医用金属材料表面改性

生物医用金属材料的制备与性能研究在现代医学领域中，金属材料作为一种重要的制备材料在生物医用方面起到了重要的作用。

这些材料具有良好的生物相容性和机械性能，能够用于骨创伤修复、人工关节等领域。

本文将探讨生物医用金属材料的制备方法和性能研究。

一、生物医用金属材料的制备方法生物医用金属材料的制备方法多种多样，常见的方法包括粉末冶金、溶液法、沉积法等。

其中，粉末冶金是一种较常用的方法。

该方法通过将金属原料加工成微米级的粉末，然后进行烧结或热处理等工艺，最终制备出具有一定强度和生物相容性的金属材料。

另外，溶液法也是一种常用的制备方法。

该方法将金属原料溶解于溶液中，然后通过沉淀、电沉积等方法控制金属沉积在基材上，最终制备出金属薄膜或涂层。

这种方法能够控制金属材料的成分和微观结构，提高其生物相容性和功能性。

二、生物医用金属材料的性能研究生物医用金属材料的性能研究包括机械性能、生物相容性、表面改性等方面。

其中，机械性能是指金属材料在应力、应变等外力作用下的特性。

通过测量金属材料的屈服强度、硬度、延伸率等参数，可以评估材料的强度和韧性。

这些机械性能对于金属材料在骨创伤修复等应用中至关重要。

生物相容性是评估生物医用金属材料在人体内被接受程度的指标。

金属材料与人体组织的相互作用会导致一系列生物学反应，如炎症反应、细胞增殖等。

通过体外和体内实验方法，研究人员可以评估金属材料的生物相容性，以确保其在人体内的安全性和稳定性。

表面改性是通过改变生物医用金属材料表面的化学组成和形貌，来实现其特定功能。

例如，通过表面涂层、微纳结构等方式，可以提高金属材料的附着性、抗菌能力等性能。

研究人员利用化学和物理方法对金属材料进行表面改性，以满足临床应用的需求。

三、生物医用金属材料的应用生物医用金属材料广泛应用于骨创伤修复、人工关节、心脏支架等领域。

例如，在骨创伤修复方面，钛合金和不锈钢等金属材料被制备成骨板、骨针等形式，用于骨折的固定和修复。

医用金属材料的药理医用金属材料广泛应用于医疗器械领域，如骨科植入物、心血管支架、牙科种植体等。

然而，金属与药物之间的相互作用、对药物代谢、作用效果的影响以及生物相容性、毒副作用、抗药性和抗菌性等方面的问题，需要引起关注。

1. 金属与药物相互作用金属与药物相互作用主要表现在金属离子与药物分子之间的配位作用。

例如，某些金属离子可以与药物分子结合形成复合物，从而影响药物的稳定性、溶解度和药效。

因此，在药物制备和使用过程中，需要考虑金属离子的影响，避免金属离子对药物的干扰。

2. 金属对药物代谢的影响金属可以对药物代谢产生影响。

例如，金属可以影响肝脏酶的活性，从而影响药物的代谢速率。

此外，金属还可能影响肠道微生物群落，改变肠道微生物对药物的代谢。

这些影响可能会导致药物疗效的降低或副作用的增加。

3. 金属对药物作用效果的影响金属对药物作用效果的影响主要表现在金属对药物靶点的调控。

例如，某些金属可以与蛋白质结合，影响蛋白质的结构和功能，从而影响药物的作用效果。

此外，金属还可能影响细胞的信号转导通路，进一步影响药物的作用效果。

4. 金属与生物相容性金属与生物相容性主要表现在金属与组织、细胞的相互作用。

对于医用金属材料而言，良好的生物相容性是必要的。

金属应不对人体组织产生毒副作用，不引起免疫反应和炎症反应。

此外，金属还应具有良好的耐腐蚀性能和稳定性，以适应医疗器械的使用环境。

5. 金属与毒副作用金属的毒副作用是医用金属材料的一个重要问题。

某些金属如镍、铬、钴等可能对人体产生毒副作用，如过敏反应、致癌作用等。

因此，在选择医用金属材料时，应充分考虑其毒性和生物安全性。

6. 金属与抗药性金属与抗药性的关系主要表现在金属对细菌耐药性的影响。

某些金属如铜、锌等可能诱导细菌产生耐药性，从而影响抗生素的有效性。

因此，在选择医用金属材料时，应避免选择可能导致细菌抗药性的金属。

7. 金属与抗菌性某些金属如银、铜等具有抗菌性能，可以用于医疗器械的表面涂层或合金成分，以降低感染的风险。

钛表面改性及其生物活性的研究的开题报告
【题目】
钛表面改性及其生物活性的研究
【研究背景】
钛是一种常用的医用金属材料，其具有良好的生物相容性和力学性能，被广泛应用于人工关节、牙科种植、骨修复等方面。

然而，钛材料
的生物惰性使得其表面易受到微生物污染和体液吸附，影响了其应用效
果和寿命。

因此，对钛表面进行改性，提高其生物活性是当前研究热点
和难点之一。

【研究目的】
本研究旨在通过改变钛表面的化学组成、形貌、结构和表面能等方
面的特征，提高钛材料的细胞黏附能力、骨母细胞增生能力等生物活性，从而增强其应用效果。

【研究方法】
1. 钛表面化学处理：采用酸、碱、电化学氧化等方法使得钛表面形
成氧化钛膜、亲水性表面等。

2. 表面形貌处理：通过光刻、电化学蚀刻、溅射等方法在钛表面形
成纳米结构、微结构等表面形貌。

3. 生物学评价：通过细胞黏附实验、骨母细胞增殖实验、细胞免疫
荧光染色等方法，评价改性后钛表面的生物活性。

【预期结果】
改性后的钛表面具有良好的生物活性，细胞黏着、增殖、分化等生
物活性能力均有所提高，且具有优异的血液相容性和组织相容性，具有
广阔的应用前景。

【研究意义】
本研究对钛表面改性及其生物活性的研究有重要的理论和实践意义。

一方面，研究扩展了钛材料的应用领域和深度，为人工关节、骨修复、
牙科种植等临床医学应用提供了更好的选择；另一方面，研究对材料科
学与工程领域的发展也具有一定的推动作用。

骨科植入物的材料和表面改性技术在现代医学和生物科技领域，骨科植入物已经成为了不可或缺的一部分。

顾名思义，骨科植入物是被植入人体用于修复和替换损坏或失去的骨骼组织的人工材料。

包括但不限于人工关节、骨板、钢钉、螺丝和支架等等。

通常，这些植入物需要具有可靠的生物相容性、物理强度和化学稳定性，以保证植入后的有效性和持久性。

骨科植入物的材料和表面改性技术，正在不断地被改进和发展，以解决现有的瓶颈问题，进一步提高植入物的质量和效果。

首先，骨科植入物的基本材料一般都是金属、可降解聚合物或生物陶瓷。

金属材料，如钛和不锈钢等，通常具有优良的力学性能、抗腐蚀性和稳定性，但是其生物相容性差，容易引起局部炎症和组织排异反应。

因此，钛的表面通常都会进行一定的改性，以提高其生物相容性。

可降解聚合物，如PLA和PGA等，不需要二次手术取出，但是它们的力学性能和质量容易受到周围生物环境的影响而变差。

相对而言，生物陶瓷材料常常被用于制作骨头修补材料，因为它们可以分解成无害的化学元素，且具有相似于骨骼组织的化学成分和结构形态。

其次，骨科植入物的表面改性技术也十分重要。

对于金属材料而言，表面的硬度、粗糙度和表面电位会影响细胞粘附和增殖，影响植入物的头一阶段的预后和后期稳定性。

为了提高骨科植入物的生物相容性和减轻周围炎症反应，一些表面改性技术被应用于骨科植入物，其中包括微电解加工、化学处理、热力处理和等离子体喷涂等。

例如，液相沉积法（LPC）被广泛应用于生物陶瓷涂层制备领域。

LPC可以在内部结构上不断的改进，控制其晶体取向和孔隙率，增加植入物与骨组织的接触面积，从而提高生物陶瓷涂层的结合强度。

类似的技术，也被广泛应用于其他类型的骨科植入物的制备和改进。

最后，需要注意的是，骨科植入物的材料和表面改性技术对于患者的健康和安全具有极为重要的作用。

目前，一些研究者还在探索并研制新的骨科植入物材料和新的表面改性技术，以进一步提高骨科植入物的可靠性、生物相容性和实用效果。

功能性材料表面改性与应用功能性材料表面改性在现代材料科学领域中扮演着重要的角色。

通过改变材料表面的化学或物理特性，可以为材料赋予新的功能和性能，从而扩展其应用领域。

本文将重点探讨功能性材料表面改性的原理和方法，并介绍一些常见的应用案例。

一、功能性材料表面改性的原理和方法1. 原理功能性材料表面改性的原理是在材料表面引入新的化学成分或改变其物理结构，从而改变其表面性质。

这样可以调控材料的表面能、润湿性、电子传输性能、化学反应活性等特性，为材料赋予新的功能。

2. 方法功能性材料表面改性的方法多种多样，常见的方法包括化学修饰、物理修饰和生物修饰。

化学修饰是通过在材料表面引入新的化学官能团实现的。

例如，通过在有机高分子材料表面引入羧酸官能团，可以增加材料的表面能，提高其润湿性。

通过在金属表面形成化学键，可以通过表面反应改变材料的电化学性能。

物理修饰是通过改变材料表面的物理结构实现的。

例如，通过热处理、离子注入、溅射等方法改变材料表面的晶体结构和形貌，可以调控材料的光学、电子传输性能。

生物修饰是利用生物体系中的生物分子对材料表面进行修饰。

例如，利用蛋白质、多糖等生物分子的特殊性质，可以改变材料表面的生物相容性、细胞附着性能等。

二、功能性材料表面改性的应用案例1. 涂层材料的表面改性涂层材料是表面改性的重要应用领域之一。

通过改变涂层材料的表面特性，可以提高其抗腐蚀性能、附着力、耐磨性等。

例如，在航空航天领域中，利用表面改性技术可以制备出高温耐热、抗腐蚀的涂层材料，用于航空发动机燃烧室内壁的涂层保护。

2. 传感器的表面改性传感器是用于检测和测量物理、化学信号的装置，其表面改性可以显著提高传感器的灵敏度和选择性。

例如，通过在传感器表面修饰感光材料，可以增强传感器对光信号的响应能力，从而实现更高灵敏度的光学传感器。

3. 燃料电池的表面改性燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的装置，其表面改性对提高电池的效率和稳定性至关重要。

专利名称：一种金属材料表面改性的方法及其产品和用途专利类型：发明专利
发明人：王怀雨,童丽萍,刘涵霞,李志斌,朱剑豪
申请号：CN201710849379.7
申请日：20170920
公开号：CN107937880A
公开日：
20180420
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种金属材料表面改性的方法。

使用两步气体等离子体浸没离子注入技术和化学共价接枝，在金属材料的表面共价接枝抗菌肽。

该方法不影响金属材料主体性能，更加容易实现临床研究及应用。

抗菌肽具有抗菌谱广，不易产生抗药性的特点，且可以针对特定细菌进行抗菌肽设计。

另一方面，本发明技术操作简便，工艺简单，反应条件温和，可在常温下进行，效率高，成本低，可重复性好，后续清洗程序简单。

根据本发明的产品在生物医用领域具有很高的应用前景。

申请人：深圳市创新维度科技有限公司
地址：518055 广东省深圳市南山区桃源街道仙科路崇文花园17栋30层3单元
国籍：CN
代理机构：广州嘉权专利商标事务所有限公司
代理人：薛建强
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金属表面的化学改性随着现代工业的发展，金属材料的制备和应用范围越来越广泛。

金属表面的化学改性技术就是利用化学反应，在金属表面形成一层新的材料或者改变原有的材料性质的技术。

这种技术常用于制备新型材料、改善金属材料的性能、提高材料的耐蚀和抗氧化性等方面。

1. 化学改性的方法金属表面的化学改性方法可以分为以下几类：(1) 化学反应：在金属表面形成一层新的材料。

常见的是化学电镀、电解沉积、喷涂、溅射、热化学炮制、分子束磨损等方法。

(2)钝化处理：金属表面附着的杂质、氧化物等物质，会破坏材料的表面活性，并降低耐腐蚀性和耐蚀性等特性。

对于易被腐蚀的金属材料，常采用钝化处理，形成一层氧化膜，保护金属材料免受损害。

(3) 渗碳处理：对金属表面进行渗碳处理，可以形成一层碳化物层，增强材料的硬度和耐磨性，同时还能提高材料的拉伸强度和疲劳强度等性能。

2. 实际应用金属表面的化学改性技术在实际的工业生产中得到了广泛的应用。

例如，汽车发动机的氧传感器使用的是覆盖有一层氧化铝的金属表面，以保护感应器免受腐蚀。

另外，工业上使用的不锈钢、铬铁合金、铜合金等材料，也常通过化学改性加工来提高耐腐蚀性、抗氧化性、电导率等方面的性能。

此外，化学改性技术还可以用于生物医学领域，例如利用化学反应的方法制备金属表面的生物活性材料。

如果在金属表面提前精确涂上特定荷磁分子和蛋白质，那么这些生物材料就可以被用来诊断和治疗人类疾病。

此外，还可以制备金属表面的抗菌材料，提高医疗器械和生活用品的卫生性。

3. 未来发展金属表面化学改性技术在科技的不断推进下，发展潜力巨大。

这项技术已被应用于日常生活中，例如对化妆品的加工和精炼，甚至还被应用于制作智能手机和集成电路等高科技领域。

这意味着，金属表面化学改性技术生产的产品已经成为21世纪物质基础。

总之，金属表面化学改性技术是实现材料制备、特性改善、环境保护和人类健康的重要手段。

在未来的发展中，人类必将为此付出更多的努力。

第53卷第7期表面技术2024年4月SURFACE TECHNOLOGY·15·医用可降解镁合金应用及表面改性研究进展王国庆，李广芳，刘宏芳*（华中科技大学a.化学与化工学院b.生物医用与防护材料湖北省工程研究中心c.能量转换与存储材料化学教育部重点实验室d.材料化学与服役失效湖北省重点实验室，武汉 430074）摘要：镁及其合金作为新一代生物医用可降解材料，具有良好的经济性、力学性能、生物相容性、可降解性能，在骨科、心血管科、消化科等领域具有广阔的应用前景。

镁合金具有较高的化学活性，因此其降解速率较快，力学性能的维持受限，植入时可能发生的细菌感染会引发炎症和腐蚀加速等问题，因此需要通过表面改性来制备多功能一体化的涂层。

综述了医用可降解镁合金作为接骨板、螺钉、血管支架、胃肠吻合器、胆管支架等植入材料的应用现状及最新研究成果。

讨论了医用可降解镁合金在植入生物体时面临的析氢、pH升高、腐蚀加速、力学性能衰减、稀土元素毒性及内膜增生等具体问题，在此基础上，考察了化学转化、等离子喷涂、微弧氧化、聚合物涂层等4种镁合金表面改性技术的最新研究动态。

结合体内试验和体外试验，概述了表面改性对镁合金安全性、耐蚀性、抗菌性、生物相容性等方面的影响，并简要对比了几种表面改性技术的优缺点。

最后展望了医用可降解镁合金表面改性技术的发展方向。

关键词：镁合金；可降解；植入材料；表面改性；耐蚀性中图分类号：TG174.4；R318.08 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)07-0015-16DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.07.002Research Progress in Application and Surface Modificationof Medical Degradable Magnesium AlloysWANG Guoqing, LI Guangfang, LIU Hongfang*(a. School of Chemistry and Chemical Engineering, b. Hubei Engineering Research Center for Biomedical andProtective Materials, c. Key Laboratory of Material Chemistry for Energy Conversion and Storage,Ministry of Education, d. Hubei Key Laboratory of Materials Chemistry and Service Failure,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)ABSTRACT: As a new generation of biodegradable materials for medical use, magnesium and its alloys exhibit excellent affordability, mechanical property, biocompatibility and biodegradability, and possess extensive application prospects in orthopedics, cardiovascular treatment and gastroenterology. However, the high chemical activity of magnesium alloys leads to excessive degradation rates and limited maintenance of mechanical performance, and the possible bacterial infection during implantation can also lead to problems such as inflammation and accelerated corrosion, so surface modification is necessary to收稿日期：2023-04-18；修订日期：2023-09-25Received：2023-04-18；Revised：2023-09-25基金项目：国家自然科学基金（52171069）Fund：National Natural Science Foundation of China (52171069)引文格式：王国庆, 李广芳, 刘宏芳. 医用可降解镁合金应用及表面改性研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(7): 15-30.WANG Guoqing, LI Guangfang, LIU Hongfang. Research Progress in Application and Surface Modification of Medical Degradable Magnesium Alloys[J]. Surface Technology, 2024, 53(7): 15-30.*通信作者（Corresponding author）·16·表面技术 2024年4月form integrated multifunctional coatings. Starting from the current application of medical degradable magnesium alloys in various fields, the work aims to describe the research status of magnesium alloys as several types of implant materials, and clarify the specific challenges faced by magnesium alloys when implanted in organisms. Based on this, the latest research developments of four kinds of surface modification techniques of magnesium alloys are reviewed, and by evaluating the advantages and disadvantages of these techniques, targeted improvement directions are indicated to facilitate the development and practical application of surface modification techniques of medical degradable magnesium alloys. Medical degradable magnesium alloys are suitable as bone implant materials because of their osteogenic properties. When magnesium alloys are used as bone plates and screws, the mass loss and mechanical performance attenuation in long-term service are unacceptable, and they suffer from hydrogen evolution and pH increase simultaneously. Magnesium alloys can also serve as vascular stents because of their arrhythmia prevention and antithrombotic effects. Nevertheless, besides the rapid corrosion rate, the vascular stenosis caused by intimal hyperplasia should be considered, and the toxicity of rare earth elements in the new stent is not yet clear. When used as gastrointestinal staples as well as bile duct stents, the degradation rate of magnesium alloys needs to be more strictly controlled due to the corrosive digestive fluids they are exposed to. To improve the overall performance of medical degradable magnesium alloys, researchers have prepared various organic and inorganic coatings. The coatings including chemical conversion coatings, plasma spray coatings and micro-arc oxidation films are inorganic coatings. Chemical conversion coatings can effectively improve the biocompatibility and corrosion resistance of magnesium alloys, but the formation mechanism and long-term biological effects of the coatings should be further studied. Especially, attention needs to be paid to the coating formation mechanisms and health risks of the rare earth conversion coatings. Plasma spray, as a conventional method, can firmly integrate the coatings onto the surface of the magnesium alloy substrate, but it is difficult to avoid the formation of micro-pores and thermal stress residues, and further optimization of the spraying process or other post-treatment techniques is required. Micro-arc oxidation films are in-situ formed ceramic layers with excellent bonding strength and hardness. Similar to plasma spray coatings, their surfaces are also distributed with inherent micro-pores or micro-cracks, and these micro-defects are suitable as micro-containers and nano-containers or outer adhesion sites. Polymer coatings belong to organic coatings, which are denser than inorganic coatings, but they are prone to peel off from the substrate and their strength and hardness are not as good as those of inorganic coatings. A better strategy is to utilize the inorganic coating as an intermediate layer to provide sufficient adhesive strength and the polymer layer as a sustained drug release system, thus combining the advantages of the both. At present, the application of medical degradable magnesium alloys has been gradually extended from orthopedics and cardiovascular treatment to gastroenterology, oral and maxillofacial surgery. This change has put forward higher requirements on the comprehensive performance of magnesium alloys. Future research on surface modification of magnesium alloys should focus on key factors such as cell adhesion, controlled degradation, antimicrobial performance and biocompatibility, while moving from static simulations to the dynamic organisms and ensuring the effective functioning of the coatings after implantation.KEY WORDS: magnesium alloys; degradable; implant material; surface modification; corrosion resistance生物可降解材料是一类在生物机体中体液及核酸的作用下不断被降解、吸收或排出体外，最终完全被新生组织取代的生物医用材料，它包括生物可降解陶瓷、生物可降解高分子材料、生物可降解金属材料、复合材料及生物衍生材料等5类[1-2]。