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钛合金在骨科植入领域的研究进展钛合金因其具有良好的生物相容性和机械性能，已成为骨科植入物领域的首选材料之一。
骨科植入物是一种用于支撑和修复骨骼系统的医疗设备，对于治疗骨折、关节病变等疾病具有重要意义。
本文将综述钛合金在骨科植入领域的研究进展，包括文献综述、研究现状、研究方法、成果与不足以及未来展望等方面。
在骨科植入领域，钛合金的应用已经有了大量的研究。
早期的研究主要集中在钛合金的生物相容性、耐腐蚀性和机械性能等方面。
随着材料科学的不断发展，人们对钛合金表面改性、微观结构等方面的研究也越来越深入。
研究人员还针对钛合金在骨科植入物中的应用开展了大量临床试验，为钛合金在骨科植入领域的广泛应用提供了依据。
目前，钛合金在骨科植入领域的应用已经非常广泛。
钛合金植入物的设计、制造和表面处理等方面得到了不断改进，使得其生物相容性、机械性能和耐腐蚀性等得到了显著提高。
随着3D打印技术的不断发展，钛合金在定制化植入物方面的应用也越来越受到。
然而，钛合金植入物也存在一些问题，如应力遮挡效应、植入物松动等，这些问题需要进一步研究和解决。
在钛合金在骨科植入领域的研究中，研究人员采用了多种方法，包括实验设计、动物试验、临床试验等。
实验设计主要涉及材料的选取、加工工艺的确定、表面处理方法的优化等方面。
动物试验主要用于评价钛合金植入物的生物相容性和耐腐蚀性等。
临床试验则主要考察钛合金植入物在治疗人类骨科疾病中的疗效和安全性。
通过大量的研究，我们已经取得了许多关于钛合金在骨科植入领域的成果。
钛合金的生物相容性得到了显著提高，这得益于表面改性技术的发展。
通过优化加工工艺和改进植入物设计，钛合金植入物的机械性能和耐腐蚀性得到了提升。
3D打印技术的应用为定制化植入物的发展提供了新的途径。
然而，尽管取得了一定的成果，但仍存在一些问题和不足。
应力遮挡效应是钛合金植入物中一个普遍存在的问题，可能导致骨骼强度下降。
植入物松动是另一个需要的问题，这可能与植入物的固定方式以及患者活动量增加有关。
钛合金表面处理及其生物相容性研究一、钛合金概述钛合金是目前工业上广泛使用的高强度、低密度金属材料，其具有良好的机械性能和化学稳定性。
因此，钛合金在医学和生物领域应用广泛，如人工关节、牙科修复、心脏支架和植入医疗器械等。
但是，与生物体组织的界面接触时，钛合金往往会引发一系列的生物相容性问题。
二、钛合金表面处理钛合金的表面和组织接触时，其生物相容性会受到很大影响。
因此，在制造钛合金植入器材的过程中需要对钛合金表面进行处理以改善其生物相容性。
目前，常用的钛合金表面处理方法主要包括以下几种：1.氧化处理氧化处理是将钛合金表面暴露在氧化性环境中，使其表面形成氧化膜。
该氧化膜可以增加钛合金表面的稳定性和抗腐蚀性，进而增强其生物相容性。
但是，氧化处理后得到的氧化膜厚度不易控制，且容易发生龟裂。
2.电化学处理电化学处理是将钛合金表面浸泡在电解液中，通过控制电位、电流密度和电解液成分等条件，改变钛合金表面的化学成分和形态，增加其生物相容性。
该方法造价相对较低，但对电解液成分和操作条件有一定要求。
3.离子注入离子注入是通过注入氟离子、氮离子等杂质元素，改变钛合金表面的性质。
该方法可以提高钛合金表面的硬度和耐磨性，减少磨损异物对生物体的影响。
但是，离子注入会改变钛合金的晶体结构和化学成分，从而影响其生物相容性。
三、钛合金生物相容性研究钛合金作为一种重要的医用材料，在使用过程中其生物相容性问题备受关注。
近年来，针对钛合金表面处理和生物相容性方面进行了大量研究。
以下为具体研究内容：1.表面处理对生物相容性影响的研究研究表明，不同的表面处理方法对钛合金的生物相容性具有显著影响。
如氧化处理可以改善钛合金表面的抗腐蚀性和稳定性，提高其生物相容性；离子注入可以提高钛合金表面的硬度和耐磨性，但也会对生物相容性造成微小影响。
2.钛合金和人体组织的界面研究钛合金和人体组织的界面接触是关键问题之一。
研究表明，钛合金表面处理可以改变其和人体组织的接触状况，提高钛合金的生物相容性。
国内外医用钛及钛合金标准及性能发布时间：2010-4-17 10:20:42 中国废旧物资网一、钛在医学中的应用1、钛作为一种新兴的材料在我国及世界制药工业、手术器械、人体植入物等领域使用已有几十年的历史，并已取得了极大地成功。
2、人体内应外伤、肿瘤造成的骨、关节损伤，采用钛及钛合金可制造人工关节、接骨板和螺钉现已广泛用于临床。
还用于髋关节（包括股骨头）、膝关节、肘关节、掌指关节、指间关节、下頜骨、人造椎体（脊柱矫形器）、心脏起搏器外壳、人工心脏（心脏瓣膜）、人工种植牙、以及钛网在头盖骨整形等方面。
3、对于植入物材料的要求可以归为三个方面：材料与人体的生物相容性、材料在人体环境中的耐腐蚀性和材料的力学性能，作为长期植入材料有下列七项具体要求：①、耐蚀性;②、生物相容性；③、优越的力学性能和疲劳性能；④、韧性；⑤、低的弹性模量；⑥、在组合体中有好的耐磨性；⑦、令人满意的价格；4、外科植入物材料主要有：金属、聚合物、陶瓷等，金属材料又包括不锈钢、鈷基合金和钛基合金。
材料性能与骨性能的比较和植入物材料的特性比较见表一和表二。
从表二可以看出，不锈钢价格低廉，易于加工，但耐蚀性和生物相容性不如钛合金；鈷鉻合金的耐磨性比钛合金好，但密度较大，太重；钛及钛合金由于比强度高，生物相容性好及耐体液腐蚀性好等特点正日益受到重视。
钛合金的不足之处识是耐磨性差、难于铸造，加工性能也差。
二、国内外外科植入物用钛及钛合金加工材标准情况1、国外外科植入物用加工材标准纯钛：国际标准化组织 ISO 5832/2 1999E《外科植入物－纯钛加工材》美国标准：ASTM F67 2006a 《外科植入物用纯钛》TC4: 国际标准化组织 ISO 5832/3 1996Z 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-4V加工材》ASTM F1472 2002 《外科植入物用Ti-6Al-4V合金加工材》TC4ELI: ASTM F136 2002a 《外科植入物用Ti-6Al-4VELI（超低间隙）加工材规范》TC20: ISO 5832/11 I994(E) 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-7Nb合金加工材》ASTM F1295:2005《外科植入物用Ti-6Al-7Nb合金加工材》2、中国国家标准①、《外科植入物用钛及钛合金加工材》中国国家标准为GB／Ｔ13810-2007，牌号有：TA 1ELI、TA1、TA2、TA3、TA4、TC4、TC4ELI、TC20.品种有：板材0.8～25mm；棒材7.0～90mm；丝材1.0～7.0mm；GB\T13810-2007标准中规定的各项性能指标：②、GB／Ｔ13810-2007标准中，为了保证外科植入物用钛及钛合金加工材的综合性能（强度、塑性、韧性、硬度、抗疲劳等性能的合理匹配），对两相钛合金的高倍金相组织和氢含量及其它间隙元素含量都有非常严格的要求和控制。
钛合金在生物医用领域的应用优势雷霆;李红梅【摘要】The performance advantages and application status of titanium alloys in biomedical fields were introduced. The biomedical metallic materials have four basic properties including mechanical properties, biocompatibility, corrosion and wear resistance, and osseointegration. Because of the advantages of titanium alloys such as lower elastic modulus, excellent corrosion resistance and enhanced biocompatibility, it becomes the best choice for biomedical metallic materials.%介绍了钛合金在生物医用领域的性能优势及应用现状.生物医用金属材料必备的四个基本性能,机械性能、生物相容性、耐腐蚀和耐磨性和骨结合性.钛合金具有较低的弹性模量、耐腐蚀、生物相容性优异等特点成为医用金属材料的首选.【期刊名称】《云南冶金》【年(卷),期】2012(041)005【总页数】5页(P58-61,64)【关键词】生物医用材料;钛合金;生物相容性【作者】雷霆;李红梅【作者单位】昆明冶金高等专科学校,云南昆明650033;昆明理工大学冶金与能源工程学院,云南昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TG139生物医用金属材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的金属或合金，主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官的制造［1］。
钛合金的表面强化技术钛合金是一种高强度、高耐腐蚀性的金属材料，广泛应用于航空、航天、医疗、化工等领域。
然而，由于其表面硬度和耐磨性较低，容易受到磨损和划伤，因此需要采取表面强化技术来提高其性能。
下面介绍几种常见的钛合金表面强化技术。
1. 氮化处理氮化处理是目前应用最广泛的表面强化技术之一。
通过在钛合金表面形成氮化层来提高其硬度和耐磨性。
氮化处理分为等离子氮化和氨气氮化两种类型。
等离子氮化是指将钛合金放置在高温下，使氮气分解并离子化，产生负离子氮，形成氮化层。
氨气氮化是指将钛合金表面覆盖一层氮化物衬底，在高温下将氨气注入气氛中，通过扩散形成氮化层。
氮化处理能使钛合金表面硬度提高两倍以上，耐磨性和抗疲劳性能也有所提高。
2. 碳化处理碳化处理是将钛合金表面涂覆一层碳质细粉，然后在高温下使其扩散反应，形成一层碳化物。
碳化处理能够提高钛合金表面硬度，降低磨损和摩擦系数，增加其使用寿命。
但碳化层较脆，容易开裂和脱落，需要加强边角区域的保护。
3. 氟化处理氟化处理是将钛合金表面涂覆一层氟聚合物，然后在高温下使其分解，形成一层氟化物膜。
氟化膜具有很好的防腐蚀性能和润滑性能，能够降低钛合金表面的磨擦和磨损，延长其使用寿命。
但氟化处理容易受到环境中的杂质和污染物的影响，需要在清洗前进行处理。
4. 微弧氧化处理微弧氧化处理是一种在电解液中加高电压，使钛合金表面产生氧化层的技术。
氧化层硬度高、耐磨性好、耐蚀性强，在航空、航天等领域具有广泛的应用。
但微弧氧化处理需要掌握处理参数，对处理设备的要求比较高，成本也相对较高。
总之，钛合金表面强化技术为钛合金的应用提供了重要的支撑。
在实际应用中需要根据具体情况选择合适的强化技术，对钛合金表面进行处理，以提高其性能和使用寿命。
钛合金作为一种高强度、高耐腐蚀性的金属材料，已经被广泛应用于航空、航天、医疗、化工等领域。
下面列举了一些与钛合金有关的数据，进行详细分析。
1. 钛合金的硬度钛合金的硬度与其合金成分、制备工艺、热处理等因素有关。
目录：一、为什么优选钛或钛合金作为人体植入物二、核磁共振对人体金属植入物的要求三、金属植入物对放射性治疗的影响四、电场对金属植入物的影响附件：国内外医用钛及钛合金牌号成分简介附件：钛合金在医学领域的应用一、为什么优选钛或钛合金作为人体植入物金属材料作为生物医用功能材料是材料科学的一个重要分支，用于人体植入物的历史已有４００余年。
英国较早地使用了纯金板修补颅骨、镶牙，其后陆续使用了银、铁片、铁丝及铁基合金的固定骨折关节件。
１９３０年以后，英国、美国使用钴基合金作为人体植入物。
第二次世界大战期间，英国、美国和日本等国家使用了大量的不锈钢作为人体植入物。
不锈钢植入人体，对镍过敏的不能植入316L或是317L。
２０世纪５０年代初，随着稀有金属工业的发展，加工态和铸态的钛、铌、锆作为人体植入物用于临床实验。
医学领域中钛合金的应用现状与发展趋势钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
世界上许多国家都认识到锨合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。
第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。
其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。
20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。
耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。
A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。
结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。
生物相容性是生物材料必须满足的要求。
钛合金具备更优良的生物相容性和与人体自然骨最为接近的弹性模量及优秀的耐磨耐蚀性和成型性。
所以钛合金是最具有开发潜力的生物医用材料之一。
然而，在医学领域，钛合金的表面微观形貌对提高其自身的生物活性有着非常重要的影响。
一般地，为了使合金具有更好的生物活性，在制备活性涂层以前，往往要对合金进行表面改性来改善其表面形貌，目前通过表面改性获得生物相容性良好的医疗器械是更为实用的一种技术。
对金属进行表面改性处理,可使其获得适宜的表面组成、结构形态及表面性能,由此可以改善和提高植入物的生物相容性。
在生物材料工程中,表面改性一般用于提高生物材料的耐磨损性、耐腐蚀性和生物相容性,改性后材料表面一般呈现“生物惰性,,或“生物活性。
目前,表面改性技术有很多种,大致可分为湿法和干法两大类。
湿法是利用在液相中发生各种化学反应从而进行表面改性,例如溶胶一凝胶(501一gel)法、水热合成法、电化学法等;干法是在气相中进行各种反应或沉积,例如等离子喷涂法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、激光融覆法等。
但与此同时，也带来了很多的麻烦，首先，表面改性工作程序复杂，且改性的程度和质量难以控制，需要大量的实验来优化其改性工艺；其次，表面改性的实质是通过一定的工艺来改变试样的表层材料的结构和性能，由此，两种不同结构和性能的材料之间在使用过程中极有可能由于其膨胀系数等因素的差异而导致一些界面问题，甚至更为严重地出现材料的表层脱落现象。
激光技术的发展为材料表面加工提供了高效、便捷、可控的方法。
与传统纳秒激光烧烛相比,飞秒激光烧烛阈值小,可快速产生蒸汽和等离子体,其热导几乎可以忽略,并且不产生液相,对周围的热影响小,因此,特别适合于如同生物物质那样大部分由水分组成的脆性材料的加工。
迄今为止,飞秒激光烧t虫现已应用于角膜整形(LASIK)等医疗诊断和治疗,但还未见对生物植入材料表面加工的报道。
飞秒激光与固体材料作用的研究表明,飞秒激光加工固体材料时会在材料表面产生条纹结构。
医用钛合金材料医用钛合金材料是一种被广泛应用于医疗领域的金属材料，它具有优异的生物相容性、耐腐蚀性和机械性能，因此在医疗器械、人工关节、牙科种植等领域得到了广泛的应用。
本文将就医用钛合金材料的特点、应用和发展前景进行介绍。
首先，医用钛合金材料具有优异的生物相容性。
钛合金材料具有与人体组织相似的弹性模量和密度，不易引起排异反应，能够有效地减少植入物周围的炎症反应，有利于患者的术后恢复。
此外，钛合金材料表面易于形成生物活性膜，有利于植入物与周围骨组织的结合，提高了植入物的稳定性和耐久性。
其次，医用钛合金材料具有良好的耐腐蚀性能。
在人体内，植入物会受到体液的侵蚀和腐蚀，因此材料的耐腐蚀性能对植入物的长期稳定性至关重要。
钛合金材料具有良好的耐腐蚀性能，能够有效地抵抗体液的侵蚀，保持植入物的表面光洁度和机械性能，延长了植入物的使用寿命。
再次，医用钛合金材料具有优异的机械性能。
钛合金材料具有较高的强度和硬度，能够满足医疗器械和植入物对材料强度和刚性的要求。
同时，钛合金材料的加工性能良好，能够制成各种复杂形状的医疗器械和植入物，满足临床的需求。
在医疗领域中，医用钛合金材料被广泛应用于人工关节、牙科种植、骨科植入物等领域。
人工关节是医用钛合金材料的重要应用领域之一，钛合金材料制成的人工关节具有良好的生物相容性和耐磨性，能够有效地恢复患者的关节功能。
牙科种植是另一个重要的应用领域，钛合金材料制成的种植体能够与骨组织良好地结合，成为牙齿修复的理想选择。
此外，医用钛合金材料还被应用于骨科植入物的制造，如骨板、骨钉等，能够有效地修复骨折和骨缺损。
展望未来，随着医疗技术的不断发展和人们对生活质量要求的提高，医用钛合金材料将会迎来更广阔的应用前景。
未来，医用钛合金材料将更加注重材料的表面改性和功能化设计，以提高材料的生物相容性、耐磨性和抗菌性能，满足不同临床应用的需求。
同时，医用钛合金材料还将更加注重与生物材料、医学影像学、生物制造等领域的跨学科融合，推动医用钛合金材料在医疗领域的创新应用。
金属生物材料在骨科植入物中的应用研究引言随着人口老龄化和骨质疏松症的日益普遍，骨科植入物的需求不断增加。
金属生物材料因其优异的力学性能和生物相容性而成为骨科植入物的重要组成部分。
本文将从金属生物材料的选择、表面改性及应用等方面进行详细阐述。
一、金属生物材料的选择金属生物材料通常分为不锈钢、钛合金和镁合金三大类。
不同的材料具有不同的特性和适用范围，选择合适的金属材料对于骨科植入物的成功应用至关重要。
不锈钢具有较高的强度和耐腐蚀性能，适用于制作钉、板等骨内固定材料。
钛合金具有良好的生物相容性和生物组织相似性，适用于制作人工关节、脊柱融合材料等。
镁合金具有良好的生物相容性和生物可降解性，适用于制作骨内固定材料和融合材料。
二、金属生物材料的表面改性金属生物材料的表面改性可以改善其生物相容性和骨结合性。
常见的表面改性方法包括表面氧化处理、锆涂层和生物活性分子修饰等。
表面氧化处理可以形成氧化层，提高材料的耐腐蚀性和生物相容性。
锆涂层可以增加材料的表面粗糙度，并具有良好的骨结合性。
生物活性分子修饰可以通过化学反应或物理吸附的方式将生物活性分子固定在金属材料表面，进一步促进骨细胞的附着和增殖。
三、金属生物材料在骨科植入物中的应用金属生物材料在骨科植入物中具有广泛的应用。
例如，钛合金可用于制作人工关节、脊柱融合材料和骨修复材料等。
不锈钢常用于制作钉、板等骨内固定材料。
镁合金可用于制作骨内固定材料和融合材料。
这些金属生物材料在骨科植入物中具有良好的力学性能和生物相容性，能够有效地修复和重建骨组织。
四、金属生物材料的进一步研究方向目前，金属生物材料在骨科植入物中的应用研究还存在一些挑战和问题。
例如，金属生物材料在长期使用过程中可能出现疲劳断裂和腐蚀等问题，需要进一步改进材料的耐久性。
此外，金属生物材料的表面改性和生物活性分子修饰等方法仍需进行深入研究，以提高材料的生物相容性和骨结合性。
此外，金属生物材料的可降解性还需进一步研究，以实现材料在体内的持续降解和组织修复。
钛基生物陶瓷涂层提高植入物稳定性的研究钛基生物陶瓷涂层提高植入物稳定性的研究一、引言植入物在医学领域中具有重要的应用，例如骨科植入物用于修复骨折和关节置换等。
然而，植入物的稳定性是一个关键问题，它直接影响到植入手术的成功率和患者的康复效果。
钛基材料由于其良好的生物相容性和机械性能，被广泛应用于植入物的制造。
但是，单纯的钛基植入物在某些情况下可能无法提供足够的稳定性。
因此，研究如何提高钛基植入物的稳定性具有重要的临床意义。
生物陶瓷涂层作为一种有效的表面改性方法，被认为可以改善钛基植入物的性能，特别是其稳定性。
二、钛基生物陶瓷涂层的材料选择1. 羟基磷灰石（HA）涂层- HA是一种具有良好生物相容性的生物陶瓷材料，其化学成分与人体骨骼中的矿物质相似。
在钛基植入物表面涂覆HA涂层，可以促进骨细胞的附着和生长。
研究表明，HA涂层能够在植入初期引导骨组织向植入物表面生长，形成紧密的骨-植入物结合界面，从而提高植入物的稳定性。
- 然而，HA涂层也存在一些局限性。
例如，它的机械性能相对较差，在承受较大载荷时可能会发生破裂或脱落。
此外，HA涂层的结晶度和孔隙率等因素也会影响其生物活性和稳定性。
2. 磷酸三钙（TCP）涂层- TCP也是一种常用的生物陶瓷材料，它具有良好的生物降解性和生物相容性。
与HA相比，TCP涂层在体内的降解速度更快，可以为骨组织的生长提供更多的空间和营养物质。
同时，TCP涂层也可以促进骨细胞的分化和增殖，增强骨-植入物结合。
- 但是，TCP涂层的快速降解也可能导致植入物在早期失去部分支撑作用，影响植入物的稳定性。
因此，需要合理控制TCP涂层的降解速度，以达到最佳的植入效果。
3. 生物活性玻璃（BG）涂层- BG是一种含有多种氧化物成分的玻璃材料，它具有独特的生物活性。
当BG涂层与体液接触时，会在表面形成一层富含羟基的凝胶层，这层凝胶层可以促进细胞的附着和增殖，同时还能诱导磷灰石的形成。
磷灰石的形成可以进一步提高植入物与骨组织的结合强度，从而提高植入物的稳定性。
钛合金的表面改性研究钛合金是一种广泛应用的金属材料，具有高强度、低密度、良好的耐腐蚀性和生物兼容性等优良特性。
然而，由于钛合金表面固有的化学惰性和良好的机械性质，限制了其在许多领域的应用。
为了克服这一问题，研究人员开始对钛合金表面进行改性处理。
本文将围绕钛合金的表面改性展开探讨。
一、表面改性技术表面改性是针对钛合金表面进行的一系列处理方法，目的是改善钛合金的表面性质。
现有的表面改性技术主要分为以下几类：1.化学表面改性此类表面改性方法主要是利用化学方法改变钛合金表面的化学成分或形成化学吸附层，包括阳极氧化、阳极电析和化学气相沉积等。
2.物理表面改性此类表面改性方法主要是利用物理方法对钛合金表面进行改变，包括电子束表面处理、激光表面处理和电弧喷涂等。
3.生物表面改性此类表面改性方法主要是利用细胞和组织的生物活性，改变钛合金表面的形貌和化学成分，从而实现良好的生物兼容性。
这种方法主要包括骨组织工程和组织工程等。
二、表面改性的应用钛合金表面改性可以应用于许多领域，下面以医疗、汽车、航空航天为例进行介绍。
1.医疗应用钛合金在医疗领域中被广泛应用。
例如，钛合金的生物兼容性和对骨组织的生物活性，使得它是一种非常优秀的人工髋关节和人工牙齿的材料。
表面改性技术可以进一步提高钛合金的生物兼容性，从而使其更加适用于医疗领域。
2.汽车应用钛合金在汽车领域中可以用于汽车发动机的材料。
表面改性技术可以提高钛合金的抗疲劳性和抗氧化性，使其更加适用于汽车引擎的材料。
3.航空航天应用钛合金在航空航天领域中得到广泛应用。
例如，钛合金可以用于航空发动机的叶片。
表面改性技术可以提高钛合金的热稳定性和耐磨性，从而使其更加适用于航空发动机的叶片材料。
三、表面改性的挑战钛合金表面改性技术虽然在许多领域中被广泛应用，但在实际应用中还存在一些挑战。
下面针对这些挑战进行简要介绍：1.改性膜的制备和稳定性改性膜作为一种表面改性方法，需要制备合适的膜，并且膜的稳定性也非常重要。
外科植入物钛及钛合金阳极氧化膜通用要求《关于外科植入物钛及钛合金阳极氧化膜的那些事儿》嘿呀，今天咱来聊聊这“外科植入物钛及钛合金阳极氧化膜”，听起来是不是特别高大上、特别专业？但别怕，咱今儿就用接地气的话来说说。
你们想啊，这玩意儿就像是给我们身体里的小零件穿上了一层特别的“衣服”。
为啥要穿这“衣服”呢？这可就有讲究啦。
首先，这钛及钛合金本身就挺厉害的，强度高、耐腐蚀性好，在我们身体里能好好地待着。
但是呢，就像人出门得穿得好看点一样，它也需要稍微“打扮打扮”，这阳极氧化膜就是它的“时尚装扮”。
这层膜可以让它变得更厉害，比如更耐摩擦、更不容易被腐蚀。
想象一下，要是没有这层膜，说不定哪天这植入物在我们身体里就出点小毛病，那可就麻烦大啦！咱可不想无端端地又去医院遭罪，对吧？而且啊，这通用要求也很重要呢。
就好比你去买衣服，总得有个尺码标准、质量标准吧。
这阳极氧化膜的通用要求也是这样，得保证大家用的都是质量杠杠的，这样我们才能放心地让它们在我们身体里“工作”呀。
再说了，这可是要放在我们身体里面的东西，那可不能马虎！要是标准不严，弄个质量不好的进去，到时候出问题了咋整？我觉得吧，研究这个的科学家们可真是厉害，他们得考虑那么多因素，让这小小的植入物能安全又可靠地在我们身体里待着，真的不容易。
咱普通人可能不太了解这里面的门道，但我们得知道，这些都是为了我们的健康着想。
每次想到身体里面有这么个厉害的小东西在努力工作，我就觉得挺安心的。
总之呢，外科植入物钛及钛合金阳极氧化膜通用要求这事儿看似很遥远，但其实和我们的健康息息相关。
咱得感谢那些努力让我们更健康的科学家们和医护人员，是他们让这些高科技的东西能为我们服务。
咱也要好好爱护自己的身体，让这些植入物能发挥最大的作用，让咱的生活更加美好呀！哈哈，就说到这儿啦，希望你们也能听明白我说的这些大实话哟！。
外科植入物用钛合金的表面改性戴正宏*,王玉林,何宝明(天津大学复合材料研究所,天津300072)摘要:钛合金作为外科植入物用材料在临床上得到了越来越多的应用。
综述了钛合金作为外科植入物的优良性能及国内外在钛合金表面改性方面的发展和研究现状。
阐述了表面改性对改善钛合金的耐磨性,耐蚀性和生物学性能方面的重要作用。
分析表明:开发新型钛合金和寻求理想的表面改性工艺来获得高质量的涂层或将生物活性相添加到钛合金基体中制备成复合材料是提高钛合金生物学性能的有效途径。
关键词:外科植入物;钛合金;表面改性中图分类号:R318.08 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2003)04-0491-04目前常见的外科植入用金属材料主要为超低碳奥氏体不锈钢(AISI316L,317L),钴 铬(Co Cr)合金,纯钛和钛合金3类材料[1,2]。
近几年来,镍钛(NiTi)合金[3]及亚稳定 型Ti Nb Zr合金[4]也崭露头角,前者具有形状记忆和超弹性双重功能,后者具有更低的弹性模量、高的损伤容限及优异的生物相容性。
目前,常用的钛合金与传统的不锈钢材料相比,钛合金具有一系列优点:与不锈钢相比,钛的弹性模量与骨组织更为接近;生物相容性更佳;耐蚀性和抗疲劳性能优于不锈钢和钴基合金; (植入后)组织反应轻微,表面性能好;与不锈钢相比,钛及其合金对骨组织的生长影响较小;钛及其合金中无镍成分,过敏较小;手术后能进行MRI和CT检查;钛合金内植入物可以长期留存体内,可避免二次手术。
纵观钛合金表面技术的发展,它大致经历了3个阶段:一是以电镀、热扩散为代表的传统表面技术阶段;二是以等离子体、离子束、电子束的应用为标志的现代表面技术阶段;三是现代表面技术的综合应用和膜层结构设计阶段。
在生物医学领域中,表面改性主要是为了改善植入体的耐磨性、耐蚀性和生物学性能(包括生物相容性和生物活性)[7,8]。
虽说钛及其合金与其他金属材料相比具有与骨最为接近的弹性模量,但仍远远高于骨的弹性模量,这就容易造成界面上机械性能的不匹配;同时,从成分上来看,钛与自然骨的成分截然不同,钛与骨之间虽然具有良好的生物相容性,植入后种植体周围无纤维包囊形成,但钛合金与骨之间只是一种机械嵌连性的骨整合,而非强有力的化学骨性结合,因此对钛合金进行表面改性以改善其生物学性能引起了人们的日益重视[7,9]。
为了增强钛合金的耐磨性、耐蚀性,以及提高其与周围组织界面的结合力从而降低应力遮挡程度,必须对钛合金进行表面改性。
表面改性保持了钛合金作为基体材料的一系列品质,同时使得植入物的综合性能得到大幅度的改善。
进入90年代以来,钛及其合金以其优异的综合性能在牙种植体、人工关节、脊柱矫形内固定系统、髓内钉、矫形钢板等方面的应用已逐渐占主导地位,成为首选的金属材料[5,6]。
本文从几个方面就外科植入物用钛合金的表面改性方面的技术发展进行回顾与展望。
1 提高表面生物活性尽管钛合金具有很好的生物相容性,但毕竟是一种生物惰性金属材料,新生骨与植入物之间只能形成接触生长[10]。
Hulshoff发现,当未经表面处理的钛合金直接植入人体后,生物机体在其表面开始产生纤维组织,并逐渐增厚,6个月后才有骨连接[11]。
目前临床使用的大多数是对植入物进行表面机械改性以增强与骨的连接力。
这种以机第27卷 第4期V ol.27 .4稀 有 金 属CHI NESE JOURNAL OF RARE METALS2003年7月July2003收稿日期:2002-12-12;修订日期:2003-03-27作者简介:戴正宏(1979-),男,湖北人,硕士研究生;研究方向:医用钛合金的表面改性*通讯联系人(E mail:daizhenghong@)械物理方式与人体组织锁合的植入物一方面会增加病人的痛苦,另一方面长期受冲击、腐蚀、磨损,植入物易松动,造成手术失败。
因此,理想的结合方式是材料与骨形成牢固的化学结合-骨键合生长,即新生骨直接在植入物表面形成,随后直接长入种植体内[10]。
在植入物表面形成一层有生物活性的陶瓷涂层被认为有这一功能。
1.1 生物陶瓷涂层的种类[12]目前在钛及钛合金表面进行生物陶瓷涂层主要有:羟基磷灰石(HA)、氟磷灰石(FA)、 磷酸三钙( TCP)。
羟基磷灰石含有能与人体组织发生键合的羟基,其化学成分、晶体结构与构成人体组织的羟基磷灰石佩晶极为相似,植入人体硬组织后与骨的键合很好,并能诱导骨组织长入微孔,且组织反应轻微,植入数月后,在紧密配合的界面一般能达到骨性整合,已成为生物活性陶瓷中的首选涂层材料[13]。
另外在生物陶瓷中引入FA的报道近年来有所增加,这主要是因为:由氟离子取代羟基使得磷灰石的结构更为稳定,在等离子喷涂过程中较少产生晶型转变以及分解等不利现象。
但有些研究者认为FA溶解后产生的F-会影响体内某些酶与细胞的活性。
TCP在生物体内易发生降解现象。
近年来,人们对它产生了浓厚的兴趣,希望它不仅能象HA和FA等表面活性材料一样与骨产生骨性整合,而且其降解成分(如Ca2+,PO3-离子)能参与新骨的形成,加速骨组织生长,并逐渐被新骨所取代,即由无生命向有生命转化[15]。
1.2 生物陶瓷的制备方法[12,14]目前,生物陶瓷涂层制备方法有很多种:等离子喷涂法、电泳沉积法、离子束溅射法、浸渍涂层法、射频磁控溅射法、离子束动态混合法、激发物激光沉积法、溶胶 凝胶法、仿生溶液生长法、螯合 烧结法、浸涂 烧结法等。
等离子喷涂是最常用方法,喷涂过程干净且沉积效率高,并能控制涂层的表面形貌、化学成分、结晶度等涂层特征[16],但HA粉料与金属基体的物理性质(热膨胀系数、弹性模量等)差别较大,喷涂过程中冷却速率极高,易形成残余应力而使涂层的附着力较低[17]。
另外等离子喷涂的工艺温度很高,易使HA分解形成杂质相而影响涂层在体内的稳定性和持久性[18]。
等离子喷涂是直线过程,在形状复杂的基体上很难获得均匀的涂层。
以上提到的方法也或多或少有类似缺点。
针对这种情况,近年发展了一些制备HA涂层的新方法。
1991年,加拿大科学家Shirkhanzaadeh运用电结晶法成功地在钛合金基体上制得HA涂层[19]。
在此基础上,黄立业等[20]运用电化学沉积 水热合成法以(Ca(NO3)2),NH4H2PO4)为原料在低温下液相获得磷酸钙盐涂层,后经蒸气处理获得HA生物涂层。
HA涂层与钛合金基体的结合强度是影响钛合金外科植入物临床使用效果的关键,只要涂层与基底间存在宏观界面,两者间的结合强度就不能令人满意。
为解决等离子喷涂的长期界面可靠性问题已发展了各种涂层方法,利用仿生化学原理在表面诱导生长磷灰石涂层是其中极为的前沿领域[21]。
仿生法基于异相成核原理:将基体表面预先功能化,然后浸入过饱和溶液,在溶液过饱和度不足以发生均相沉淀的条件下在基体表面发生晶体异相成核并自发生长成为磷灰石膜。
功能化后的表面模仿了生物矿化过程中有机基质的模板作用[22]。
目前已知,天然硬组织优异的力学性能和精巧的结构依赖有机基质在矿化过程中对晶体成核和长大的精确调制,其中一类酸性蛋白质通过侧基(磷酸基,羟基)晶面吸附和识别严格控制了晶体生长,深入认识并成功运用这种调制作用是仿生合成生物材料的关键[21]。
此外,功能梯度涂层(Functionally Gradient Coating)为解决羟基磷灰石涂层与钛合金基体间的宏观界面问题提供了新的思路[23]。
1.3 其他新型方法微弧氧化是近几年发展起来的钛合金表面改性新技术,它本质上是一种在金属表面原位生长陶瓷的阳极氧化方法。
钛合金微弧氧化后,表面生成氧化钛陶瓷,可有效地改善腐蚀和磨损性能。
并且钛合金基体上通过微弧氧化 水热合成复合处理可以得到二氧化钛 羟基磷灰石的生物活性膜,该氧化膜均匀多孔,并具有生物活性。
这种含有羟基磷灰石的薄膜有利于植入物与人体的结合生长,缩短愈合时间。
2 提高表面耐磨性金刚石和类金刚石涂层具有极大的硬度,优492稀 有 金 属 27卷良的热传导性,低的摩擦系数,而且耐蚀性与生物相容性都很好,是钛合金非常理想的耐磨涂层[23]。
金刚石涂层存在的问题是钛合金基体与涂层之间热膨胀系数的差异造成较高的内应力而使涂层的附着力不好[24]。
Heinrich等[23]采用微波等离子化学气相沉积工艺(Microwave Plasma CVD Pro cess)在Ti 6Al 4V和Ti 6Al 7Nb上得到高附着力的金刚石涂层。
这种方法使得涂层与基体间形成中间层TiC,TiC x,有利于缓解涂层与基体收缩而形成的内应力。
钛的氮化物同样具有很高的耐磨性能、低的摩擦系数、好的生物相容性和化学稳定性。
通过TiN涂层、表面等离子氮化或离子注入等技术可以显著改善钛合金的表面耐磨性。
Rie等[25]对Ti 6Al 4V,Ti 5Al 2.5Fe进行表面等离子氮化(PN)和等离子辅助化学气相沉积(PAC VD),材料的耐磨性得到了真正的改善。
等离子氮化后,由于氮的扩散,材料表面形成TiN的多层系统,而且从表面到材料本体之间产生连续的硬度分布,PN为PAC VD 产生TiN提供了最佳支持物,并保证了有很好的粘着力。
生物相容性参数表明,细胞在处理过的钛合金上有优良的活力,细胞的一般新陈代谢能力保持得很好。
离子注入[24](注入C,N,O)的注入深度一般小于1 m,处理温度低,对基体的性质几乎没有影响。
离子注入后,材料表面形成硬相沉积物(通常硬度可提高3倍或更高),表面的晶体点阵结构发生了变化,从而降低了摩擦系数,临床试验结果表明,其耐磨性确实得到明显改善。
这种方法可控性好,而且是在真空中进行,保证了材料的洁净性要求,但成本较高。
另外,还可以用电弧沉积技术在钛合金表面沉积TiN耐磨涂层。
Vanray[22]等用CVD,PVD法在钛合金表面沉积了TiC,Al2O3, CrO3,TiN,WCH耐磨涂层。
这些碳化物或氮化物的形成,阻碍了位错运动,从而增加了表面的微硬度,提高了钛表面的耐磨性和疲劳性能。
有研究表明,钡离子注入钛的氧化性表面,提高了其耐摩擦磨损性能及循环疲劳抗力[27]。
当钛与其他材料(象髋臼杯中的超高分子量聚乙烯UHMWPE)之间存在相对滑动时,这些改善的性能被认为是非常重要的[27,28]。
Kovacs等[29]的研究表明,与未处理的试样表面相比,表面离子注入N后的Ti 6Al 4V并没有降低水溶液中钛的溶解量,但确实降低了钛氧化表面释放出来的磨损粒子[30]。
另一方面,比较纯钛与经N离子注入处理钛的软组织反应可以看出,离子注入表面存在更多的炎性细胞,也就是说,经离子注入N处理后,改变了钛良好的生物相容性。
这也从另外一个侧面说明钛具有特有的物理化学性能,钛表面组织间的活性反应促进了钛-组织之间的积极整合。
