關于生物醫用金屬材料表面改性探究

孫超宇

齊齊哈爾醫學院附屬第二醫院

關于生物醫用金屬材料表面改性探究

孫超宇

齊齊哈爾醫學院附屬第二醫院

本文主要綜述了生物醫用金屬材料表面改性的主要措施，介紹了生物醫用金屬材料的性能及工藝,并進一步闡述了應用于生物金屬材料中表面改性的發展趨勢。

醫用金屬材料；表面改性；方法

引言

生物醫用金屬材料對于醫療建設非常關鍵，它應用的范圍非常廣泛。通常情況下在硬組織系統應用的比較多，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揮關鍵作用。生物醫用金屬材料具有非常佳的力學性能，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用情況來說還存在一些缺陷，若實現臨床使用的各項目標要求還是奢求，缺乏那種耐蝕性較強、生物相容性優良、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合在一起，奠定堅實的基礎推動金屬生物材料的充分應用。

國內外學者一致認為，劃分表面改性金屬生物材料的技術主要為三類：物理化學方法、生物化學方法、形態學方法。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、物理化學方法

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

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。激光熔覆極其復雜，它是化學、物理冶金過程，熔覆件的質量的高低取決于受熔覆過程中的參數，參數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行霧化，以一定的速度使噴涂材料的熔滴噴向預處理干凈的基體表面，與基體建立結合層，是憑借噴涂材料的化學反應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,甚至有機高分子材料如塑料也能夠作為噴涂材料；可對各種基體應用，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，使材料實現抗氧化、耐磨、耐蝕等性能目標；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；具有顯著的技術及經濟效果。

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行氣化，對材料表層的物理及生物、機械、化學性能加以改變的手段。它的明顯特點就是對生物材料的表面硬度及耐磨性能加以進一步強化。

離子注入法的優點非常獨特：離子注入過程是一個在低溫狀態下進行的過程,對金屬靶材料的成分，在外部表現出的形狀極其構成內部的組織結構不會進行改變；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，冶金學規律對其不會產生限制，屬于非熱平衡過程。

1.4 噴砂法

在基體表面通過噴砂機將HA粉末高速噴出，然后直接鑲入。這種方法的主要特點就是可以在低溫情況下操作，非常簡單容易操作。HA粉末具有穩定的成分,結構比較一致，不會產生分解情況，并且在噴涂HA顆粒的時候由于高速摩擦,部分化學鍵聯接由此產生,所以基體與HA間的結合力是尚佳的。

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,它的結合力是相當高的。HA涂層的粘附性非常好、密度也非常高，然而因產品還處于非晶態，穩定性不足，后期的熱處理是不可避免的，而熱處理又有一定的弊端，會導致結合力減損。500℃下加熱30min是最佳的損失最小的熱處理條件。

1.6 電化學法

這個制備手段是利用電流實現反應控制的，是對電解液的反應實施調節,通過電化學的措施。電泳沉積過程分為兩個，一個是綜合沉積，一個是電泳。

電化學法的優點很多，主要體現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，實現自動化生產也不困難，具有連續性的實施工藝，它不限制表面情況和基底形狀，投資的設備不多，原料的利用率較高，工藝不復雜，生產費用不高等，但基膜結合缺乏沒能避免,它能夠防止高溫噴涂等因素發生羥基磷灰石相變和脆裂,需要對工藝參數和確定機理等方面還需要進一步改進。

2、生物化學方法

生物化學技術是將有機高分子物質在基體表面引入，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。這種材料可以使植入體加速與周圍組織結合，使植入處傷口愈合加快，另外從使用壽命和安全性能上講，此項技術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首選此法。

3、形態學技術

形態學技術是對金屬基體表層不改變其化學組成的環境下，將其直接在生物體內植入,從而對生物體組織產生極大影響。這種技術并不是將附加涂層或強化層產生于基體表面，它最佳植入效果的實現是通過對植入體表面微觀形貌實施改善而獲得的。

形態學表面改性工藝不會對材料的生物相容性減損，它提高了結合的強度，是作為一種表面改性措施非常簡單有效。有一點必須注意,調整基體表面形貌的過程中通過機械加工來進行，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,對兩者的結合強度產生破壞作用。

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