医用钛合金及其表面改性技术的研究现状
钛合金在骨科植入领域的研究进展
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。
医用钛合金表面改性研究进展
存在的主要问题： 生物活性、 耐磨性和耐腐蚀性有待进一步提 高， 出 指 表面改性是改善上述问题的有效途径 ； 综述 了人
体植入钛舍金表 面改性的研究进展 ， 并展望 了钛合金表 面改性 的发展 趋势 。
关 键 词 钛合金 表面改性 生物活性 耐蚀性 耐磨性
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐ ｏ ｒ ｓ ｎ Ｓ ｒ ａ ｅＭ ｏ ｉｉａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｄ ｃ ｌＴｉａ ｉ ｍ ｌ ｙ ｓ ａ ｃ ｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｕ ｆ ｃ ｄ ｆｃ ｔｏ ｆＢｉ ｍｅ ｉａ ｔ ｎ ｕ Ａｌ ｓ ｏ
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医用钛合金表 面改性研 究进展／ 黄伟九等
・３９ ・ ６
医用 钛 合 金表 面 改 性研 究进 展
黄伟 九 ， 兆峰 李
（ 重庆工学院材料科学与工程 学院 ， 重庆 ４Ｏ ５） Ｏ０Ｏ
摘要 钛合金作 为人体硬组 织替代物 和修 复物 的首选材料在 临床 上得 到广泛的应 用。分析 了 目前 医用钛 合金
质释放到组织中， 在生物体内产生毒性 、 炎症、 血栓等反应 。
针对 医用钛 合金存在 的不足 可从 两方 面人 手 ： 一是从 材料
Ｄｖｎ ｏｔ ａｅｐｒ用于医学领域， 尔后凭借其优良的生物相容性和耐腐 蚀性 、 优异 的综 合力学性 能和工艺 性能 在牙种植 体 、 人工关节 、 脊柱矫形内固定系统、 内钉、 髓 矫形钢板等方面的应用逐渐占据 了主导地位， 成为人体硬组织替代物和修复物的首选材料［４ ３３
ａ ｄ ｔｅｒ ｓａ ｃ ｒｎ ｆｓ ｒａ ｅｍｏ ｉｃ ｔ ｎ ｉ ａｓ ｒｓｎ ｅ ． ｎ ｈ ｅ ｅｒ ｈ ｔｅ ｄｏ ｕ ｆｃ ｄｆ ａｉ ｌｏ ｐ ｅ ｅ ｔｄ ｉ ｏ ｓ
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ
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。
医用钛合金的研究现状及发展
医用钛合金的研究现状及发展作者：许标姜云海朱渊来源：《科技创新导报》2015年第06期摘要：医用金属材料又称外科植入金属材料，是最早进行临床应用的生物医用材料，目前在临床中的应用仍最为广泛。
医用金属材料主要用作对骨骼、关节、牙齿以及血管等修复的材料使用[l]。
临床使用最早的金属材料是有一定抗腐蚀性的不锈钢，主要使用316L奥氏体不锈钢。
关键词：医用钛合金表面改性生物相容性中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0201-03医用金属材料又称外科植入金属材料，是最早进行临床应用的生物医用材料，目前在临床中的应用仍最为广泛。
医用金属材料主要用作对骨骼、关节、牙齿以及血管等修复的材料使用[1]。
临床使用最早的金属材料是有一定抗腐蚀性的不锈钢，主要使用316L奥氏体不锈钢。
随后在生物环境中具有更好的抗腐蚀性、组织反应也较小的Co-Cr合金也成为了主要的医用金属材料。
虽然使用中不断发现Co-Cr合金的毒性等缺点，但是由于于Co-Cr等系列合金的高度成熟以及钛合金加工上的难度高等因素，致使钛合金开发及应用相较其他合金落后了，直到20世纪60年代Branemark把钛合金作为口腔种植体应用后，钛及其合金作为外科植入材料才得到了广泛应用[2，3]。
近年来钛合金以其与骨更近似的弹性模量、良好的生物相容性及生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上的应用越来越广泛， Co-Cr合金及不锈钢在临床应用上的主导地位已逐步被取代[4]。
1 医用钛合金的发展20世纪中叶以来，钛及其合金的开发应用经历了三个阶段，第一阶段以纯钛和Ti-6A1-4V 为代表（即传统的α钛合金），第二阶段则是以T1-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的新型的α+β型合金，第三个阶段则是正在进行的以开发研制生物相容性更好、弹性模量更低的β型和近β型钛合金为方向的时代，其中以β型钛合金的研究开发最为广泛[5-6]。
医用钛材料表面改性新技术应用研究
（ ． 毅新 材料科技 （ １金 广州 ） 有限公司 ， 广东 广州 ５０ ３ ；． １７０ ２ 广州有色金属 研究院 ， 广东 广州 ５ ０ ５ ；． 明翰大学 冶金与材料学 院 ， 国 伯 明翰 Ｂ ５２ ｒ １６ ０ ３ 伯 英 １ ． ） ｒ
关键 词 ： 医用钛材料 ； 表面改性 ；生物相容性 ；血液相容性
中 图 分 类 号 ： Ｇ４ ． ３ Ｔ ６２ 文献 标 识 码 ： Ａ
Ａｎ ｉ ｅ ｔｇ ｔｏ ｏ ｕｒ ａ ｅ ｍ ｏ ｆｃ ｔｏ ｔ ｃ ｎｉ ｕｅ ｆ ｒ ｍ ｅ ｉａ ｉａ ｉ ｍ ｌ ｙ ｎｖ ｓｉ ａ ｉｎ ｆｓ ｆ ｃ ｄｉ ａ ｉｎ ｅ ｈ ｑ ｏ ｄ ｃ ｌｔｔ ｎ ｕ ａ ｌ ｓ ｉ ｏ
ｄｔ ｎ （ Ｔ ， ａ ｕｃｓｆ ｌ ｂｅ ｅｅ ｐｄ ｗ ｉ ａ ｒｍ ｔ ａ ｙｉｐｏｅ ｈ ｒｐｒｅ ｎ ｅ ｏ ａｃ ｅｉａ ａｏ Ｐ Ｏ） ｈｓ ｃｅｓ ｌ ｅｎｄ ｖｌ ｅ ， ｈｃ ｃｎｄａ ａｉ ｌ ｒ ｅ ｏｅｔ ｓ ｄｐｒ ｒ ｎｅｏ ｍ ｄｃｌ ｉ ｓ ｕｙ ｏ ｈ ｃ ｌ ｍ ｖｔ ｐ ｉ ａ ｆｍ ｆ
ｔ ａ ｉ ｍ ｌ ｙ ．Ｔ ｅＰ Ｏ－ ｄ ｆ ｄ ｔ ａ ｉ ｍ ｌｎ ｓｗｅ ｅｐ ｏ ｉｅ ｔ ｏ ｒ ｈ ｎ ｉ ｅ ｉ ｒｖ ｍｅ ｔ ｉ ｏ ｒ ｓ ｎ ａ ｄ ｗ ａ＂ ｉ ｎｕ ａｌ ｓ ｈ Ｔ ｍｏ ｉ ｅ ｉ ｎｕ ｉ ａ ｔ ｔ ｏ ｉ ｔ ｍｐ ｒ ｒ ｖｄ ｄ ｗｉ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｓｖ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｓ ｎ ｃ ｒｏ ｉ ｎ ｅ ｌ ｈ ｏ ｒ ｓｓａ ｃ ，ｇ ｏ ｉ ｃ ｍｐ ｔ ｉ ｔ ，ａ ｄ ｅ ｃ ｌ ｎ ｅ ｃ ｍｐ ｔ ｉ ｔ ． ｅ ｉ ｎ ｅ ｏ ｄ ｂ ｏ ｏ ａｉ ｌ ｙ ｎ ｘ ｅｌ ｔｈ ｍｏ ｏ ａ ｉ ｌ ｙ ｔ ｂｉ ｅ ｂｉ
医用钛合金表面改性层腐蚀及腐蚀-磨损性能及研究
医用钛合金表面改性层腐蚀及腐蚀-磨损性能研究摘 要钛及钛合金因具有质轻、耐腐蚀性能优异、生物相容性好、较低的弹性模量等优异特性，被认为是理想的生物医用金属材料，但其摩擦学性能低劣。
在电解质环境中，表面被机械划伤后，可导致表面钝化层的破坏，出现磨损-腐蚀加速。
针对目前被广泛使用的医用植入钛合金Ti6Al4V（TC4）在模拟人工体液(Hank’s溶液)、模拟人工唾液及蒸馏水中可能出现的腐蚀-磨损问题，鉴于性能优良的钛-钼系的β型钛合金是医用钛合金的发展趋势考虑，我们拟以等离子表面合金化技术在钛合金（TC4）表面制备含钼合金化改性层，并对其组织结构、腐蚀及腐蚀-磨损性能分别进行研究。
采用GDS 、SEM、XRD等手段对改性层的成分与组织结构分别进行检测。
对改性层的制备工艺及组织结构进行试验对比，得到利用等离子表面合金化技术制备一定厚度致密的合金化层的最佳工艺。
利用电化学分析方法，对比研究未经表面改性处理的基材和经过渗钼、钼氮共渗和渗氮表面改性处理的试样在Hank’s溶液、模拟人工唾液及蒸馏水中的电化学腐蚀行为。
结果表明：表面改性处理对钛合金（TC4）的耐蚀性有不同程度的影响。
其中钛合金经钼氮共渗表面改性处理后，在三种不同介质中的耐蚀性能均得到改善。
借助腐蚀-磨损试验，考察了未经表面改性处理的基材和经过钼氮共渗表面改性处理的试样在大气、Hank’s溶液、模拟人工唾液及蒸馏水中的腐蚀-磨损行为。
结果显示：钛合金（TC4）经过钼氮共渗表面处理后，耐磨性可以提高近十倍。
表明钼氮表面改性层可以有效保护较软的基体，使钛合金（TC4）的摩擦学性能得到很大改善。
以上系统研究结果表明：钼氮共渗处理可以有效提高钛合金（TC4）的耐蚀性和腐蚀-磨损性能。
因此等离子表面冶金技术在生物医用钛合金表面改性方面是一种比较有效的方法。
关键词：钛合金，等离子表面合金化技术，改性层，电化学腐蚀，腐蚀-磨损CORRSION AND CORROSION-WEAR BEHA VIOR OF MODIFIED LAYERS ON BIOMEDICAL TITANIUM ALLOYABSTRACTTitanium and its alloys are desirable metal biomaterial, due to their lower density, excellent corrosion resistance, better biocompatibility and low elastic modulus .However, the deficiencies of titanium alloy are obvious as well, such as inferior tribological property, low hardness. When its surface passivation film is destroyed by mechanical damage, which will cause aggravation of corrosive-wear in some electrolyte environment.Focusing on the corrosive-wear issues of implantation titanium alloys (Ti6Al4V) in artificial body solution, artificial saliva and water, and considering of excellent property Ti-Mo β titanium alloys, in this paper, Mo, Mo-N modified and nitrided layers were fabricated on Ti6Al4V alloy base by plasma surface alloying technique. The component, microstructure, electrochemical corrosion properties and corrosive-wear behaviors of these surface modified Ti6Al4V alloy were investigated.The microstructure and composition of the surface modified layer were investigated by SEM, X - ray diffraction (XRD) and glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES). The modified layer preparation process andits microstructure were compared. Results show the certain thickness and compact alloy layer can be obtained by plasma surface alloying technology.Applying electrochemical analysis method, the electrochemical corrosive behavior of base material Ti6Al4V and modified Ti6Al4V in artificial body solution, artificial saliva and distilled water have been tested and compared respectively. Results show that surface modification treatment affect corrosion resistance of TC4 differently, and Mo-N modified layer perform very good corrosion resistance in above three different media.The corrosive-wear behavior of base material Ti6Al4V and Mo-N modified Ti6Al4V have been tested and compared in air, artificial body solution, artificial saliva and distilled water. Results show that Mo-N modified layer can improve wear resistance of Ti6Al4V about ten times, and perform excellent corrosive-wear resistance in above four different media. Further investigation manifest Mo-N modified layer can effectively protect pliabler Ti6Al4V substrate and has much better friction-reducing and anti-wear ability.It is indicated that Mo-N modified layer have excellent property of corrosion resistance and wear resistance, and can remarkablly improve tribological property of Ti6Al4V .KEY WORDS: Titanium alloy, Plasma surface alloying technology, surface modified layer, electrochemical corrosion, corrosion-wear第一章文献综述1.1 钛及钛合金1.1.1 概述钛在地壳里的分布范围比较广泛，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居第九位[1]。
医用钛合金的发展及研究现状
医用钛合金的发展及研究现状医用钛合金是一种应用广泛的材料，被广泛应用于医疗领域。
它具有优异的生物相容性、良好的机械性能和耐腐蚀性能，因此在手术器械、人工关节、牙科种植等领域得到了广泛应用。
随着医疗技术的进步和对材料性能要求的不断提高，医用钛合金的研究和发展也日益受到重视。
医用钛合金的发展可以追溯到上世纪50年代。
当时，医用钛合金主要用于制作牙科种植体，取代传统的金属材料。
由于钛合金具有优异的生物相容性和良好的机械性能，它成为了理想的牙科种植材料。
随后，医用钛合金在人工关节、骨内固定器械等领域得到了广泛应用。
医用钛合金的研究重点主要包括材料性能的改进和制备工艺的优化。
在材料性能方面，研究人员通过调整合金组成和热处理工艺，改善钛合金的机械性能和耐腐蚀性能。
例如，研究人员通过添加微量元素，如铌、锆等，来提高钛合金的力学性能和生物相容性。
此外，通过调整热处理工艺，可以改善钛合金的组织结构，提高其力学性能。
制备工艺的优化也是医用钛合金研究的重要方向。
目前，常用的制备工艺包括熔模铸造、粉末冶金和快速凝固等。
研究人员通过优化制备工艺，可以控制钛合金的晶粒尺寸和组织结构，从而改善材料的机械性能和生物相容性。
此外，通过采用激光熔化、等离子弧熔化等先进的制备技术，可以实现钛合金的定制化制备，满足不同患者的需求。
近年来，随着3D打印技术的发展，医用钛合金的研究又迎来了新的突破。
3D打印技术可以精确控制钛合金的形状和组织结构，实现个性化的治疗方案。
例如，通过3D打印技术可以制作出与患者骨骼结构完全匹配的骨修复材料，提高手术的准确性和治疗效果。
虽然医用钛合金在医疗领域得到了广泛应用，但仍然存在一些问题需要解决。
首先，钛合金的生产成本较高，限制了其在一些医疗设备中的应用。
其次，钛合金在长期使用过程中可能会引发一些不良反应，如过敏反应等。
因此，钛合金的生物相容性和耐腐蚀性能仍然是研究的重点。
医用钛合金作为一种优异的医疗材料，具有广阔的应用前景。
医用钛合金及其表面改性技术的研究现状
医用钛合金及其表面改性技术的研究现状¹金红*(北京有色金属研究总院科技信息所,北京100088)摘要:介绍了新型医用钛合金的研究开发现状,分析了医用钛合金存在的主要问题,即耐磨性、耐腐蚀性和生物活性有待进一步提高。
阐述了表面改性对提高钛合金的耐磨性能、耐腐蚀性能和生物活性的作用。
指出应当重视钛合金表面生物活性陶瓷涂层的稳定性问题。
认为通过研究开发综合性能更优的新型医用钛合金,寻求更为理想的表面改性工艺以及运用复合涂层制备技术,有望逐步解决钛合金在临床应用中存在的问题。
关键词:医用钛合金;表面改性;耐磨性;耐腐蚀性;生物学性能中图分类号:TG146123文献标识码:A文章编号:0258-7076(2003)06-0794-05在生物医用金属材料中,钛合金凭借其优良的生物相容性、耐腐蚀性、综合力学性能和工艺性能逐渐成为牙种植体、骨创伤产品以及人工关节等人体硬组织替代物和修复物的首选材料。
其中T-i6A-l4V合金作为生物医用合金已有很长的历史。
但T-i6A-l4V合金在生物相容性、耐腐蚀性和耐磨损性能等方面仍不够理想[1~4],而且该合金还存在细胞毒性问题。
为克服T-i6A-l4V合金存在的种种缺陷,近年来人们一直致力于研究开发具有更佳综合性能的医用钛合金,并取得一些进展;与此同时,人们还尝试采用各种表面技术对钛合金进行表面改性以使其更适合于医学应用的要求。
本文综述了医用钛合金的研究开发现状及其表面改性技术的研究进展。
1新型医用钛合金的研究开发现状及存在的问题1.1研究现状近年来钛合金在生物医学领域中的研究和应用呈上升趋势,特别是在牙科和整形外科中钛材的用量明显增多[5]。
目前,医用钛合金仍以T-i6A-l 4V合金为主,但该合金中Al和V元素对人体存在的潜在危害已引起了人们的高度重视。
为克服V 和Al的不良影响,人们相继研究开发了不含V或既不含V也不含Al的A+B钛合金和B钛合金[6,7]。
钛植入体表面生物化学改性的研究进展
钛植入体表面生物化学改性的研究进展庄燕燕 胡 仁 陈 菲 时海燕 综述 林昌健△ 审校(厦门大学化学化工学院固体表面物理化学国家重点实验室,厦门 361005) 摘要 综述近年来钛植入体表面生物化学设计和改性的研究进展,重点介绍植入体表面自组装改性新技术及其在生物医用材料中的应用。
关键词 钛表面 生化设计 表面改性 自组装Surface B iochem ica l M od if ica tion for the T itan iu m I m plan tsZhuang Yanyan Hu Ren Chen Fe i Sh i Ha iyan L i n Changj i an∃(S tate K ey L aboratory f or P hy sical Che m istry of S olid S u rf aces,D ep art m ent of Che m istry,D ep art m ent of M aterialsS cience and E ng ineering,X iam en U niversity,X iam en 361005,Ch ina) Abstract T h is paper review s the p rogress in b i ochem ical design and modificati on fo r the su rfaces of titan ium i m p lan ts in recen t years,the emphasis being laid on the in troducti on of the su rface mo lecu lar con structi on,self2 assem b ly techn ique and its app licati on in b i om edical m aterials.Key words T itan ium su rface B i ochem ical design Su rface modificati on Self2assem b ly1 引 言骨修复替代材料,由于存在着力学性能的要求,常采用金属材料,如不锈钢、钴基合金等。
医用钛及其合金表面制备的国内外研究状况
料所 拥有的 种种优 异特性 ．同时 方法 简 单 成熟 操 作容易．教 率高 浚发 明的
涂 屠材料选 用羟基磷灰石 、三氧化二错 ， 氧化钛 中的 至少一种。 河北工业 大学 ２ ０ ０ ５年公 开的专幸Ｊ ｌ Ｃ ６ ６ ４ 申晴ｎ：２０ ． ５ １ ） 研 究 Ｎ１８ ６ ３（ ０ ５０．９ ． 了 ・ 种表面有 Ｔ Ｏ 涂 层的钛 台金 ￡ 物 医 ［ Ｅ 学 复合材料 度其 制备方 法 ．涉及 垒 裙材
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国 内研 究
日前国内戈盹生物活性氧化钛涂麒的
研究机构主要为中国科学院 ｊ 二 海硅酸盐研
究所 四 川大学 、河北 业大学等 ，近
紫外 】｝射或 将涂 层浸泡在模拟体液 ， 乜吼
或伍空 气或水中进行 ． 照射时 间不低干 １ ２ 小时 泼发明以主晶相为锐铁矿的粉为原 料 ．喷涂后涂县的主品相为盒红 石卡。所 Ｈ
（ 国外企业知 炽产权管理战略的一 个重 要特征是 ，将专利 一） 巾隋与国际投资插动有效地 结合起 来， 确保 专乖权后， ＿ ｌ Ｊ 进 行 对外 直接 投 资活动 。 （ 围外企业普遍 高度重视 々和Ｉ 二） 申请战略的研究 ．硝且拟定 ：
了详细的 策略，在保护 自己的 时 ．电精其竞争 埘于设盘了种
材料表面 ，经冷却 即成，其特征在 于 涂 层材料为配置的纳米级浆科 该浆料 中其
涂层材料的粒径 ≤２ ０ ｍ， 蕈百分比 含 ５ｒ 重 ＝ ｉ
化钛涂 崖表 面生物活化 ．与体液接触后能 空 室 ，通 ｌ射额放 电使气 体电 离形 成等 立
量为 ５ ０ ～２ ％，在注入等离子火焰时 ，将 纳米级浆料雾 化。该发明提供的 这种等 离子喷涂制备纳米涂 层的方法 ，不仅 可火
医用钛合金表面改性及生物摩擦学性能研究进展
医用钛合金表面改性及生物摩擦学性能研究进展
韩生;王媛;蔺华林;晏金灿;薛原;王宸宸
【期刊名称】《应用技术学报》
【年(卷),期】2024(24)1
【摘要】Ti-6Al-4V合金是目前应用最广泛的骨植入物材料,尤其应用在人工关节、骨椎弓根螺钉等植入物领域。
然而,钛合金材料表面的耐磨性不足和生物惰性是种
植体失效的重要因素。
为了延长钛合金种植体的使用寿命,引入表面改性来提高钛
合金的性能是一种可行的解决方案。
综述了钛合金材料的特性及当前存在的问题,
随后对其表面生物摩擦学性能和生物活性的研究现状进行了一系列分析,并进一步
综述了钛合金表面的改性手段。
结果发现,通过对钛合金进行表面改性,同时提高其
表面的生物摩擦学性能和生物活性,在基础科学技术上仍存在一定的挑战。
因此,后
续研究工作中应着重考虑钛合金表面多功能化处理设计探讨改性后的作用机理,这
具有重要的理论意义和应用价值。
【总页数】8页(P35-42)
【作者】韩生;王媛;蔺华林;晏金灿;薛原;王宸宸
【作者单位】上海应用技术大学化学与环境工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB31
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5.Ti及钛合金表面改性在生物医用领域的研究进展
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医用钛合金的表面改性
激光熔覆技术
利用高能激光束在医用钛合金表面 形成一层具有优异性能的合金化层， 提高其硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
等离子喷涂技术
采用等离子喷枪将陶瓷、金属等喷 涂材料喷涂在医用钛合金表面，形 成一层具有优异力学性能和生物相 容性的涂层。
化学改性技术
酸洗技术
通过酸洗处理去除医用钛合金表 面的氧化皮和污染物，同时使其 表面粗化，提高与生物组织的结
合力。
阳极氧化技术
在电解液中将医用钛合金作为阳 极进行氧化处理，形成一层具有 多孔结构的氧化膜，提高其生物
相容性和耐腐蚀性。
化学气相沉积技术
利用化学反应在医用钛合金表面 沉积一层具有优异性能的薄膜， 如耐磨、耐腐蚀和生物相容性良
好的薄膜。
生物相容性改性技术
生物活性涂层技术
在医用钛合金表面涂覆一层具有生物活性的涂层，如羟基 磷灰石、生物玻璃等，以提高其与生物组织的结合力和生 物相容性。
耐腐蚀性能
1 2 3
提高耐蚀性
钛合金在生理环境中易受腐蚀，表面改性可以形 成一层耐腐蚀的保护层，如氧化物层或氮化层等， 从而提高其耐蚀性。
减少氢脆现象
钛合金在腐蚀过程中容易吸收氢原子，导致氢脆 现象。表面改性可以降低钛合金的吸氢能力，减 少氢脆现象的发生。
增强耐电化学腐蚀性
在生理环境中，钛合金易受到电化学腐蚀的影响。 表面改性可以提高其耐电化学腐蚀性，减少因电 化学腐蚀引起的损坏。
06 结论与建议
研究结论
钛合金表面成功改性
通过本研究的实验方法，成功实现了医用钛合金表面的改性，提 高了其生物相容性和耐腐蚀性。
改性层性能优异
改性后的钛合金表面具有优异的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性， 能够满足医用材料的使用要求。
医用钛合金的发展及研究现状
医用钛合金的发展及研究现状医用钛合金是一种具有广泛应用前景的材料，在医疗领域发挥着重要作用。
随着科技的不断进步和人们对健康的追求，医用钛合金的研究与发展也在不断推进。
医用钛合金是由钛及其合金制成的材料，具有优良的生物相容性、耐腐蚀性和机械性能。
它被广泛应用于人工关节、种植牙、修复骨折等医疗领域。
钛具有与骨骼相似的弹性模量，能够减少植入体对周围骨组织的刺激，从而减少植入体排异反应的发生。
同时，医用钛合金还能够与骨组织有效结合，提高植入体的稳定性。
近年来，医用钛合金的研究重点主要集中在其表面改性和生物力学性能的提高上。
表面改性可以通过表面处理、涂层和纳米材料等方法来实现。
常见的表面处理方法有酸洗、阳极氧化和喷砂等，这些方法可以改善钛合金的表面粗糙度和生物活性，促进骨细胞的生长和骨组织的修复。
另外，涂层技术可以在医用钛合金表面形成陶瓷或生物活性涂层，增加其生物相容性和耐磨性。
纳米材料的引入可以改善医用钛合金的力学性能和生物活性，提高其在体内的稳定性和耐久性。
钛合金的成分设计和制备工艺也是医用钛合金研究的重要方向。
通过调整钛合金的成分，可以改变其力学性能和生物相容性。
例如，添加微量的铌、锆和铝等元素可以提高钛合金的抗腐蚀性能和生物相容性，同时保持其良好的机械性能。
制备工艺的改进可以提高钛合金的成品率和力学性能，减少其内部缺陷和残余应力。
除了表面改性和成分设计，医用钛合金的研究还涉及到生物相容性评价、植入体设计和临床应用等方面。
生物相容性评价是衡量医用钛合金质量的重要指标，包括细胞毒性测试、体外蛋白质吸附和血液相容性等。
植入体设计需要考虑到钛合金的力学性能、表面形态和适应病患的特殊需求。
临床应用是医用钛合金研究的最终目标，通过临床试验验证其安全性和有效性。
医用钛合金的发展和研究已经取得了显著进展，并在医疗领域发挥着重要作用。
随着科技的不断进步和人们对健康的追求，医用钛合金的研究与发展仍将在未来持续推进。
通过表面改性、成分设计和制备工艺的优化，医用钛合金的性能将进一步提高，为人们的健康带来更多福祉。
医学领域中钛合金的应用现状与发展趋势
医学领域中钛合金的应用现状与发展趋势钛合金是一种混合了钛和其他金属元素的合金材料，具有优异的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性，因此在医学领域有广泛的应用。
本文将介绍医学领域中钛合金的应用现状和发展趋势。
钛合金在医学领域中的应用主要包括人工关节、牙科种植、内部固定、人工骨骼和修复装置等。
首先，在人工关节方面，钛合金是最常用的材料之一、钛合金人工关节具有良好的抗腐蚀性、生物相容性和耐磨性，能够长时间稳定地运行，减轻患者的疼痛和恢复运动功能。
目前，人工关节市场不断增长，钛合金人工关节的需求量也在逐年增加。
其次，在牙科种植方面，钛合金种植体是一种常用的选择。
钛合金种植体具有良好的生物相容性和力学性能，能够与人体骨骼结合，稳定地支撑人工牙齿。
钛合金种植体的应用已成为一种常见的牙齿修复手段，并在临床上得到了广泛应用。
此外，钛合金在内部固定方面也有广泛的应用。
通过使用钛合金内部固定装置，可以修复骨折、连接骨骼、支持关节等。
钛合金内部固定装置具有良好的生物相容性和力学性能，能够稳定地支撑骨骼，促进骨折愈合。
钛合金还被广泛应用于人工骨骼和修复装置的制造。
人工骨骼和修复装置主要用于替代或修复骨骼缺陷、损伤或疾病。
钛合金具有良好的生物相容性和力学性能，能够与人体骨骼结合，提供稳定的支持和修复效果。
目前，随着医学技术的不断发展，钛合金人工骨骼和修复装置的应用也在不断推进。
钛合金在医学领域中的应用正在不断发展并拓展新的领域。
未来，随着科学技术的进步，有望提高钛合金的生物相容性和力学性能，进一步扩大其在医学领域的应用范围。
同时，随着人们对健康的重视和医疗需求的增加，钛合金在医学领域的市场需求也将继续增长。
总之，钛合金在医学领域中具有广泛的应用前景和发展潜力。
其优异的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性使其成为一种理想的材料选择。
随着科学技术的不断进步，钛合金的性能将得到进一步提高，其在医学领域的应用也将不断扩大和深化。
新型生物医用β钛合金研究状况及发展趋势分析
新型生物医用β钛合金研究状况及发展趋势分析生物医用钛及钛合金材料因其抗拉强度高、比强度高、抗拉强度与屈服强度接近等良好的力学性能，优异的耐腐蚀性能，无磁性，导热系数小，弹性模量低等特点，成为医用体内植入物产品的首选材料。
根据钛合金从β相区淬火后相的组成与β稳定元素含量的关系，工业钛合金可分为六大类；从钛合金的研究发展过程将其分为三个发展阶段，归纳了目前报道的已研究的或正在开发的典型钛合金及骨的组织类型和性能，总结了目前研制的β钛合金存在的问题，与理想生物合金比较还有一定差距。
对钛合金的发展趋势进行了展望，根据市场需求及社会发展，生物医用钛合金的前景光明，加强理论研究基础，开展新型β钛合金研发和临床实践十分必要。
标签：生物医用；钛合金；趋势1 概述生物医用材料（Biomedical materials）是指以医疗为目的，与活体结合的人工非生命材料，即“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”[1]。
其定义随着医用材料的快速发展而不断演变，目前提到的生物医用材料主要指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新型高技术材料。
生物医用材料以研究人工器官和医疗器械材料为基础，是材料学科的重要分支，己成为各国科学家竞相研究和开发的热点。
生物医用材料用途广，种类多，按照它的物质属性可分为生物医用金属和合金、生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用复合材料。
根据材料的用途和化学反应活性，这些材料又可以分为生物惰性（bioinert）材料、生物活性（bioactive）材料或生物降解（biodegradable）材料。
还可根据医学临床植入部分不同分为人工关节、人工骨修复和替换材料；矫形外科软组织修补材料；心血管系统材料；皮肤掩膜、血液透析膜及其他医用膜材料等。
金属生物医用材料的应用历史悠久，近几年来继不锈钢、钻铬合金在临床医疗和科研中不断使用，工业纯钛及钛合金等系列金属医用生物材料也成为生物医用材料研究人员关注的焦点。
钛合金表面改性处理技术研究
钛合金表面改性处理技术研究钛合金是一种优质材料，具有具有高耐磨性、高强度、高韧性、轻质、耐腐蚀等优点，在航空、航天、汽车、医疗器械等领域得到广泛应用。
然而，钛合金表面的热稳定性差、化学反应活性性强、易氧化、难粘附等缺陷也影响了其应用，因此提高钛合金的表面性能成为了研究的重点。
本文将介绍钛合金表面改性处理技术的研究现状与发展趋势。
一、物理表面改性处理物理表面改性处理包括机械法、化学物理法等。
机械法包括喷砂、抛光、研磨等，这种方法可以去除表面杂质，但同时也会破坏表面的光洁度，导致表面粗糙度增加。
化学物理法是指在物理条件下（如真空、气氛下）对表面进行处理，如钛合金表面的电弧喷涂、电子束物理气相沉积等方法。
这种方法能够在不破坏表面的情况下，使表面形成一定厚度的薄膜层，提高了钛合金表面的耐腐蚀性。
二、电化学表面改性处理电化学表面改性处理是将钛合金作为阳极或阴极，通过电化学稳定性不同的物质与钛合金发生反应，使表面形成氧化物、氟化物、硫化物等薄膜层，从而提高表面性能。
目前常用的电化学表面改性处理包括阳极氧化、阳极陶瓷氧化、阳极电沉积和钛合金阳极氟离子注入等。
阳极氧化法是在氧化性电解液中进行，通过外加电势使金属表面氧化膜厚度增加，形成氧化物陶瓷膜层，从而提高了钛合金表面的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性。
阳极陶瓷氧化法是在氟化物电解液中进行，通过电极反应使陶瓷氧化物在金属表面形成一层细致均匀的陶瓷膜层，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
阳极电沉积是指将要形成的镀层作为阳极，在外加电势的作用下从电解液中沉积出金属或合金镀层，可以在钛合金表面形成高硬度、高强度的金属或合金镀层，增强表面的耐磨性和耐腐蚀性。
钛合金阳极氟离子注入法是在氢氟酸电解液中以钛合金为阳极，在外加电势作用下注入氟离子，形成氟化物薄膜层。
氟化物具有优异的耐腐蚀性和抗粘附性，可以有效地提高钛合金表面的耐腐蚀性和润滑性。
三、生物表面改性处理生物表面改性处理是指将生物材料附着在钛合金表面，使其具有仿生特性。
医用钛合金的研究现状及发展
医用钛合金的研究现状及发展摘要：医用金属材料又称外科植入金属材料，是最早进行临床应用的生物医用材料，目前在临床中的应用仍最为广泛。
医用金属材料主要用作对骨骼、关节、牙齿以及血管等修复的材料使用[l]。
临床使用最早的金属材料是有一定抗腐蚀性的不锈钢，主要使用316L奥氏体不锈钢。
关键词：医用钛合金表面改性生物相容性医用金属材料又称外科植入金属材料，是最早进行临床应用的生物医用材料，目前在临床中的应用仍最为广泛。
医用金属材料主要用作对骨骼、关节、牙齿以及血管等修复的材料使用[1]。
临床使用最早的金属材料是有一定抗腐蚀性的不锈钢，主要使用316L奥氏体不锈钢。
随后在生物环境中具有更好的抗腐蚀性、组织反应也较小的Co-Cr合金也成为了主要的医用金属材料。
虽然使用中不断发现Co-Cr合金的毒性等缺点，但是由于于Co-Cr等系列合金的高度成熟以及钛合金加工上的难度高等因素，致使钛合金开发及应用相较其他合金落后了，直到20世纪60年代Branemark把钛合金作为口腔种植体应用后，钛及其合金作为外科植入材料才得到了广泛应用[2，3]。
近年来钛合金以其与骨更近似的弹性模量、良好的生物相容性及生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上的应用越来越广泛，Co-Cr合金及不锈钢在临床应用上的主导地位已逐步被取代[4]。
1医用钛合金的发展20世纪中叶以来，钛及其合金的开发应用经历了三个阶段，第一阶段以纯钛和Ti-6A1-4V为代表（即传统的α钛合金），第二阶段则是以T1-5Al-2、5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的新型的α+β型合金，第三个阶段则是正在进行的以开发研制生物相容性更好、弹性模量更低的β型和近β型钛合金为方向的时代，其中以β型钛合金的研究开发最为广泛[5-6]。
纯钛和Ti-6Al-4V是在临床最早应用的钛合金的代表。
纯钛在生理环境下抗腐蚀性能良好，但因其强度较低、耐磨损性能较差，而限制了它在承载较大部位的应用，目前主要于承载较小部分如口腔修复等用作骨替换。
生物医用钛合金材料的研究进展
生物医用钛合金材料的研究进展随着现代医学的发展，生物医用材料在医疗领域中起着至关重要的作用。
其中，钛合金材料由于其优良的生物相容性和机械性能而备受关注。
本文将就生物医用钛合金材料的研究进展进行探讨。
一、钛合金材料的特点钛合金是由钛和其它元素（如铝、钼等）合金化而成的材料。
它具有重量轻、力学性能好、耐蚀性高、生物相容性好的特点，成为了生物医学领域中广泛使用的材料之一。
钛合金的重量轻是由于钛的密度较小，在医疗设备中使用可以减轻患者的负担，提高手术的成功率。
同时，钛合金的力学性能优异，能够满足不同医学需求的要求，比如可以使用于骨骼支架、牙科种植体等方面。
另外，钛合金具有良好的耐蚀性，不易被体液和生物组织腐蚀，因此可以长期应用于植入体内的医疗器械。
此外，钛合金表面易于与骨组织结合，能够促进骨与植入物的整合，提高植入物的稳定性与功能。
二、生物医用钛合金材料的应用（一）骨骼修复领域钛合金材料在骨骼修复领域中有着广泛的应用。
具体而言，钛合金可以制成骨板、骨螺钉等用于骨折固定，或制成人工关节、人工髋等用于关节置换。
这些医用器械不仅具有良好的生物相容性，而且由于钛合金的机械性能优良，可以承受髋关节等关节处较大的压力，降低植入物疲劳破坏的风险。
（二）牙科应用领域钛合金材料在牙科应用领域中也有着重要的地位。
一些研究表明，钛合金种植体可以与骨组织无缝结合，能够成为牙齿修复的稳定支撑。
此外，钛合金材料表面可进行氧化处理，形成微米级的表面粗糙度，有助于促进骨细胞的黏附和生长，提高种植体的成功率。
（三）心脏血管领域钛合金材料在心脏血管领域的应用主要体现在人工心脏瓣膜上。
钛合金人工心脏瓣膜具有平滑的表面、良好的机械性能和生物相容性，能够在血流中保持无阻力、无泄漏的状态。
三、钛合金材料改性与表面处理目前，对钛合金材料的改性与表面处理成为了研究的热点。
常见的改性方法包括氧化、纳米涂层、生物功能化修饰等。
氧化处理可以改善钛合金表面的生物相容性和机械性能，增强钛合金与骨组织的结合。
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医用钛合金及其表面改性技术的研究现状¹金红*(北京有色金属研究总院科技信息所,北京100088)摘要:介绍了新型医用钛合金的研究开发现状,分析了医用钛合金存在的主要问题,即耐磨性、耐腐蚀性和生物活性有待进一步提高。
阐述了表面改性对提高钛合金的耐磨性能、耐腐蚀性能和生物活性的作用。
指出应当重视钛合金表面生物活性陶瓷涂层的稳定性问题。
认为通过研究开发综合性能更优的新型医用钛合金,寻求更为理想的表面改性工艺以及运用复合涂层制备技术,有望逐步解决钛合金在临床应用中存在的问题。
关键词:医用钛合金;表面改性;耐磨性;耐腐蚀性;生物学性能中图分类号:TG146123文献标识码:A文章编号:0258-7076(2003)06-0794-05在生物医用金属材料中,钛合金凭借其优良的生物相容性、耐腐蚀性、综合力学性能和工艺性能逐渐成为牙种植体、骨创伤产品以及人工关节等人体硬组织替代物和修复物的首选材料。
其中T-i6A-l4V合金作为生物医用合金已有很长的历史。
但T-i6A-l4V合金在生物相容性、耐腐蚀性和耐磨损性能等方面仍不够理想[1~4],而且该合金还存在细胞毒性问题。
为克服T-i6A-l4V合金存在的种种缺陷,近年来人们一直致力于研究开发具有更佳综合性能的医用钛合金,并取得一些进展;与此同时,人们还尝试采用各种表面技术对钛合金进行表面改性以使其更适合于医学应用的要求。
本文综述了医用钛合金的研究开发现状及其表面改性技术的研究进展。
1新型医用钛合金的研究开发现状及存在的问题1.1研究现状近年来钛合金在生物医学领域中的研究和应用呈上升趋势,特别是在牙科和整形外科中钛材的用量明显增多[5]。
目前,医用钛合金仍以T-i6A-l 4V合金为主,但该合金中Al和V元素对人体存在的潜在危害已引起了人们的高度重视。
为克服V 和Al的不良影响,人们相继研究开发了不含V或既不含V也不含Al的A+B钛合金和B钛合金[6,7]。
其中A+B钛合金有欧洲、日本等开发的T-i6A-l7Nb,T-i5A-l2.5Fe,T-i6A-l6Nb-1Ta,T-i5A-l 3Mo-4Zr,T-i6A-l2Nb-1Ta,T-i15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd, T-i15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd,T-i15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd-0. 2O[2,8]。
与A+B钛合金相比,B钛合金不仅生物相容性更优,而且具有更高的强度水平和更好的切口性能以及韧性,因此更适合于医学应用,特别是做人体的内植物。
在医用B钛合金的研究与开发方面日本、美国处于领先地位。
日本研制开发的新型B钛合金有T-i29Nb-13Ta-416Zr,T-i15Mo-5Zr-3Al, T-i15Mo-3Nb-3A-l012Si,T-i15Mo-3Nb-3A-l013O和T-i11Mo-6Zr-415Sn等。
在美国已有5种B钛合金被推荐在医学领域中应用,即T-i12Mo-6Zr-2Fe (TMZFTM),T-i13Zr-13Nb,TI METAL21SRx,Tia-dyne1610和T-i15Mo。
与TI-6A-l4V相比,这5种钛合金均具有较低的弹性模量,其中TMZFTM的综合性能较好[9]。
1.2医用钛合金存在的主要问题随着各种新型医用钛合金的问世,钛合金在生物医学领域中的应用越来越广泛,但是,目前已研制开发出的各种钛合金均存在不同程度的缺陷,还没有一种能够完全满足临床使用的所有要求。
总体说来,主要存在以下几方面的问题[10~15]。
(1)耐磨损性能相对较低。
与不锈钢、镍基合金等许多其他金属材料相比,钛合金的摩擦系数大,耐磨性第27卷第6期Vol.27l.6稀有金属C HI NESE JOURNAL OF RARE METALS2003年11月November2003¹收稿日期:2003-06-30;修订日期:2003-08-02作者简介:金红(1963-),女,硕士研究生,高级工程师*通讯联系人(E-mail:jh63125@)能差,这使得其植入组织因磨损而产生大量的Ti,Al和V黑色碎屑,这些磨屑可以引起无菌松动,最终导致关节置换失败。
(2)耐腐蚀性能有待进一步提高。
金属材料的耐蚀性能将直接影响到其生物相容性。
在正常条件下,钛合金的表面会生成一种十分稳定而连续的、结合牢固的氧化物钝化膜,因此通常具有良好的耐蚀性能。
但由于人体环境的复杂性,在外力和体液的侵蚀下,表面钝化膜有可能被剥离、溶解,因此,在使用过程中仍会有物质释放到组织中。
(3)生物活性尚不理想。
钛合金是一种生物惰性材料,其结构和性质与骨组织相差很大,通常不能像生物活性材料那样与宿主骨形成化学键性结合,即新生骨直接在种植体表面形成,随后直接长入种植体内;而且,由于钛合金与骨组织的弹性模量相差悬殊,植入体生物力学相容性欠佳,易产生应力集中和骨吸收不良等后果。
为了提高医用钛合金的各种性能,可以从两方面入手:一是从材料本体着手,如前所述开发各种性能优异的新型钛合金;二是从材料的表面入手,采用各种表面处理的方法对钛合金进行表面改性,从而使其更适合于医学应用的要求。
对钛合金进行表面改性,既保持了钛合金作为基体材料的一系列品质,又使得钛合金的综合性能获得大幅度的改善,因此,近年来成为医用钛合金领域的研究热点。
2医用钛合金的表面改性2.1钛合金表面改性提高耐磨损性能为了提高钛合金的耐磨损性能,通常的做法是利用表面处理工艺在钛合金表面形成一层耐磨涂层。
目前研究较多的工艺方法有热喷涂、电镀与化学镀、气相沉积法、离子注入技术、微弧氧化法以及复合型表面处理技术等[16~20]。
在众多的表面改性技术中,离子注入技术是一种较为成功的医用钛合金表面改性技术,其主要优点是:(1)离子注入不需要升高基底温度,可保证成品的精度;(2)在真空中进行,整个过程中没有环境污染;(3)对钛合金本体无影响、无附着问题;(4)可靠性高、工艺重现性好。
许多研究表明,TiN,TiC的耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性均既可以保持钛合金高强度、高韧性的优点,又可赋予其表面良好的耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性。
通过在钛合金表面离子注入氮或碳,可以在其表面形成TiN或TiC等硬质相,从而提高表面硬度,同时离子注入改变了钛合金近表面的晶格,使摩擦系数降低,耐磨性能提高。
离子注入层的深度通常小于1L m,不会影响钛合金的整体性能。
目前,钛合金氮离子注入主要使用两种方法即常规离子注入法和等离子体淹没离子注入[21,22]。
与单独离子注入氮或碳相比,复合注入氮和碳(即先注入氮,再注入碳),可以在钛合金表面形成双重处理层,从表面至基底成分有良好的过渡。
因此,经复合离子注入,钛合金表面的摩擦系数低、耐磨性高,且硬度高、表面脆性低[23]。
TiN和TiC涂层与钛合金基体普遍存在附着性较差的问题。
为解决这一问题,王红卫等[19]应用梯度材料的设计思想,采用多种技术相结合的方法制备了可用于人工机械心脏瓣膜等的新型生物梯度材料。
他们提出了一条制备Ti6Al4V-Ti N-TiC生物梯度材料的新的技术路线,即离子注入y等离子体表面氮化y等离子体C VD制备Ti6Al4V-TiN-TiC,从而实现了从Ti6Al4V到TiN和TiC成分的梯度过渡,改善了涂层与基体之间的附着性。
微弧氧化又称微等离子体氧化,是近年来发展起来的一种在金属表面原位生长氧化物陶瓷层的新技术,是对目前阳极氧化理论的突破[24~27]。
在氧化过程中,由于击穿形成的放电通道可使硬组织植入材料朝内生长,因此,可以较好地改善与新生骨的机械啮合。
采用微弧氧化技术制备的陶瓷层不仅具有高的耐磨损和耐腐蚀性能,而且还保持了陶瓷与钛合金基底的结合力。
微弧氧化层具有致密层和疏松层两层结构,氧化膜与基底之间的界面上没有大的孔洞,界面结合良好,与热喷涂涂层以及物理气相沉积涂层相比,界面结合状况大大改善。
不足之处是,钛合金表面微弧氧化后形成的TiO2层生物活性较差,可考虑在微弧氧化电解液中引入钙、磷离子以促进骨生长。
黄平等[28]采用微弧氧化技术对钛合金表面进行改性,在钛合金表面得到了一层金红石型TiO2和锐钛矿型TiO2的多孔氧化膜,并在膜中渗入了钙、磷离6期金红医用钛合金及其表面改性技术的研究现状子,着重研究了孔隙特性和Ca/P含量的控制,为进一步研究提供了实验基础。
目前,利用微弧氧化技术在钛合金表面制备防腐抗磨陶瓷涂层仍处于初级研究阶段,研究人员仅对陶瓷层的组织结构进行了初步研究,还没有关于涂层性能的详细报道。
2.2钛合金表面改性提高耐腐蚀性能通过表面改性提高钛合金表面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、电化学钝化、离子注入、激光熔覆、物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、电化学法、溶胶凝胶法等。
朱胜利等[29]研究了化学表面处理对医用TiNi 形状记忆合金耐蚀性能的影响。
结果表明,经酸处理y碱处理y预钙化处理y钙化处理,在合金表面形成了主要成分为羟基磷灰石的活钙磷层,钙磷层的存在提高了Ni T i合金在模拟人体环境中的耐蚀性,抑制了Ni离子在生物体内的溶出,改善了生物相容性。
利用微弧氧化技术能在钛合金基体表面原位生长耐磨损抗腐蚀的陶瓷膜,该技术的工艺简单、成本低、污染小,可处理形状各异的元件,具有广阔的应用前景。
目前,在铝合金方面的微弧氧化研究较多,但在钛合金上的研究报道较少,且多为基础性研究。
如吴晓宏等[30]利用微弧氧化法在钛合金表面生长了一层厚为15L m的均匀陶瓷膜,通过循环伏安和电偶电流法对有无膜层的钛合金进行测试,发现有陶瓷膜层的钛合金的耐腐蚀能力明显增强。
钛合金的腐蚀磨损机制为表面损伤,因此,采用氮离子注入钛合金,在提高其耐磨性能的同时,也提高了耐蚀性。
2.3钛合金表面改性提高生物活性为了赋予钛合金以生物活性,通常的做法是在钛合金表面制备一层具有生物活性的陶瓷涂层。
陶瓷涂层主要有羟基磷灰石(HA)、氟磷灰石(FA)、B-磷酸三钙(B-TCP),其中对HA生物活性涂层的研究与应用最多。
HA的分子式为Ca10(PO4)6(OH)2,它与人体无机质具有相同的晶体结构和化学成分,植入人体后可与宿主骨形成牢固的骨性键合,且无毒性、无导致突变的危险、耐腐蚀,具有优异的生物相容性和生物活性。
然而,单纯的HA晶体脆性大、抗折强度低,不适合用做承载硬组织的修复与替代;而钛合金恰好可以弥补HA作为植入体机械性能欠佳的弱点,故将二者相结合,即在钛合金表面制备一层HA涂层,可以获得生物活性好且机械性能高的医用生物材料[6,31]。
制备HA涂层的方法很多,主要包括等离子喷涂、激光熔覆、电泳沉积法、离子束溅射法、射频磁控溅射法、离子束辅助沉积法、放电等离子烧结法、离子束动态混合法、浸入涂层法、激发物激光沉积法、热化学法、溶胶-凝胶法、电化学反应法、爆炸喷涂、微弧氧化法、仿生溶液生长法等[22,28,32~38]。