生物医用材料结课论文-生物医用材料的表面改性.doc

生物医用材料的表面改性 材料科学与工程 材科11301 徐得立 1313220729摘要： 目前使用的各种生物医用材料中，没有一种能完全满足临床使用的所有要求。生物医用材料植入人体后，材料表面最先直接与组织、细胞相接触、相作用。因此，材料表面性质相当重要，而且表面性质的不同还将影响细胞吸附、增值、分化等一系列反应。为了满足临床的需要现已发展了机械、物理、化学三种生物医用材料表面改性方法，来改变表面的化学成分和结构或者在原材料表面形成另外一层物质来改变其特性，只改变材料表面特性而不影响材料整体性能。改性后的表面一般呈现生物惰性或生物活性，具有更好的生物相容性、抗腐蚀性、耐磨性等。关键词：生物医用材料 表面改性 生物活性 生物相容性1 引言 本文主要对生物医用材料表面改性的几种方法进行了综述，并对表面改性在生物医用方面的应用作出了展望。2 生物医用材料的机械表面改性 机械表面改性包括机械表面加工和表面处理。机械表面加工的目的是大道零件要求的尺寸、形状、精度和特性；而机械表面处理是表面处理前的预备工序，包括喷丸和光亮化。喷丸处理是一种在生物医用材料表面改性领域应用广泛非常有效的表面改性技术。喷丸采用的喷丸颗粒化学性很稳定，不会对植入材料有不良生理反应，常用的喷丸颗粒如SiO2,Al2O2和SiC。3 生物医用材料的物理表面改性 3.1 低温等离子体表面改性 低温等离子体表面改性包括等离子体溅射沉积、等离子体注入、等离子体聚合、等离子体接枝、等离子体喷射。目前采用等离子体表面改性技术的医用植入材料和器械包括整体关节替换、人工骨、牙科植入体、人造心脏阀、血管支架、人造血管、眼内透镜、人造角膜和人造导管。低温等离子体表面改性的主要目的是减少摩擦阻力，提高生物相容性，增进生物活性或生物惰性，增强抗腐蚀性。 3.2激光表面处理 激光表面改性利用激光的高辐射强度、高方向性、高单色性特点作用于金属或合金材料表面，这种先进方法今年在生物医用领域中的应用得到了广大发展。激光束聚焦后在焦点附近产生上万度高温，能使绝大部分材料达到熔点，显著改善材料表面性能，如硬度 强度 耐磨性和耐腐性。通过激光表面熔凝、熔覆 脉冲激光沉积、合金化与材料相互作用，具有能量密度高、非接触式加热、热影响区小、工艺可控性好便于电子操控等显著优点。4 生物医用材料的化学表面改性 4.1 溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经过热处理而形成氧化物或者其他化合物固体的方法。这种方法的优点是纯度高，均匀度好，可有效控制薄膜成分和微观结构，低温易操作，工艺设备简单，可以大面积在各种不同形状、不同材料的基体上制备薄膜、甚至可以在粉末材料的表面制备一层包覆膜等，是目前制备无机薄膜普遍采用的一种方法。有机醇盐水解法是溶胶-凝胶技术中应用最广泛的一种方法。常采用金属醇盐为前驱体溶于溶剂（水或有机溶剂）中形成均匀的溶液，溶质与溶剂间发生谁解惑醇解反应，反应生成物聚集成几到几十纳米的粒子并形成溶胶。以金属醇盐为前驱体的溶胶-凝胶过程包括水解和缩聚两个过程，反应生成物是各尺寸和结构的胶体颗粒，反应过程如下：水解反应 M(OR)n+xH2OM(OH)(OR)n-x+xROH缩聚反应 脱水缩聚：-M-OH+OH-M-M-O-M-+H2O 脱醇缩聚：-M-OR+OH-M-M-O-M-+ROH 4.2 电化学方法采用电化学方法对生物医用材料进行表面改性主要包括电化学抛光、电化学沉积、电泳沉积以及阳极氧化法。 4.2.1 电化学抛光 电化学抛光去除表面原有的氧化层，形成新的化学均匀性好的薄氧化层。电化学抛光比机械抛光及其他表面精密加工更优异，效率高、表面无加工硬化层、耐腐蚀、外观美等优点。金属医用材料如不锈钢、钛合金及贵金属等都可以进行电化学抛光。电化学抛光是金属阳极溶解的过程，一般包括下述一种或几种反应：金属离子溶入电解液中：Me=Men+ne阳极表面生成钝化膜：Me+2OH=MeO-H2O+2e气态氧的析出：4OH=O2+2H2O+4e电解液中各组分在阳极表面的氧化。如图经过激光加工处理过的支架表面，在切割处 支架内外表面都有大量残渣和氧化皮，表面相当粗糙，不符合临床要求，因此必须经过表面处理 (a) （b） （c） 图4.211 激光切割后的316L VM支架的SEM照片 (a)切割区；（b）切割外表面；（c）切割内表面如下图经过电化学抛光后的支架表面，无论切割处还是内外表面都非常光滑 （a） (b) (c) (d) 图4.212电化学抛光后的316L VM支架的SEM照片 (a)整体支架； (b)切割区域； (c)外表面； (d）内表面支架 4.2.2 电化学沉积 传统的电化学沉积工艺主要用于工件表面的金属和合金的沉积，增加工件表面的抗腐蚀能力，赋予特殊的物理和化学性能；现代科学技术的电化学沉积反占到新型薄膜和新型结构，在生物医用材料表面改性方面拥有广泛的应用。 4.23 电泳沉积 电泳沉积是悬浮于溶液中的带电粒子在电场作用下发生定向移动并沉积于金属表面的现象，金属、陶瓷、有机材料等都可以采用电泳沉积方法。 4.24 阳极氧化法 通过阳极氧化方法在金属表面形成致密氧化膜或具有生物活性的钙磷层可以明显的改良合金的耐腐蚀，耐摩擦和生物活性。4.3 化学气相沉积 化学气相沉积是利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的工艺过程。它一般包括三个步骤：产生挥发性物质；将挥发性物质运输到沉积去；与基体上发生化学反应而生成固体产物。由此获得的涂层具有结合力高、绕镀性好等优点。等离子增强化学气相沉积（PECVD）利用射频、直流或微波放电，使反应气体等离子化，具有更广泛的应用领域和前景。结论 目前应用于生物医用材料得表面改性技术，主要是通过等离子注入或电化学方法在基体表面制备生物惰性薄膜，提高植入材料的抗腐蚀性和生物相容性。其中金属及其合金材料表面改性在生物医用材料方面的发展十分重要，由于人体内的生理环境相当复杂，在今后的科研中，我们需要对比各种材料及材料表面改性的方法，需要综合考虑采用多种方法一起进行改性，提高生物医用材料的生物相容性。我们要开创临床应用的新领域，为建设中国特色社会主义奋斗终生。参考文献1 吴瑜光，张通和.粒子束医用生物聚合物材料改性研究【J】.北京师范大学学报（自然科学版），2002,38:41-44.2 陈俊英，杨萍，冷永祥等.医用Ta 5+掺杂TiO2生物薄膜材料的合成与性能研究【J】.中国生物医学工程学报，2002,21:411-416.3 DELIGIANNI D D,KATSALA N,LADAS S,et al.Effect of surface roughness of the titanium alloy Ti-6Al-4V on human bone marrow cell response and protein adsorptionJ.Biomaterials,2001,22:1 241-1 251.4 肖梅，毛福明，凌一鸣.低温等离子体对血管内金属支架的表面改性【J】.真空科学与技术，2003,23:182-186.5 黄平，憨勇，徐可为.用微弧氧化技术处理医用钛合金表面的研究【J】.稀有金属材料与工程，2002,31:308-311.6 Cui Z D,Man H C,Yang X J.Surf Coat Techn,2005,192:347.7 吕晓迎，包翔，陆慧琴等.基于基因表达芯片技术和生物信息学方法的金属离子细胞毒性机理初步研究【M】/2004年中国材料研究会文集.北京，2004:157.8 刘敬肖，杨大智，徐久军，等.材料研究学报，2001,15（4）：446.9 Morra M，et al. Organic surface chemistry on Titanium surface Via thin film deposition. J. BiomedMater. Res. 1997，37：198. 10 曾晟宇，赵乃勤，崔振铎等. 金属生物材料表面改性研究的进展. 材料保护. 2000，33 (