关于生物医用金属材料表面改性探究

2017-01-27孙超宇

科学中国人 2017年9期

关键词：金属材料基体医用

孙超宇

齐齐哈尔医学院附属第二医院

关于生物医用金属材料表面改性探究

孙超宇

齐齐哈尔医学院附属第二医院

本文主要综述了生物医用金属材料表面改性的主要措施，介绍了生物医用金属材料的性能及工艺,并进一步阐述了应用于生物金属材料中表面改性的发展趋势。

医用金属材料；表面改性；方法

引言

生物医用金属材料对于医疗建设非常关键，它应用的范围非常广泛。通常情况下在硬组织系统应用的比较多，如矫形外科、口腔等，它可以作为人工假体、矫形物等承力材料发挥关键作用。生物医用金属材料具有非常佳的力学性能，从耐蚀性和生物相容性上讲也非常良好。但各种生物体用材料就目前应用情况来说还存在一些缺陷，若实现临床使用的各项目标要求还是奢求，缺乏那种耐蚀性较强、生物相容性优良、耐磨性很好的材料。为了获取需要的材料，可对金属材料表面实施处理，使其表面形成改性生物体，更好地把基体的表层生物活性和基体的金属特性结合在一起，奠定坚实的基础推动金属生物材料的充分应用。

国内外学者一致认为，划分表面改性金属生物材料的技术主要为三类：物理化学方法、生物化学方法、形态学方法。本文就立足于这三方面综合评述金属生物材料的表面改性方法。

1、物理化学方法

金属生物材料表面性能的改善是以化学或物理手段为主要手段，这种措施应用极为广泛。常见的集中化学物理方法有六种。

1.1 脉冲激光融敷法

脉冲激光融敷是在基体表面通过脉冲激光照射融敷HA粉的技术。激光熔覆极其复杂，它是化学、物理冶金过程，熔覆件的质量的高低取决于受熔覆过程中的参数，参数直接影响熔覆零件的致密性、熔覆层的表面粗糙度、稀释率、裂纹等。激光熔覆是一种有效而简单的制备梯度涂层的方法。

1.2 热喷涂法

是一种利用如离子弧、电弧或燃烧的火焰等热源，软化或加热熔融粉末状的非金属或金属喷涂材料，并通过外加高速气流或热源自身的动力进行雾化，以一定的速度使喷涂材料的熔滴喷向预处理干净的基体表面，与基体建立结合层，是凭借喷涂材料的化学反应和物理变化而生成的工艺手段。这种喷涂方法可分为四种：等离子喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、火焰喷涂等。

热喷涂的主要特点有：具有极为广泛的取材范围，几乎任何陶瓷、合金、金属都能够成为喷涂材料,甚至有机高分子材料如塑料也能够作为喷涂材料；可对各种基体应用，几乎可以喷涂任何固体材料，如玻璃、金属、陶瓷等；可将特殊的表面性能赋予在普通材料上，使材料实现抗氧化、耐磨、耐蚀等性能目标；能够控制涂层的厚度；简单的工艺操作程序，具有较高的效率；不限制材料的形状尺寸大小,都能够喷涂其表面；具有显著的技术及经济效果。

1.3 离子注入

离子注入改性是在离子气化室中将所需的元素进行气化，对材料表层的物理及生物、机械、化学性能加以改变的手段。它的明显特点就是对生物材料的表面硬度及耐磨性能加以进一步强化。

离子注入法的优点非常独特：离子注入过程是一个在低温状态下进行的过程,对金属靶材料的成分，在外部表现出的形状极其构成内部的组织结构不会进行改变；离子注入过程可以将任何元素原子加速注入于任何材料之中，冶金学规律对其不会产生限制，属于非热平衡过程。

1.4 喷砂法

在基体表面通过喷砂机将HA粉末高速喷出，然后直接镶入。这种方法的主要特点就是可以在低温情况下操作，非常简单容易操作。HA粉末具有稳定的成分,结构比较一致，不会产生分解情况，并且在喷涂HA颗粒的时候由于高速摩擦,部分化学键联接由此产生,所以基体与HA间的结合力是尚佳的。

1.5 离子溅射法

就是通过高速离子（如Ar+）对HA靶材实施轰击，在这个过程中HA粉粒通过溅射并在金属基体上沉积,它的结合力是相当高的。HA涂层的粘附性非常好、密度也非常高，然而因产品还处于非晶态，稳定性不足，后期的热处理是不可避免的，而热处理又有一定的弊端，会导致结合力减损。500℃下加热30min是最佳的损失最小的热处理条件。

1.6 电化学法

这个制备手段是利用电流实现反应控制的，是对电解液的反应实施调节,通过电化学的措施。电泳沉积过程分为两个，一个是综合沉积，一个是电泳。

电化学法的优点很多，主要体现为它的制备过程不仅快速而且简洁，它的条件也非常温和，具有均匀的涂层，实现自动化生产也不困难，具有连续性的实施工艺，它不限制表面情况和基底形状，投资的设备不多，原料的利用率较高，工艺不复杂，生产费用不高等，但基膜结合缺乏没能避免,它能够防止高温喷涂等因素发生羟基磷灰石相变和脆裂,需要对工艺参数和确定机理等方面还需要进一步改进。

2、生物化学方法

生物化学技术是将有机高分子物质在基体表面引入，使其具有更加良好的生物活性，所以有效、直接是它的主要特点。这种材料可以使植入体加速与周围组织结合，使植入处伤口愈合加快，另外从使用寿命和安全性能上讲，此项技术的植入体还能因此而加高。一层氧化膜在很多金属表面存在,与H+或[H]在一定条件下会发生作用，形成-OH羟基依附于基体表面。这种表面改性措施，没有明显改善材料的耐腐蚀性、耐磨性作用。所以，最后表面改性后修饰材料表面的方法当首选此法。