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医用金属表面的钽涂层制备及其临床应用趋势

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中国骨科临床与基础研究杂志２０１３￣４　筮　鲞笠　丝　

匀　

医用金属表面的钽涂层制备及其临床应用趋势　

于晓明，谭丽丽，杨柯　・Ｉ１５‘　

述　

【摘要】金属钽具有极佳的耐腐蚀性和优异的生物相容性，目前受到越来越多的医学和材料科学工作者的　关注，但其高昂的原料成本限制了其在生物医用领域的广泛应用，因此人们采用多种方法制各钽涂层以降低成　本。该文综述钽的生物学优势，医用金属（不锈钢、钛合金、钴铬合金）表面的钽涂层制备及其临床应用趋势。　【关键词】钽：涂层；不锈钢；钛；合金；铬合金；制各　

中图分类号：Ｒ３１８．０８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４－６６６Ｘ（２０１３）０２－０１１５－０５　

Ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔａｎｔａｌｕｍ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ａｐｐＨｃａｔｉｏｎ　ｔｒｅｎｄ　ＹＵ　Ｘｉａｏｍｉｎｇ，１　Ｎ　Ｌｉｌｉ，ＹＡＮＧ　Ｋｅ．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＭｅｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ．Ｓｈｅｎｙａｎｇ，　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１１００１６，Ｃｈｉｎａ　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔａｎｔａｌｕｍ　ｈａｓ　ａｔｔｒａｃｔｅｄ　ｍｕｃｈ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅ￣ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｈｉｇｈ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｈａｓ　ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ　ｉｔｓ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｓ　ｂｉｏｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｖａｒｉｏｕｓ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔａｎｔａｌｕｍ，ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔａｎｔａｌｕｍ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｏｎ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ，　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｃｏｂａｌｔ—ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ａｌｌｏｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔａｎｔａｌｕｍ　ｃｌｉｎｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　［Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ］Ｔａｎｔａｌｕｍ；Ｃｏａｔｉｎｇ；Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ；Ｔｉｔａｎｉｕｍ；Ａｌｌｏｙｓ；Ｃｈｒｏｍｉｕｍ　ａｌｌｏｙｓ；Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　

随着人们对生物医用材料需求的不断增加，　

各种生物医用材料如高分子、无机材料、复合材　料、金属及其合金等的研究、开发和应用发展迅　

猛。其中，金属材料以其优异的力学性能、良好的　

抗疲劳性能、适于承重部位植入等特性广泛应用　于临床医学领域，而人工关节、牙种植体、血管内　

支架等一系列代表性医疗器械产品的问世，为金　

ＤＯｈ　１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７４—６６６Ｘ．２０１３．０２．Ｏｌ１　基金项目：国家自然科学基金（２０ｌ２ＣＢ６ｌ９１Ｏ１）　作者单位：ｌ　１００１６沈阳，中国科学院金属研究所　Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｍｙｕ＠ｉｍｒ．ａｃ．ｃｎ　属生物医用材料提供了更为广阔的发展空间。　目前，用于外科植入物和矫形器械的医用金　

属材料主要包括医用不锈钢、钴基合金、钛合金三　

大系列。钛合金具有比重小、比强度高、弹性模量　

低、易加工成形、原料资源丰富等特点，现已发展　成为外科植入物较为理想的功能结构材料。但　

是，复杂的人体内环境会引起金属材料腐蚀而导　

致有毒元素的释放【】　，生物相容性因此降低；此　

外，金属材料的弹性模量与人体骨组织相差过大，　易产生应力屏蔽效应，不利于新骨生长和重塑，甚　

至导致二次骨折　。因此，人们致力于寻求更耐腐　

蚀、生物相容性更佳、与人骨力学性能更为接近的　・１１６・　中国骨科临床与基础研究杂志２０１３年４月第５卷第２期Ｃｈｉｎ　Ｏｒｔｈｏｎ‘厂Ｃｌｌ＂ｎ　ＢａｓｉｃＲｃｓ．Ａｎ：２０１３　Ｖｏ／Ｎ　Ｎｏ．２　

金属植入材料。　金属钽（Ｔａ）由于其优异的耐高温、耐腐蚀、热　

膨胀系数低和导电性良好等性能而广泛应用于电　子电气、化工、航空航天、军事等领域　］；而在医学　

领域，金属钽以其耐腐蚀性优异、生物相容性好等　

独特优势，受到业界的广泛关注，但是高昂的原料　成本限制了它的广泛应用。本文对钽的生物学性　

能、医用金属表面的钽涂层制备及其临床应用趋　

势进行综述。　

Ｉ钽的生物学性能　

Ｉ．Ｉ生物安全性　

不溶性钽盐经口腔或局部注射均不被人体吸　

收，可溶性钽盐胃肠道吸收量也极少。负责清除　钽的主要载体是吞噬细胞，体内吞噬细胞接触钽　

尘Ｉ　ｈ后均可存活且无细胞变性，仅伴有葡萄糖氧　

化的明显增加；而在相同条件下，矽尘则可使吞噬　细胞出现严重胞浆变性和死亡，从而证实了钽不　

具有细胞毒性　Ｉ。１９４０年，纯钽首次应用于骨科临　

床　，此后的研究结果表明，金属钽作为人体植入　物并未表现出任何不良反应…　。　

１．２生物学优势　钽具有以下两方面明显优势：①耐蚀性能极　其优异：常温下钽与盐酸、浓硝酸甚至“王水”都不　

发生化学反应，常见的无机盐化合物对钽均无腐　

蚀作用。因此，在人体复杂的液体环境下，金属钽　

能够保证较好的稳定性。②生物相容性良好：生　物组织易于在钽植入物表面生长，故钽有“亲生物　

金属”之称。特别是被称为“骨小梁金属”的多孔　钽，具有与人体松质骨结构特点相同的蜂窝状立　

体状结构，平均孔隙可设计为４００￣６００　ｐｍ、孔隙　率８０％￣８５％、弹性模量约３　ＧＰａ，介于松质骨（约　

１　ＧＰａ）与皮质骨（约１５　ＧＰａ）之问，避免了应力遮　

挡效应ｕ　Ｊ．多孔钽还可以促进细胞增殖，提高成　

骨细胞的造骨能力　；根据需要可设计成各种形　

状和规格，如多孔钽棒植入物可用于早中期股骨　

头缺血性坏死的治疗ｕ　；由多孔钽材料制各的人　

工关节有利于提高全髋关节置换翻修手术植入物　的初期稳定性，对骨长入有促进作用　；多孔钽亦　

可作为人体各个部位的填充材料　】。　

２钽涂层的设计思路　

尽管金属钽的生物学优势非常明显，但其用　于医用材料的缺陷也是显而易见的，即其高昂的　

原料成本。目前成功商业化的金属钽是由美国　

Ｚｉｍｍｅｒ公司申请获得专利的多孔钽，其原理是用　化学气相沉积（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ）技　术在网状玻璃碳上沉积厚度约１２０　ｐｍ的金属　

钽。这种制备方法对原料钽的使用量很大，而金　属钽高昂的原料成本将大多数患者拒之门外。如　

果能够利用涂层制备技术在成本上相对低廉的传　

统材料基体上沉积金属钽涂层，既利用金属钽优　

异的生物学性能，又降低钽的使用量，节约成本，　则为金属钽植入材料的临床应用提供一条切实可　

行的思路。　

３医用金属表面的钽涂层制备　

３．１不锈钢表面的钽涂层制备　尽管奥氏体不锈钢的耐蚀性已有显著增强，　

但由于人体内复杂的液体环境，不锈钢表面仍然　

很容易发生点蚀，易导致术后并发症的发生。国　

外很早就有对不锈钢表面进行钽涂层的相关报道　。　由于表面沉积金属钽，不锈钢的耐蚀性和生物相　

容性得到很大提高，临床上主要应用于心血管介　入治疗领域　。Ｍａｃｉｏｎｃｚｙｋｔ　等采用溅射沉积　

的方法在不锈钢表面制备钽及钽氧化物类似三明　

治夹层结构的复合涂层，四点弯曲试验结果表明，　涂层经过塑性变形后并未出现脱落现象，说明钽　

及钽氧化物复合涂层与基体的结合力良好；同时，　

生理盐水中腐蚀电流的测试结果提示钽涂层对不　

锈钢基体有钝化作用，这说明不锈钢基体的耐蚀　性得到了提高。采用不锈钢　钽一不锈钢复合结构　

的心血管支架可成功植入人体，临床实验表明这　种复合结构是无害的，且具有较好的显影效果　。　

３．２钛合金表面的钽涂层制备　

对于医用钛合金，其耐蚀性和生物相容性也　圭垦量型！　茎　苤查　Ｑ　生垒旦笠　鲞笠　

有继续提高的空间，研发新型合金或添加合金元　素以提高其生物性能是有效的方法，但出于成本　

考虑，制备涂层是更为直接和简单易行的方法。　

Ｌｉ等　采用等离子注入的方法在ＴｉＮｉ形状记忆合　金上制备金属钽，经过电化学测试，基体的耐蚀性　

有了很大提高。其原理是改性后的基体表面出现　

了氧化钛和氧化钽的复合层，因此比单纯氧化钛　有更高的耐蚀性；另外，钽涂层的保护使得Ｎｉ离　

子的溶出大大降低，减少了由Ｎｉ所带来的致敏可　

能，从而提高了材料的细胞相容性　。采用其它　方法如电沉积阳１、电弧离子镀　制备的钽涂层也可　

提高ＴｉＮｉ基体的耐蚀性和可视性。　

此外，快速成型技术的发展为方便制备具有　可控多孔结构的钛合金基体提供技术条件　。　

通过设计多孔基体的孔隙率和孔径，并对孔隙率　

和孔径进行控制，可使多孔钛合金基体的弹性模　量与人骨相匹配；然后利用材料累加的制造原理，　

在计算机辅助设计和控制下制造出三维实体零　

件。然而，钛合金基体形状规格的不确定给涂层　的沉积带来一定的困难，而ＣＶＤ技术却可以在复　杂结构基体上沉积涂层；该技术还具有制备涂层　

与基体结合力好、成分纯净、成膜质量高的优点。　利用ＣＶＤ技术在钛合金基体上制备钽涂层，既利　

用了钛合金相对成熟的加工工艺和低廉的原料成　

本，又发挥了金属钽涂层耐腐蚀和生物相容性佳　的优势；亦可使用该技术在其它植入材料上沉积　

金属钽，从而为现有植入材料生物相容性的提高　

提供有效方法。李祥等ｐ　采用常压ＣＶＤ（ａｔｍｏｓ—　

ｐｈｅｒｉｃ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ＣＶＤ，ＡＰＣＶＤ）技术，利用氢气将　

五氯化钽还原，在多孔钛合金基体上制备金属钽　涂层，结果表明，在多孔钛合金的内外表面均可沉　

积高质量的钽涂层。　

３．３钴铬合金的钽涂层制备　钴铬合金也是骨科领域常用金属材料，人们　

采用直流磁控溅射的方式在钴铬钼合金上制备钽　

生物活性涂层　］。涂层的厚度约为２０￣６００　ｎｍ，其　

结晶性受直流电源、偏压、气体纯度以及基体成分　

等参数的影响；氧气含量亦会影响具有良好韧性　／ＣｌｌｎＢａｓｉｃＲｅｓ．Ａｐｔ２０１３　Ｖｏｌ　Ｎｏ．２　・１ｌ７・　

和延展性Ｃｃ相钽的形成；ｐ相钽也可通过直流溅射　

的方式沉积，能够提高钴铬合金的表面硬度。４周　模拟体液浸泡实验结果表明，钽涂层样品表面有　

大量磷灰石晶体的沉积，这说明经钽涂层的钴铬　

合金其体外生物相容性有了很大的提高　。　

４钽涂层的临床应用趋势　

作为金属材料，钽的延展性佳，可制成与头发　

丝相当甚至更细的细丝。钽丝作为手术缝合线具　备灭菌简易、刺激较小、抗张力大等优点，但同时　

也有不易打结的缺点，主要用于缝合骨、肌腱、筋　膜及牙齿固定，或用于内脏手术的缝合。利用钽　

丝还可编织成网状球囊扩张支架，具有Ｘ射线可　

视性好、便于监测和随访的优点；钽丝支架亦可较　

好地适应动脉的正常搏动，且耐腐蚀，便于长期植　入。金属钽也可以制作成各种形状和大小的钽　

片，根据人体各部位的需要进行植入，如修补、封　

闭人体破碎头盖骨，以及修复四肢骨折的裂缝及　缺损等。医用材料植入人体后与体液及周围环境　

直接接触的是材料表面，因此材料表面的性质很　

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多孔钽金属的生物学特性：近期临床应用安全但远期反应待证实

多孔钽金属的生物学特性：近期临床应用安全但远期反应待证实

多孔钽金属的生物学特性：近期临床应用安全但远期反应待证实

李斌;华永新;杨光

【摘 要】背景：多孔钽金属具有整体容积孔隙率高、弹性模量低及表面摩擦系数高等特点，以其稳定的生物学特性、良好的生物相容性和特有的结构性质，引起医学界特别是骨科领域的广泛关注。 目的：综述钽金属的生物学特性，包括其机械性能、生物相容性及生物活性。 方法：应用计算机检索1990至2014年PubMed数据库、中文科技期刊数据库、万方数据库、维普数据库中有关多孔钽金属的文献。英文检索词为“Porous tantalum，biological

character，orthopedic applications”，中文检索词为“多孔钽；生物学特性；骨科应用”。 结果与结论：多孔钽金属具有较大的孔隙率与表面摩擦力，有与人体骨质接近的弹性模量，有较好的生物相容性，其作为良好的骨科植入材料越来越被大家所接受，目前多应用于一体化髋臼杯、全髋关节翻修臼杯与髋臼增强垫块、多孔钽金属棒及胫骨平台假体、髌骨假体等的制备中。骨外科中应用多种多孔钽金属植入体的短期随访已有报道，临床数据、放射学检查及取出物的组织学分析已证明该材料的实用性和安全性，但该材料的远期效果如何还有待证实。%BACKGROUND:Porous tantalum, characterized as high porosity, low

elastic modulus, high friction coefficient, stable biological properties, good

compatibility and typical structural properties, has been the focus in

medicine, especial y in orthopedics. OBJECTIVE:To review the

biological characteristics of porous tantalum, including its mechanical

医用材料的表面涂层技术及其应用研究

医用材料的表面涂层技术及其应用研究

医用材料的表面涂层技术是指在医疗器械、植入物或其他医用材料的表面上应用特定的材料涂层，以改善其性能和功能。以下是一些常见的医用材料表面涂层技术及其应用研究：

1. 生物相容性涂层：通过在医用材料表面涂覆生物相容性材料，以提高其生物相容性和降低对机体的刺激。常用的生物相容性涂层材料包括聚乙二醇（PEG）、羧甲基纤维素（CMC）等。这些涂层可以减少医用器械与组织的黏附和炎症反应，有助于减少血栓形成、感染等并发症。

2. 抗菌涂层：为了减少医疗器械和植入物上的细菌滋生和感染风险，可以应用抗菌涂层技术。这些涂层可以释放抗菌剂，如银离子、抗生素等，以抑制细菌的生长。此外，还可以设计一种微纳米结构的涂层表面，使其具有抗菌效果。抗菌涂层技术在导尿管、人工关节等医疗器械上得到广泛应用。

3. 促进组织修复涂层：为了促进医用材料与周围组织的愈合和修复，可以应用促进组织修复的涂层技术。这些涂层可以释放生长因子、细胞黏附分子等，以刺激细胞增殖和组织再生。促进组织修复涂层技术在骨修复、皮肤创伤愈合等领域有着广泛的研究和应用前景。

4. 药物缓释涂层：为了实现持续、控制释放药物的目的，可以应用药物缓释涂层技术。这些涂层可以将药物嵌入或包裹在涂层中，通过缓慢释放药物来达到治疗效果。药物缓释涂层技术在心血管支架、药物输送系统等方面具有重要的应用价值。

5. 仿生涂层：为了提高医用材料与生物体之间的相容性和模拟生物组织的特性，可以应用仿生涂层技术。这些涂层可以模拟天然组织的表面形态、物理化学性质等，以增强材料与生物体的相互作用和适应性。仿生涂层技术在人工心

钽金属在医学领域的应用

钽金属在医学领域的应用

钽金属在医学领域的应用

马剑;李乾;尹芸生

【期刊名称】《实用骨科杂志》

【年(卷),期】2014(020)004

【总页数】5页(P329-333)

【作 者】马剑;李乾;尹芸生

【作者单位】山西医科大学第二医院骨科,山西太原030001;山西医科大学第二医院骨科,山西太原030001;山西医科大学第二医院骨科,山西太原030001

【正文语种】中 文

【中图分类】R318.08

钽是一种稀有高熔点金属，能经受高温和矿物酸的腐蚀，抗蚀能力与玻璃相同，在常温的空气中稳定。正因为钽金属所具有的高熔点、大强度、耐磨损、抗腐蚀等理化特性，因而其被大范围用于飞机、火箭等需要耐热材料以及需要高强度零部件的工业领域。不仅如此，钽金属还具有优良的生物相容性和稳定性，因此钽金属也被制造成各种接骨板以及螺钉用于医学领域。

1 钽金属的理化性质

钽是一种浅灰色金属，位于元素周期表中第73位，质地较硬，其硬度系数仅次于金刚石，硬度高达6～6.5，其溶点也很高，达2 996℃，仅次于钨和铼。实验证明，钽的抗腐蚀性极强，常温下与碱性溶液、稀硫酸、盐酸和浓硝酸均无化学反应，在氢氟酸和热浓硫酸作用下稍微有所反应。这样的物理和化学性质在金属中是比较难得的。

因钽金属对间歇元素的容限及其合理的弹性模量，使得钽金属成为合金的基体元素；钽金属可以利用其耐腐蚀的化学性能，与惰性气体钨弧焊接制造各种化工设备；此外，一些特种器材的制备也需要在钽坩埚内进行，例如特种玻璃的熔化等。正因为钽金属独特的物理和化学特性，使之成为现代工业不可或缺的原材料。

2 钽金属在医学领域的应用

医学在不断的进步，各种治疗技术也在不断提高。因钽金属具有优异的力学性能和抗疲劳特性，故被广泛应用于临床，尤其是在骨科领域，替代人体骨组织起到承重的作用，并取得了显著的临床疗效。与人体组织在强度、生物相容性和稳定性方面，钽金属材料比传统金属材料的人工置入物更具优势，因而钽金属在医学领域的发展有着更广阔的前景。

常用医用金属材料

常用医用金属材料

常用医用金属材料

生物医用金属材料又称医用金属材料或外科用金属材料，当生物医用金属材料广泛被用于植入材料时，长期的实用性与安全性便成为了对医用金属材料的第一要求。下文为大家具体介绍了钛基、钴基、镁基、锆基、锌基、铝合金以及不锈钢、钨、贵金属等生物医用金属材料的研究与应用进展。

生物医用金属材料是在生物医用材料中使用的合金或金属，属于一类惰性材料，具有较高的抗疲劳性能和机械强度，在临床中作为承力植入材料而得到广泛应用。在临床已经使用的医用金属材料主要有钴基合金、钛基合金、不锈钢、形状记忆合金、贵金属、纯金属铌、锆、钛、钽等。不锈钢、钴基合金和钛基合金具有强度高、韧性好以及稳定性高的特点，是临床常用的3类医用金属材料。随着制备工艺和技术的进步，新型生物金属材料也在不断涌现，例如粉末冶金合金、高熵合金、非晶合金、低模量钛合金等。

一、性能要求

生物医用金属材料一般用于外科辅助器材、人工器官、硬组织、软组织等各个方面，应用极为广泛。但是，无论是普通材料植入还是生物金属材料植入都会给患者带来巨大的影响，因而生物医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致植入的失败。因此，生物医用金属材料除了要求具有良好的力学性能及相关的物理性质外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。

生物医用金属材料的性能要求：

(1)机械性能。生物医用金属材料一般应具有足够的强度和韧性，适当的弹性和硬度，良好的抗疲劳、抗蠕变性能以及必需的耐磨性和自润滑性。

(2)抗腐蚀性能。生物医用金属材料发生的腐蚀主要有：植入材料表面暴露在人体生理环境下发生电解作用，属于一般性均匀腐蚀；植入材料混入杂质而引发的点腐蚀；各种成分以及物理化学性质不同引发的晶间腐蚀；电离能不同的材料混合使用引发的电偶腐蚀；植入体和人体组织的间隙之间发生的磨损腐蚀；有载荷时，植入材料在某个部位发生应力集中而引起的应力腐蚀；长时间的反复加载引发植入材料损伤断裂的疲劳腐蚀，等等。 (3)生物相容性。生物相容性是指人体组织与植入材料相互包容和相互适应的程度，也就是说植入材料是否会对人体组织造成破坏、毒害和其他有害的作用。生物医用材料必须具备优异的生物相容性，具体体现在：对人体无毒、无刺激、无致癌、无突变等作用；人体无排异反应；与周围的骨骼及其他组织能够牢固结合，最好能够形成化学键合以及具有生物活性；无溶血、凝血反应，即具有抗血栓性。生物相容性是衡量生物材料优劣的重要指标。