产业对材料制备及加工工艺的严格要求,钛及钛合金开始应用于医学领域。

由于其良好的综合力学性能和可加工性、生物相容性,钛及钛合金被广泛应用于牙科、人体矫形外科以及医疗器械等医学领域,成为人工关节、骨创伤产品、人工牙齿等硬组织的替代或修复的优选材料。

对于生物医用材料,在其植入人体后,必须考虑生物相容性,即生物材料与组织、血液以及免疫和全身反应,同时又必须满足足够的强度和韧性,适宜的弹性模量,以及高度的稳定性(耐磨、耐蚀)和持久的耐用性(疲劳和断裂)等力学相容性。

a医用钛棒

但是,从目前应用来看,钛及钛合金仍然存在诸多问题,无法满足生物材料的所有要求,主要集中在以下几个方面:

第一,生物相容性较差

钛合金的弹性模量与骨组织弹性模量相比,约为骨组织的4~10 倍,植入后易产生“应力屏蔽”效应,在界面上机械性能不匹配,无法与骨形成强有力的化学性结合,仅为机械嵌连性结合,易与周围宿主骨组织分离而发生松动,导致植入失败。

第二,耐磨性相对不佳

钛合金摩擦系数大,在植入人体后,大量的磨损是由于摩擦和磨损的产生,导致钝化膜破裂,在周围组织的生物反应,导致各种炎症,抑制成骨细胞的增殖,使骨骼重塑紊乱和骨质吸收差,使植入体松动并最终导致植入失败。

第三,钛合金医用材料的抗腐蚀性还具有可提高空间

在自然条件下,钛合金的表面迅速与氧反应生成一层致密的氧化膜,这种氧化膜在自然条件下可长期稳定存在,并阻止钛合金与空气或水的反应,经过分析得出,钛合金在自然条件下耐蚀性能良好。然而,在较为复杂的人体中,引用钛合金材料在身体体液腐蚀作用下,表面氧化膜容易出现剥离或溶解可能性,疲劳性能劣化,并且在U 期间将植入有毒物质Al、V 等缓慢渗入体内,Al,V 元素具有一定的细胞毒性,可能导致骨组织表面无法生成磷灰石,对人体产生不利影响。

针对上述应用中的问题,人们通常通过两种途径来解决,提高医用钛合金的综合应用性能:

第一,通过合金成分设计、调节金属材料组织结构提高其应用性能。

第二,通过改变钛及钛合金材料的表面性能。目前,钛合金的表面改性在生物医学领域引起越来越多的关注。表面改性不仅保持了基质材料的优良机械和生物学性能,而且大大提高了其临床性能。

因此,采用各种表面改性技术来提高钛合金的生物相容性,耐磨性和耐腐蚀性已成为生物医用钛合金的热点问题。

1、羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)

涂层羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)是人体骨骼和牙齿的重要无机组成部分之一,在钛及钛合金表面增加羟基磷灰石涂层后植入人体,磷和钙会游离出材料表面,被身体组织吸收,并促进生成新的组织。

对钛合金进行表面改性而得到的钛合金/ 羟基磷灰石涂层复合材料,兼具了良好的强度韧性和生物兼容性,引起了大量学者的广泛兴趣。HA 涂层和人体骨骼的成分以及构成相似,可以有效地促进成骨细胞的贴附和聚集,新骨可同时在周围骨组织的表面和HA 涂层的表面生长,它还促进植入物与骨组织之间的直接化学键合。较为常见的图层处理方法 有:等离子体喷涂、激光熔覆、激光凝覆、激光合金化、溶胶—凝胶法、水热合成、电化学沉积和离子注入等。Chien将纳米羟基磷灰石和精氨酸- 甘氨酸- 天冬氨酸多肽固定 在钛植入物表面,发现植入物具有显著的诱导成骨作用,促进成骨细胞分化,抑制成骨细胞凋亡。

Hanawa 发现钙离子注入可以加速磷酸钙在钛表面的沉积,从而提高钛的骨传导性。Kruoa 将磷离子注入钛表面,使钛的抗腐蚀性得到了显著提高。Maitz 通过实验证实了将Na 离子注入钛表面后,促进羟基磷灰石的沉积,提高生物活性。目前临床用HA 涂层虽然可改善钛合金植入物的生物活性,但仍然存在涂层与基体结合强度差的问题。随着植入体内时间的增长,基体与涂层的界面结合强度逐渐减小,这极大地降低了植入体的生物稳定性。

为了提高基体与HA 涂层的结合强度,研究者又进行了深入的研究。Montenero 等利用溶胶—凝胶法在基体与HA 涂层之间引入氧化钛或钙钛矿过渡层,从而成功制备出表面组织良好、无裂纹的HA 复合涂层,显著提高了复合涂层与基体的结合强度。

虽然许多学者已经研究和论证了HA 表面涂层在提高内部植物材料的稳定性方面的作用,但由于HA 涂层与衬底表面之间的结合力低,导致HA 层在注入过程中剥离,限制涂层的推广应用。

钛丝

2、耐蚀耐磨涂层

钛合金作为植入材料植入人体后,在体液的长期侵蚀下,表面的钝化膜被溶解,抗腐蚀性能严重下降,对人体产生不利影响,因此提高植入物表面抗腐蚀性能变得尤其重要。朱胜利等通过实验考察了化学表面处理对医用TiNi 形状记忆合金耐蚀性能影响。实验结果表明,经化学处理后的合金表面形成了活钙磷层,使合金在人工模拟环境中的耐蚀性得到了提高。 Wu 等采用等离子束沉积技术在Ti-6A1-4V 合金表面制备了类金刚石复合涂层,研究了复合涂层在3.5%NaCl 溶液中的腐蚀性能。结果表明:复合涂层有效的提高了钛合金的耐腐蚀性能。吴晓宏等采用微弧氧化法在钛合金的表面制备陶瓷层,形成了均匀一致的陶瓷膜。 对改性前后的钛合金进行电偶电流和循环伏安测试,证明改性后表面陶瓷膜层的存在明显提高了基材的耐腐蚀性能。秦妍梅等利用双辉等离子渗金属方法在纯钛表面制备了    Mo-N 改性涂层,并考察了试样在0.5 mol/L 的稀硫酸溶液中的耐蚀性。

结果表明,经Mo-N 共渗后钛合金的耐腐蚀性能明显提高。陈飞等采用辉光离子渗碳技术在Ti-6A1-4V 合金表面制备了TiC 涂层。考察了改性前后试样在0.5 mol/L 稀硫酸溶液中的腐蚀性能。结果表明:改性后钛合金表面耐蚀性能显著提高。

目前开发的医用钛合金仍存在耐磨性能较差的问题。对于金属植入体,特别是人体关节而言,应当具有良好的耐磨性,避免因经常磨损而失效。

因此在钛合金表面形成一层耐磨层来提高其耐磨损性能尤为重要[8]。马等在Ti-6A1-4V 合金表面上通过微弧氧化方法合成了TiO2 涂层,并研究了涂层在人工模拟体液中的摩擦学性能。

结果表明,与Ti-6A1-4V 基体合金相比,涂层的磨损量减少,摩擦磨损性能显著提高。王风彪等用微弧氧化法在钛合金表面制备羟基磷灰石(HA)膜,考察了浸泡在模拟体液中的膜的耐磨性。结果表明,膜的厚度随浸泡时间的增加而增加。

浸泡后,随着摩擦时间的增加,薄膜的摩擦系数先增大后减小,耐磨性提高。Wang 等采用物理气相沉积法在TC4表面制备TiN 涂层,并对人工模拟体液中涂层的耐磨性进行了分析。结果表明,与TC4 基体合金相比,改性合金的比磨损明显降低,耐磨性显著提高。

结果表明,TiN 复合涂层能进一步提高涂层与基体的结合强度,改善涂层的摩擦学性能。黄楠等准备一个TiN/Ti-O 梯度涂层,该涂层是在TC4钛合金表面制备的,结合等离子体浸没注入与沉积技术下完成。实验研究了涂层的磨损性能和力学性能。结果表明,复合涂层的硬度为19.5 GPa左右,耐磨性能具有显著提高。

医用钛板

3、表面抗菌涂层

长期植入生物医用材料会导致细菌和其他微生物粘附在其表面,导致感染。人工种植牙与人造关节等人体植入类医疗器械被大众所接受,医疗器械引起的细菌感染已成为各临床科室关注的重要问题之一。

目前在我国牙科植入领域,钛合金以其优良的耐腐蚀性、综合力学性能及生物相容性占据人工种植牙材料使用巨大比例。骨创伤产品和人造关节(如人体硬组织替代物和假体)的首选材料。

但生物医学钛及其合金植入材料在植入人体后也会遇到感染问题。一方面要减少细菌污染,包括在植入生物材料之前彻底治愈慢性感染,生物材料植入过程以严格的无菌操作和用预防性应用抗生素。另一方面,生物材料的性能应该得到改善和提高。最有效的方法之一是生物医学钛合金的表面改性。

钛合金表面抗菌涂层的改性大致可可分为两类即活性与惰性,这取决于抗菌物质在涂层中的有效性。

惰性抗菌涂层不会自动将杀菌物质释放到周围组织中,而活性涂层从周围组织释放杀菌物质,如抗生素,阻止细菌粘附或杀死细菌。惰性抗菌涂料主要抑制细菌粘附,如以物理或化学方式在钛合金植入物表面上构建抗菌聚合物涂层。 但Hetrick 指出,惰性涂料减少细菌粘附,很大程度上取决于细菌的种类。 活性抗菌涂层可以主动释放抗菌成分,头孢菌素,羧苄青霉素,阿莫西林,头孢霉素,万古霉素等抗生素已用于骨水泥和羟基磷灰石涂层中,但涂层添加方法和最佳释放动力学仍然是很多问题。还未得到有效没解决。Campbell 将释放药物洗必泰吸附在TiO2 层,具有良好的抗菌作用。此外在Ti 合金表面进行透明质酸、壳聚糖等聚合物修饰,也可以起到很好的抗菌作用。 鉴于抗生素耐药性和其他风险,近年来非抗生素涂层的研究一直蓬勃发展。含Ag 的抗菌涂层是抗生素涂层最有前途的替代品。Ag 一方面对细菌粘附有较好的抑制作用,另 一方面具有广谱抗菌性,对革兰氏阴性和阳性菌有持久的抗菌作用。

闫凤英采用在电解液中加入Ag2O 中,乙二醇作为分散剂进行了载银HA/TiO2 的复合微弧氧化膜的初步制备,获得了最高银含量为1.67%的MAO 薄膜。但该文献并未对银的分布,存在形式,进入机制和抗菌性能进行进一步的研究。Futao 等在电解液中加入AgNO3 和H2PtCl6,使Ag,Pt 添加到材料中。

在实验中发现银的引入提高了反应剧烈强度,提高了电解液温度。

根据在材料表面生长的细菌的特性,可以发现,为了得到有效的抗菌材料,需要抗菌剂具有高效和快速的抗菌效果,细菌在未侵入医用材料表面前就已经将其杀死。如何使涂层不仅具有良好的力学性能,如粘接强度,但也使它成功地负载一定量的银离子抗菌剂,达到符合要求的抗菌效率和长效抗菌,是目前医用钛合金材料和器件表面抗菌涂层的主 要研究目标。

4、结语

如何改进和提高生物/ 力学相容性和植入物安全性,是生物医用钛合金永久的研究课题。实验及应用研究证明,医用钛及钛合金的表面改性材料与技术为其性能的改善提供 了一个思路。

如何对现有涂层制备技术进行优化、开发新型涂层成为以后研究的热点与方向。

参考文献

[1] A m i r e t a l . J o u r n a l o f B i o m a t e r i a l s a n d T i s s u eEngineering[J],2015,5,593-619.

[2] Alfred.Materials[J],2014,7,8168-8188.

[3] M Kulkarni et al.Nanotechnology[J],2015,26,062002.

[4] M i l e n a e t a l . M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n gC[J],2016,69,1429-1441.

[5] 付涛, 李红伟, 吴锋, 等. 采用水热方法在镍钛合金表面一步合成TiO2-羟基磷灰石纳米薄膜[J]. 稀有金属材料与工程,2016,45(5):1128-1131.

[6] 张大鹏, 刘永庆, 王志强. 医用多孔钽的特性及其表面改性的研究进展[J]. 中国煤炭工业医学杂志,2017,20(2):236-239.

[7] 余森, 于振涛, 牛金龙, 等. 钛合金植入物与人体组织表面/ 界面相互作用研究进展[J]. 热加工工艺,2017(22):18-22.

[8] 马凯, 赵宝红, 邓春富. 医用钛及钛合金牙种植体生物相容性及其相关抗菌性能研究进展[J]. 中国实用口腔科杂志,2016,9(7):441-445.

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