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
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。
医用钛合金的表面改性
三 医用钛合金的表面改性方法
钛合金表面技术的发展大致经历了3个阶段:
1以电镀、热扩散为代表的传统表面技术阶段 2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
3现代表面技术的综合应用和膜层结构设计阶段
提高生物活性的钛合金表面改性
为了改善医用钛合金的生物活性，提高其血液相容 性，通常是在钛合金表面制备一层生物活性陶瓷涂 层。 业已研究的生物活性陶瓷涂层体系主要有羟基磷灰 石(HA).氟磷灰石(CFA).β -磷酸三钙甲-TCP ).
医用钛合金的表面改性
目录
一 国内外医用钛合金的研究进展 二 钛合金的表面改性研究 三 医用钛合金的表面改性方法
ห้องสมุดไป่ตู้
四 展望
一 国内外医用钛合金的研究进展
作为医用材料的重要组成部分，目前生物医用钛合金 研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性 更好、耐腐蚀、持久性更好的多用途生物医用钛合金， 主要体现在以下3个方面:
谢谢！
提高耐腐蚀性能的钛合金表面改性
通过表面改性提高钛合金抗腐蚀性能的方 法很多，目前研究、应用较多的包括化学 钝化法、电化学钝化法、溶胶一凝胶法、 离子注入法、等。
四 展望
从仿生原理、组织工程原理、基质控制矿化的 思路出发，兼顾涂层的高耐磨性、优良的耐蚀 性和生物相容性，研究适合钛合金特性的多功 能表面涂层体系，运用新的涂层形成原理开发 涂层制备新工艺，发展和完善金属植入材料表 面涂层性能的评价体系是今后医用钛合金表面 改性的一个重要发展方向。
目前，生物陶瓷涂层制备方法主要 有:等离子喷涂法、电泳沉积法、 离子束溅射法等。
提高耐磨损性能的钛合金表面改性 目前应用的医用钛合金虽然具有优良的耐蚀 性和比强度，但耐磨性较差，为了提高钛合 金的耐磨损性能，通常是利用表面处理工艺 在钛合金表面形成一层耐磨涂层。
医用金属材料的药理
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
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
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。
一种金属材料表面改性的方法及其产品和用途[发明专利]
![一种金属材料表面改性的方法及其产品和用途[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/2222dc8c48d7c1c709a14535.png)
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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介入治疗中医用新材料及其表面改性技术的研究
关键词 ： 介 入 治疗 ； 医 用新 材 料 ；表 面 改性 ；生 物 相 容 性 ； 药 物 涂 层 支 架
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杨 大 智
（ 大连 理 工 大 学 生 物 医 学 工 程 研 究 中 心 ， 大 连 ｌ １ ６ ０ ２ ４ ）
摘 要： 本 文 首先 阐述 了介 入 治 疗 技 术 的 形 成 、发 展 、 内容 与 应 用 范 围 ，指 出 了 介 入 器
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组 织 相 容 性 ，与 植 入 物 的表 面 性 能有 关 。 因 而 ，植 入 物 要 达 到 良好 的生 物 相 容 性 ，必 须 同 时满 足 生物 力 学 性 能 和 表 面 性 能 要 求 。通 过在金属基 体表面制备生物惰性陶瓷薄膜 ， 可 以提 高 植 入 物 的抗 腐 蚀 性 和 血 液 相 容 性 ， 其 中研 究报 道 较 多 的 是 类 金 刚 石 薄 膜 ， 国 内 四川 大 学对 此 研 究 较 多 。此 外 ，Ｔ ｉ Ｎ 、Ｔ ｉ Ｃ 、 Ｔ ａ Ｎ 、Ｓ ｉ Ｃ 、Ａ ｌ ， ０ 、Ｔ ｉ ０ ２ 等 也 具 有 良好 的 血 液 相 容 性 ， 中科 院上 海 冶 金 所 和 西 南 交 通 大 学 等 利 用Ｉ Ｂ Ａ Ｄ 技 术 在 热 解 碳 上 生 长 氧 化 钛 薄 膜 ，用 于 改善 材 料 的抗 凝 血 性 能 ，收 到 了较 好 的 效 果 。但 以上 改性 膜 层 的 制 备 都 是 以人 工 心 脏 瓣 膜 的表 面 改性 为基 础 的 ，对 于 血 管 内金 属 植 入 物 的表 面 改性 研 究 方 面 ， 国 内外 报 道 较 少 。大 连 理 工 大 学 三 束 材 料 改性 国家 重 点 实 验 室 利 用 等 离 子 体 条 件 下 的 载 能束 对 材 料 表 面 进 行 改性 ，获 得 了类 金 刚 石 薄膜 ， 材 料 性 能 得 到 很 大 改 善和 提 高 ， 发现 植 入 物 与 血 液 界 面 之 间 的 相 互 作 用 机 制 有 其 独 特 性 ， 但 还 有 很 多 基 础 理 论 问 题 需 要 深 入 研 究。 在 金 属 植 入 物 表 面 固定 具 有 抗 凝 血 作 用 的 生物 活 性 物 质 是 提 高 植 入 物 血 液 相 容 性 的 另 一 途 径 。 肝 素 是 很 引 人 注 意 的 抗 凝 血 物 质 ， 目前 ， 能 够 释 放 肝 素 的高 分 子 材 料 作 为 短 期 使 用 的心 血 管 装 置 如 插 管 、导 管 等 ，在 临床 上 已获得 广 泛 应 用 。如 果 能够 在 金 属 基 体 表 面 制 备 可释 放 肝 素 的涂 层 ，则 可 根 本 解 决 金 属 支 架 与 血 液 界 面 相 容 性 问题 。 血 管 内支 架 与心 脏 瓣 膜 和 其 它 植 入 物 的 不 同之 处 在 于 支 架 的 植 入 需 要 其 具 有 良好 的 柔 韧 性 ，这 对 改性 膜 层 与 基 体 之 间 的结 合 强 度 提 出 了更 高 的要 求 。大 连 理 工 大 学 对 离 子 注 入 技 术 已进 行 了较 多 的研 究 ，通 过 离 子 注 入Ｎ 、Ｃ 、Ｐ 、０ 等 非 金 属 元 素 ， 行 生 物 陶 瓷 膜 的 沉 积 ， 由此 可 解 决 薄 膜 与 基 体 的结 合 力 问题 。 由于 材 料 的表 面 组 成 、 结 构和 性 能 （ 如 表 面 能 、表 面 电荷 、表 面粗 糙度 、 亲 水 性和
金属表面的化学改性
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。
医用可降解镁合金应用及表面改性研究进展
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]。
生物医用材料的改性与性能优化
生物医用材料的改性与性能优化生物医用材料是应用于医学领域的一类特殊材料，其要求具有良好的生物相容性、机械性能和生物活性，以满足医疗器械和组织工程方面的需求。
然而，传统的生物医用材料在某些方面存在一定的局限性，如机械性能不足、生物相容性差等问题。
为了克服这些问题，科学家们通过改性来优化材料的性能，使之更加适用于生物医学领域的应用。
第一部分：改性技术的介绍改性是指对材料的组成、结构或性质进行改变，以提高其性能或满足特定需求的一种手段。
对于生物医用材料而言，改性技术可以在不破坏其基本结构的前提下，针对特殊的应用需求对其进行改变，从而优化其性能。
常见的改性技术包括物理改性、化学改性和生物改性等。
第二部分：物理改性物理改性是通过改变材料的物理性质来优化其性能。
例如，通过控制材料的晶体结构、晶粒尺寸和晶体形貌等来提高材料的强度和硬度。
此外，还可以通过锻造、拉伸、热处理等工艺手段来改变材料的内部结构，从而改善其机械性能。
物理改性通常不涉及对材料的化学结构的改变，其优点是能够通过简单的工艺手段达到较好的改性效果。
第三部分：化学改性化学改性是通过改变材料的化学结构和性质来优化其性能。
化学改性包括表面改性和体积改性两种方式。
表面改性是指通过在材料表面引入新的官能团或改变材料表面的表面能，从而改变材料的表面性质。
例如，通过表面涂覆生物活性分子、聚合物等来增强材料的生物相容性和生物活性。
体积改性是指通过改变材料的化学结构和组成，从而改变材料的整体性能。
例如，对聚合物生物医用材料进行交联改性，可以增加其强度和稳定性。
第四部分：生物改性生物改性是指通过利用生物体内的物质来改变材料的性质。
生物改性常常涉及生物活性因子的引入，例如细胞因子、生长因子等。
这些因子可以通过对材料进行遗传工程改造，使其具有良好的生物相容性和生物活性。
生物改性的优势在于可以实现材料的自愈合和组织再生功能，从而更好地与人体组织相适应。
第五部分：性能优化实例生物医用材料的改性和性能优化在实际应用中有着广泛的应用。
医用钛金属材料表面改性研究
为一种不完 全的生物惰 性材 料 。 但这层 氧化膜是致密 的 钝化层 ，诱导磷 酸盐沉积 的能力极 差，甚至不 能诱导。
生机 械结合而不 能形成化学 结合 。 究表 明， 过对钛 研 通 基 合金进行表面 活化处理 ， 以显著 改善钛 基合金 的表 可
面性 能， 改性技术不仅 可提高金属 表面 的稳定性和 耐磨
性 ，而且可赋 予生物活性 ，即可 使新骨组织直接 沉积于
金属表 面，而无 纤维结缔组 织 的中间隔层 。因此近 年来
中图分类号 ： Ｔ ７ Ｇ１ ８ 文献标识码 ：Ａ 文章编号： １０ ．７ ［ ０ ７增刊．７ ６０ ０ １ ３（ ０ ） ９ ２ １６ ． ４
１ 引 言
医用材 料是用 以和生物 系统接合 ，以诊断 、治疗或
替换机体 中的组织、器 官或增进其功 能的材料 。它可 以 是天然产物 ，也可 以是合成材料 ，或 是它们 的结合 ，还 可 以是有生命 的活体 细胞 或天 然组织 与无 生命 的材 料 结合的杂化材料 。虽然 早在公元前 ５０ ０ ０年 ，埃及和 中 国已用人工牙 植入领骨 内来修复 失牙 ， 但是近 代生物 医 用材料这 一科学学体系 的正式形成 ，历史却不 长，从材 料 与生物 系统 相互 作用 的角度 来 设计生 物医 用材 料 是 ２ Ｏ世纪 ６ Ｏ年代末期才 开始兴起 的科学概念 。生物 医用 材 料与生物学进一 步结合是在 ９ Ｏ年代初 ，由于材 料科 学 、细 胞生物学 、分 子生物学和医 学的进展 ，得 以在 细 胞和分子水 平上认识材 料与机体 间的相 互作用 ， 为较 为 彻底 地解 决生物 医 用材 料在 临床 中出现 的问题提 供 了 可能性 。赋予材料 生物 结构和 生物 功能，再生和 修复人 体组织或器官或 增进其功 能，己成为当代生物 医用材料 发展的方 向和前沿 ， 目的在 于充分调动机体康 复和完 其
生物医用材料系列6-生物医用材料表面改性
目录
• 生物医用材料表面改性的重要性 • 生物医用材料表面改性的方法 • 生物医用材料表面改性的应用 • 生物医用材料表面改性的未来发展
01
生物医用材料表面改性的重要性
改善生物相容性
生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的适应性 反应。通过表面改性，可以改善生物医用材料与人体组织和 细胞的相容性，降低排异反应和炎症反应，提高材料的生物 安全性。
经过表面改性的牙科种植体可以缩短骨结合时间，提高种植体的稳定性和长期成功 率。
药物载体
药物载体是一种用于输送药物到病变部位的医疗器械。表面改性技术可 以提高药物载体的靶向性和释药性能。
常用的表面改性方法包括化学偶联、物理吸附、涂层技术等，这些技术 可以改变药物载体表面的性质，使其更易于与药物结合并输送到病变部
03
生物医用材料表面改性的应用
人工关节
人工关节置换是一种常见的手术，用于治疗严重的关节疾 病。表面改性技术可以提高人工关节的耐磨性和生物相容 性，减少植入后并发症的发生。
常用的表面改性方法包括涂层技术、离子注入、等离子喷 涂等，这些技术可以改变人工关节表面的物理和化学性质， 提高其与人体组织的相容性。
表面氧化还原反应
通过氧化或还原反应改变 材料表面的化学状态和性 质。
生物化学方法
生物固定化
利用生物分子的特异性结合，将 生物分子或细胞固定在材料表面，
提高材料的生物相容性和功能。
酶固定化
将酶固定在材料表面，利用酶的生 物催化作用改善材料的性能。
生长因子固定化
将生长因子固定在材料表面，促进 细胞生长和组织再生。
新型涂层材料
采用新型涂层材料可以提高表面改性的持久性和稳定性，如采用具有优异耐久性和稳定性的生物活性 涂层材料，这些涂层能够与生物医用材料紧密结合，提高材料的耐久性和稳定性。
材料表面改性的方法与机制
材料表面改性的方法与机制材料的表面改性是一种常见的技术手段，用于提高材料的特性和性能。
通过对材料表面的处理，可以改变其表面性质，如增加化学反应活性、提高抗腐蚀性能、改善疲劳性能等。
本文将探讨材料表面改性的方法与机制。
一、物理方法1. 涂层技术涂层技术是常用的一种表面改性方法，通过在材料表面形成薄膜来改变其性质。
常见的涂层技术包括溅射法、电镀法、喷涂法等。
涂层可以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性等特性，同时也可以改变材料的外观。
2. 热处理热处理是一种利用高温对材料进行加工的方法。
通过控制材料的加热温度和时间，可以改变其晶体结构和物理性能。
例如，淬火可以使金属材料具有更高的硬度和强度。
3. 表面改性剂表面改性剂是一种可以在材料表面形成薄膜或覆盖层的物质。
通过采用表面改性剂，可以改善材料的润滑性、耐腐蚀性等特性。
表面改性剂常常被用于润滑油、防锈剂等领域。
二、化学方法1. 化学处理化学处理是一种将材料浸泡在化学溶液中的方法，通过与溶液中的化学物质发生反应，改变材料的表面性质。
比如，氧化处理可以在金属表面形成一层氧化膜，增加材料的耐腐蚀性。
2. 化学合成化学合成是一种利用化学反应制备新材料的方法。
通过控制反应条件和反应物质，可以改变材料的组成和结构，从而改变其性质。
化学合成常常用于制备新的纳米材料和功能性材料。
三、生物方法1. 生物体反应生物体反应是一种利用生物体内部的化学反应来改变材料性质的方法。
例如，生物体内的酶可以催化一些特定的化学反应，从而对材料进行改性。
2. 生物微生物处理生物微生物处理是一种利用微生物来改变材料性质的方法。
微生物可以通过代谢作用来改变材料的表面化学性质，例如，通过菌种的作用，可以使材料表面具有抗菌性能。
四、机制材料表面改性的机制有很多，主要可以归纳为以下几点。
1. 氧化反应在许多材料的表面改性过程中，都涉及到氧化反应。
例如，金属材料表面的氧化处理可以形成氧化膜，提高抗腐蚀性能。
2. 化学键形成材料表面的改性过程中，常常涉及到化学键的形成。
表面改性技术
双氧水法
溶胶－凝胶法 碱处理法 表面诱导矿化法 酸、碱两步法 酸处理法
（一）羟基磷灰石涂层
羟基磷灰石涂层： 致密HA力学性能
致密型HA（孔隙率<4% ）的抗弯强度、压缩 强度和分别为80~195MPa、400~917MPa、 0.7～ 1.3/MPa·m1/2 。其力学性能与相组成、晶粒度和孔 隙率等密切相关：强度随孔隙率增加呈指数下降， 而断裂韧性随气孔率增高而呈线形降低。
➢生物活性：能与宿主骨发生直接的化学性 （化学键性或骨性）结合
生物活性的重要性
钛合金与骨之间的界面结合效应
无活性涂层
钛合金髋关节
HA涂层
植
入
骨
体
纤维组织
植 入
骨
体
涂层
生物活性涂层设计目的：提高生物相容性与生物活性
生物活性涂层材料：
•羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2, HAP） • 硅灰石（ CaSiO3 ） • CaO-SiO2 -P2O5系玻璃陶瓷(或生物活性玻璃) • 氧化钛基涂层（或薄膜）
延伸率 /(%) <3 18 11 >40 10
HV
－ 250 350 <200 300
弹性模量偏高——应力屏蔽问题！！！
应力屏蔽问题
硬组织生物材料与硬组织的弹性模量不匹配引起的问题 正在逐渐受到重视。 ➢植入材料的弹性模量过高，在骨与其附近的植入体共同 承受应力时，应力将主要分布在应变较小的植入体上， 在这种应力保护下，原有的骨组织会因为缺少足够的应 力刺激而萎缩、甚至被吸收，而新生骨的生长也被抑制 (Wolff定律)。这样不仅骨愈合被延迟，还会导致植入体 的松动和植入失败。 ➢植入体的弹性模量也不能过低，否则植入体刚性小而易 变形，不利于组织在植入体界面处的愈合。 ➢应力屏蔽现象除了发生在骨科临床，也发生在整形外科 和牙科领域。
生物医用材料系列6--生物医用材料表面改性
24
共价接枝方法能使材料表面形成的白蛋白层与基
体之间有很高的结合能力。可以使材料表面血小板 的粘附量下降3个数量级，甚至可以达到无血小板 粘附，且白质白层的稳定性远大于物理吸附。 伽马辐射可以促进白蛋白在材料表面的共价接 枝。
25
(III)聚氧化乙烯表面接枝 理论依据：
有报道指出，材料表面具有一端悬挂的长链结 构是其具有良好血液相容性的一个条件。这种结构 可以维持血液中血浆蛋白的正常构象。
30
3.等离子体表面改性
等离子是一种全部或部分电离的气态物质，含
有亚稳态和激发态的原子、分子、离子。 等离子体中的电子、原子、分子、离子都具有 一定能量，可与材料表面相互作用，产生表面反 应，使表面发生物理化学变化而实现表面改性。
31
等离子体表面改性有三种类型：
•等离子体表面聚合
•等离子体表面处理 •等离子体表面接枝
47
金属材料（如不锈钢、钴铬钼合金、钛合金等） 主要是作为承受载荷的硬组织替代材料。它们长期与
肌体的体液接触，并承受周期性机械载荷作用，容易
出现金属腐蚀、磨损、疲劳等问题。
48
•不锈钢矫形器件埋入体内曾发生腐蚀失效问题； •钛合金人工关节与超高分子聚乙烯髌配付，经
100万次人步行载荷后将产生3.8mg的磨屑，这些 磨屑与组织接触将产生感染、组织坏死，而使植
有很高化学活性
氢原子、自由 基衍生单体等
在主链随机位 置产生自由基
支化、交联
高度交联的网 状结构聚合膜
34
表面修饰方法(肖）
1、基底金属
不锈钢317L、
NiTi记忆合金 2、单体乙烯 硫酸二甲酯、 亚磷酸二甲酯 通过放电形成有机聚合膜（含C、H、O） 。
金属材料的表面改性技术研究
金属材料的表面改性技术研究金属材料一直是重要的结构材料，在各行各业都有广泛的应用。
然而，由于金属材料在使用过程中可能面临腐蚀、磨损、疲劳等问题，因此需要对金属材料进行表面改性处理，以提高其性能和延长使用寿命。
本文将对金属材料表面改性技术的研究进行探讨。
一、金属材料表面改性技术1.1 热处理技术热处理是一种常用的金属材料改性技术，它通过加热和冷却过程改变金属材料的晶体结构和性能。
常见的热处理技术包括退火、淬火、正火等。
热处理可以使金属材料获得更好的强度、硬度和耐磨性，提高其耐腐蚀能力。
1.2 表面合金化技术表面合金化是一种通过在金属材料表面形成合金层来改善其性能的技术。
常见的表面合金化技术有化学气相沉积、电镀、扩散合金化等。
这些技术可以在金属材料表面形成均匀、致密的合金层，提高金属材料的抗磨损、耐腐蚀和耐高温性能。
1.3 表面涂层技术表面涂层技术是一种将覆盖物涂覆在金属材料表面的改性技术。
常用的表面涂层技术包括喷涂、电泳涂覆、物理气相沉积等。
涂层可以提供额外的保护层，防止金属材料与外界环境接触，延缓金属材料的腐蚀、磨损过程。
1.4 表面纳米结构化技术表面纳米结构化技术是一种通过控制金属材料表面的纳米结构来改性的技术。
这种技术可以形成纳米级的颗粒、膜层或纳米结构单元，改变金属材料的表面形貌和力学性能。
常用的表面纳米结构化技术有电化学刻蚀、溅射、离子束处理等。
二、金属材料表面改性技术的研究进展2.1 研究现状在金属材料表面改性技术的研究领域，国内外学者取得了许多重要进展。
他们通过优化改性工艺参数、开发新的改性材料和方法，不断提高金属材料的表面性能。
例如，应用化学气相沉积技术制备了高性能的硬质涂层，提高了金属材料的硬度和耐磨性能。
另外，表面纳米结构化技术也被广泛应用于金属材料的改性研究中，通过调控纳米结构单元的尺寸和形貌，进一步提高了金属材料的力学性能。
2.2 发展趋势随着科学技术的不断进步，金属材料表面改性技术也在不断发展。
医用材料的表面改性及应用
医用材料的表面改性及应用随着科学技术的不断发展，医学领域的技术也日益更新，在不断地推动着医学科研的发展。
而医用材料的表面改性将会成为未来医学发展的一个重要方向之一。
医用材料的表面改性，指的是通过化学、物理、生物等多种方法来改变医用材料表面的化学、物理、生物特性，以此来提高材料在医疗上的可用性和生物相容性。
一方面，通过表面改性可以有效提高医用材料的生物相容性，以避免材料本身对人体造成的不良刺激和排异反应。
另一方面，通过改变材料表面的特性，也能够优化医疗器械的性能，例如降低材料表面的摩擦系数和粘附性，从而减少手术操作的难度和提高医疗器械的使用效果。
目前，医用材料的表面改性主要应用于人工关节、人工血管、心脏起搏器等医疗器械上。
例如，在人工关节上，可使用表面涂层技术来改善金属材料的稳定性和生物相容性，从而提高其在关节置换手术中的效果。
在人工血管中，则可以通过表面改性来防止血栓形成以及降低血运重塑的风险。
然而，当前所采用的医用材料表面改性技术仍存在一些问题。
例如，采用化学涂层改性技术时，可能会由于材料表面的组成和制备过程的复杂性而难以实现一致性和稳定性；在物理改性技术方面，由于表面改性后的材料还不具备长期稳定性，因此需要对其进行不断的监测和修复，以确保其使用效果。
此外，当前医用材料的表面改性技术还无法满足个性化医疗的需求。
由于每个人的生理环境和身体特征都存在差异，因此需要针对不同的人群和不同的疾病，采用不同的表面改性技术和材料，从而提高医疗的针对性和有效性。
综上所述，医用材料的表面改性将在未来医学发展中扮演越来越重要的角色。
未来需要进一步加强对表面改性技术的研究，优化其实现过程和效果，并将其应用于更多的医疗领域中，以提高医疗器械的性能和效果，从而改善人们的健康和生活质量。
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物理化学方法
喷砂法原理
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离子注入法原理
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形态学方法
• 在不改变金属基体表层的化学组成的情况下，将 其直接植入生物体内，从而达到对生物体组织在 其上的粘附、生长以及粘附强度产生重要影响。 此方法并不在基体表面产生强化层或附加涂层， 而是通过改善植入体的表面微观形貌来获得最好 的植入效果。 形态学表面改性工艺在提高结合 强度的同时，一般不会减损材料的生物相容性， 是一种比较简单有效的表面改性方法。其具体方 法有：等离子喷刷、超音振荡、激光束点融以及 电化学晶界腐蚀等。
物理化学方法 形态学方法 生物化学方法
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物理化学方法
脉冲激光融敷
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离子溅射
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物理化学方法
• 4 . 喷砂法 用喷砂机将涂敷材料粉末直接高速喷出镶入基体表面。
• 5 . 电化学法 电化学法是用电化学的方法，通过调节电解液的浓度、PH值、反应 温度，电场强度，电流等来控制反应的制备方法。
• 6 . 离子注入法 离子注入改性是将所需的元素在离子气化室中进行气化，通过高频 放电使其离子化，以外加电场导出、聚束和加速，使其形成高能细 小的离子束而打入作为靶的固体材料表面，从而达到改变材料表层 性能的方法。非热平衡过程，不受冶金学规律的限制，可以将任何 元素原子加速注入粉盒材料之中；离子注入过程是低温过程，不会 引发金属靶材料内部结构、成分和外部形状的变化；同时离子注入 技术又是一种高度可控技术，通过控制注入能量与注入剂量可以准 确控制靶材料的注入浓度、梯度和注入深度。
随着人民生活水平的提高及对健康的更高要求，对 生物医用材料的需求量正在迅速地增长。尽管近年来人 们运用表面工程的方法对提高医用金属材料的性能(生 物活性和相容性、耐磨耐蚀性)开展了大量的工作并取 得进展，但涂层与金属基体的界面结合强度较低仍是困 扰医用金属植入体临床应用的瓶颈问题。
因此从仿生原理、组织工程原理、基质控制矿化的 思路出发，兼顾涂层的高耐磨性、优良的耐蚀性和生物 相容性，研究适合医用金属特性的多功能表面涂层体系 ，运用新的涂层形成原理开发涂层制备新工艺是今后医 用金属表面改性的一个重要发展方向。
形态学方法
实物图
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原理图
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生物化学方法
将大分子蛋白质或酶等有机高分子物质引入基体表 面，使其具有更优良的生物活性，因而具有更直接、更 有效的特点。这样的材料可以促进植入处伤口的愈合， 加速植入体与周围组织的结合，同时也可以提高植入体 的安全性和使用H] 或H+作用，形成附于基体表面的OH 羟基。在这种情况下用 (APS) 对基体进行硅烷化处 理，再通过戊二酸醛的作用将一些蛋白质或酶的分子如 胰蛋白酶，以化学键联接在基体表面上。此方法是由美 国科学家David. A. Puleo 提出，它可以将活的生物分子 固定在无机、非孔状、非松散生物材料的表面，从而使 材料表面活性大大提高。
医用金属材料表面改性
金属材料是生物医学材料中应用最早 的。由金属具有较高的强度和韧性，适用 于修复或换人体的硬组织，早在一百多年 前人们就已用贵金属镶牙。随着抗腐蚀性 强的不锈钢、弹性模量与骨组织接近铜铁 合金，以及记忆合金材料、复合材料等新 型生物医学金属材料的不断出现，其应用 范围也在扩大。
医用金属与合金表面涂层处理