生物医用钛合金的表面加工及亲和性研究
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。
生物医用钛合金应用研究进展与产业现状
ｐ型 （ 如Ｔｉ ６ 一 Ｖ） 一 Ａｌ ４ 、ｐ型 （１ － ￣ Ｔｉ １ ２ Ｎｂ Ｔｂ ． Ｚ ） ９ －１ ３ －４ ６ ｒ 以及 具有 独 特 的形 状 记 忆 效 应 的钛 基 形 状 记 忆 合 金， 可用பைடு நூலகம் 制造植人 人体的 医疗器械 、 假体及 辅助治疗设备 ， 体 内接骨 板 、 如
钛及 钛合 金 主要包 括 纯 钛 、 Ｌ ｏ＋
由于 在耐腐 蚀性 能和 加工方面 的劣 势 而在 整个 医用 材料产 业 中的比例 逐年 下降 ， ０ 前 的４ ％降 低为 目前 的 由２ 年 ５
３ ％。 ０ 即便 如此 ， 生物 医用 金属材料依
体进行诊断 、 治疗 、 修复或替 换其病损 组织 、 官或 增进 其功 能 的金属 或合 器 金…， 主要 用 于 骨和 牙 等硬 组 织 的修 复和替 换 、 心血 管 和软 组织修 复 以及 人工器 官 的制造 。 随着 生物 技术 的蓬 勃发展 和重 大突 破 ， 物 医用 金 属材 生 料及其制品产业 将发展成 为本世 纪世
骨 螺钉 、 牙种植 体 及介人 支架 等 。
目前人 口老 龄化 已成 为世界 范围 的社 会问题 ， 同时 中、 青年创伤 高速增
加 ， 病和意外 伤害剧增 ， 疾 特别 是随着
属材料 主要有不锈钢 、 钴基 合金 、 钛及 钛 合金 （ 钛基 形状记 忆 合金 ）贵 金 含 、 属、 金属 （ 、 、 ） 纯 钽 铌 锆 五大 类。 不锈钢 虽然价格 低廉 ， 易于加工 ， 但耐 蚀性 和 生 物相容 性不 如钛 合金 ； 铬 合金 的 钴 耐磨性 比钛合金好 ， 但密度较 大 ； 金 贵 属 、 金属（ 、 、 则 价格 昂贵 ； 纯 钽 铌 锆） 钛 及 钛合金 由于 具有 比强度 高 、 物 相 生 容性好 、 弹性模量 接近于 自然骨 、 蚀 耐 性好 等特 点 ， 日益受到 重视 ， 正 钛合 金
钛合金在生物医学方面的应用
作为生物医用材料的钛及其合金必须满足
1.生物力学相容性：主要包括硬度、屈服强度、弹性模量和延伸性。如 果植入物由于强度不高或者植入物与人体骨之间的机械性能不匹配而 发生断裂失效，这就是生物不相容性。通常期望骨修复植入物的弹性 模量与人体骨的弹性模量接近，人体骨的弹性模量在4~30GPa之间。 2.生物相容性：作为植入物的材料应该对人体无毒性、在体内不会引起 任何炎症和过敏反应植入物在人体植入成功主要取决于材料与人体的 反应，这也能衡量材料的生物相容性。 3.耐腐蚀和耐磨性能：在体液环境中，植入材料的有效使用时间取决于 磨损性，耐磨性能差会引起植入物松动并且产生磨损碎屑，在沉积的 组织中引起反应。 4.骨结合性：植入材料表面由于微运动与人体骨和其它组织不能很好地 结合，就会导致植入物在体内松动。植入物表面化学表面粗糙度和表 面性毛豆对骨结合起着主要作用。
钛合金在生物医学方面的应 用
钛于1791年由格雷格尔于英国康沃尔郡发现，并用希腊神话的泰坦 为其命名。在地壳中，钛的储量仅次于铁、铝、镁居于第四位，它 储量非常的丰富 。钛的正真利用在20世纪五十年代，美国研制成功 的Ti-6Al-4V合金。 钛的性能： 由于钛具有熔点高、强度大、韧性好、抗疲劳、耐腐蚀、导热系数 低、高低温度耐受性好等优越性能，尤其是钛料。 定义：钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。 种类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。 钛合金的缺点 钛合金主要限制是在高温与其它材料的化学反应性差，这容易造成 模具的损坏，这就使钛合金的价格变得十分昂贵。这是钛合金无法 发扬光大的最大致命伤。
•
•
• • •
目前，钛及其合金主要用于航天航空和军事工业上。据统计，钛在航空航天 的应用约占钛总量的7左右。钛主要应用与军用飞机、民用飞机、航空发动机、 航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼等 船舶行业 钛合金在海洋条件下有着及其优良的耐腐蚀性能、高比强度、无磁等特点因 而广泛应用于船舶行业。目前，钛在船舶上已经应用的部件有：耐压壳体、 螺旋桨和桨轴、通海管道、阀门及附件、热交换器声学装置零件部件。 体育器械 在体育行业的应用正在兴起。目前主要应用于钛铸造的高尔夫球杆头，具有 重量轻、强度大与不锈钢相比可以制作打击面与容积更大的球头，因而打得 准，打得远。 化工和能源 化工、冶金、造纸、制碱、石油和农药工业是使用钛合金较早的行业主要用 于耐腐浆泵、阀门、叶轮、阳极液槽、加热器、蒸发器等部件。 其它行业， 在建筑业中，钛的应用越来越广，主要应用与许多重污染的地方、 都市和海滨地区的腐蚀问题得到很好的解决。比如日本建造的世界首例钛屋 顶加利福利亚的塞里托斯千年图书馆的屋顶。 农业和畜牧业、食品业和制药业中、核工业中、日常消费品中，钛用于制造 手表壳、照相机外壳、野营用具、录放机、拐杖、剪子、剃须刀等等。日本 星野乐器公司使用钛制作了鼓，，市场上出现了9克钛制的眼镜架。
钛合金表面涂层的制备及其性能研究
钛合金表面涂层的制备及其性能研究随着科技和工业的不断发展，高性能材料的需求越来越大，钛合金作为一种优秀的材料被广泛应用于航空、航天、汽车、医疗等领域。
然而，钛合金的表面易受到氧化、腐蚀、磨损等因素的影响，这就需要通过涂层技术来改善其表面性能，延长材料的使用寿命，提高其在特定领域的应用价值。
本文旨在介绍钛合金表面涂层的制备及其性能研究，为相关领域的读者提供一定的参考。
一、钛合金表面涂层的分类钛合金表面涂层可以根据涂层材料的不同分类，大致可分为单层涂层和复合涂层两类。
单层涂层通常使用单一的材料或化合物，如硅化物、氮化物、碳化物等，可以提高钛合金的表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
而复合涂层则是将不同的材料或化合物组合在一起，通常包括硬质相、润滑相、金属基体等，可以同时提高钛合金表面的机械性能和化学性能。
二、钛合金表面涂层的制备方法目前，制备钛合金表面涂层的方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射沉积、电化学沉积和喷涂等。
其中，物理气相沉积是最常用的技术之一，其基本原理是利用高能电子束、离子束、等离子体等将涂层材料直接沉积在钛合金表面，形成复合涂层。
化学气相沉积的原理是将金属有机化合物气体进行分解，生成金属离子和氧化物，然后与气体中的氢原子反应，最终生成涂层。
溅射沉积技术则是将涂层材料放置在真空室中，在离子轰击或电子轰击的作用下，将其析出并沉积在钛合金表面。
电化学沉积技术则是利用电化学反应，在钛合金表面形成涂层。
除了以上几种常用的制备方法以外，喷涂技术也被广泛应用于钛合金表面涂层的制备。
喷涂技术又可分为火焰喷涂、等离子喷涂、渐进尺寸喷涂等多种方式，适用于不同涂层材料和不同需求的应用场合。
三、钛合金表面涂层的性能研究钛合金表面涂层的性能研究涉及到多个方面，如机械性能、热学性能、化学稳定性、表面能等等。
在机械性能方面，涂层应具有足够的硬度、强度和韧性，以抵御外部因素的影响。
热学性能方面，则需要涂层具有良好的导热性和热稳定性，能够有效地抵御高温和低温的变化。
钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究
钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层及其生物活性研究钛合金材料因其良好的生物相容性和力学性能，被广泛应用于医疗领域。
然而，其表面的生物活性仍然有待提高。
为了提高钛合金表面的生物活性，研究人员开始采用激光熔覆技术制备生物陶瓷涂层，并对其生物活性进行深入研究。
激光熔覆技术是一种将陶瓷材料熔化并喷洒在金属表面形成涂层的方法。
在钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层的过程中，激光的熔覆温度、喷洒速度和陶瓷材料的种类等因素对涂层的质量和生物活性有着重要影响。
因此，选择合适的工艺参数和材料具有重要意义。
研究表明，激光熔覆制备的生物陶瓷涂层具有良好的结合强度和致密性。
这是因为激光能量的作用下，陶瓷材料与钛合金表面发生反应，形成了良好的界面。
同时，激光熔覆技术还能够提高涂层的生物活性。
一些研究表明，激光熔覆制备的生物陶瓷涂层能够促进骨细胞的生长和骨组织的再生，具有巨大的潜力在骨缺损修复和植入物表面修饰方面的应用。
除了生物活性，激光熔覆制备的生物陶瓷涂层还具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
这使得其在膝关节和髋关节等关节植入物的表面涂覆应用中具备优势。
研究人员通过多种方法对激光熔覆制备的生物陶瓷涂层进行了生物性能测试，研究结果表明其生物相容性良好，并且对骨细胞具有良好的生长和附着性。
此外，研究人员还对激光熔覆制备的生物陶瓷涂层的生物活性机制进行了探究。
结果表明，涂层表面的微观形貌和化学成分对其生物活性有着重要影响。
具有适当粗糙度和合适元素的涂层能够提供更好的细胞附着和增殖环境。
综上所述，钛合金表面激光熔覆制备的生物陶瓷涂层具有良好的生物活性和生物相容性。
这为其在骨缺损修复和植入物表面修饰等医疗领域的应用提供了良好的前景。
然而，目前钛合金表面激光熔覆制备生物陶瓷涂层的研究还处于初级阶段，没有形成统一的规范和工艺流程。
未来的研究需要进一步探究激光熔覆制备技术的工艺参数和涂层材料的选择，以提高涂层的生物活性和稳定性综上所述，激光熔覆制备的生物陶瓷涂层在骨细胞的生长和骨组织再生方面具有良好的生物活性，且具备耐磨性和耐腐蚀性，在关节植入物表面涂覆方面具有优势。
医用钛合金的表面改性
生选择性的化学反应，诱导和促进新生骨组织在其表面生长，使机体长人
羟基磷灰石涂层的金属种植体表面孔洞，在界面上与骨形成牢固的化学结
合，并能抑制金属离子从种植体中释放到周围骨组织。
提高耐磨损性能的钛合金表面改性
钛合金植入件应当具备良好的耐磨性，不会因经常磨损而产生假体松。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。，常用的耐磨表面涂层有类金刚石碳(DLC)膜、氮化钛(TiN)涂层等。
1 类金刚石涂层
类金刚石碳膜具有先进的化学、电子、光学和力学等方面的诸多优异性能 ，如极高的硬度、化学惰性、低摩擦系数、高阻抗、良好的热传导性和优良的 光学透过性等，因而可以广泛用作医用矫形体的耐磨保护层。
2 TiN涂层
TiN具有高硬度、优良的摩擦磨损性能、良好的化学惰性、独特的颜色，这 些非凡的特点使其在耐磨和耐腐蚀的表面涂层有广泛的应用。此外由于其生物 相容性已得到了医学界的承认，从而也为其在临床医学领域的应用奠定了一定 的基础。
生物医学金属材料
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。
（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。
优点：
①涂层均匀②制备过程简洁③原料利用率高④工艺简单
缺点：
基膜结合不够高，并且在机理确定和工艺参数的改进等方面还有很多工作。
钛合金生物相容性
生物相容性是生物材料必须满足的要求。
钛合金具备更优良的生物相容性和与人体自然骨最为接近的弹性模量及优秀的耐磨耐蚀性和成型性。
所以钛合金是最具有开发潜力的生物医用材料之一。
然而，在医学领域，钛合金的表面微观形貌对提高其自身的生物活性有着非常重要的影响。
一般地，为了使合金具有更好的生物活性，在制备活性涂层以前，往往要对合金进行表面改性来改善其表面形貌，目前通过表面改性获得生物相容性良好的医疗器械是更为实用的一种技术。
对金属进行表面改性处理,可使其获得适宜的表面组成、结构形态及表面性能,由此可以改善和提高植入物的生物相容性。
在生物材料工程中,表面改性一般用于提高生物材料的耐磨损性、耐腐蚀性和生物相容性,改性后材料表面一般呈现“生物惰性,,或“生物活性。
目前,表面改性技术有很多种,大致可分为湿法和干法两大类。
湿法是利用在液相中发生各种化学反应从而进行表面改性,例如溶胶一凝胶(501一gel)法、水热合成法、电化学法等;干法是在气相中进行各种反应或沉积,例如等离子喷涂法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、激光融覆法等。
但与此同时，也带来了很多的麻烦，首先，表面改性工作程序复杂，且改性的程度和质量难以控制，需要大量的实验来优化其改性工艺；其次，表面改性的实质是通过一定的工艺来改变试样的表层材料的结构和性能，由此，两种不同结构和性能的材料之间在使用过程中极有可能由于其膨胀系数等因素的差异而导致一些界面问题，甚至更为严重地出现材料的表层脱落现象。
激光技术的发展为材料表面加工提供了高效、便捷、可控的方法。
与传统纳秒激光烧烛相比,飞秒激光烧烛阈值小,可快速产生蒸汽和等离子体,其热导几乎可以忽略,并且不产生液相,对周围的热影响小,因此,特别适合于如同生物物质那样大部分由水分组成的脆性材料的加工。
迄今为止,飞秒激光烧t虫现已应用于角膜整形(LASIK)等医疗诊断和治疗,但还未见对生物植入材料表面加工的报道。
飞秒激光与固体材料作用的研究表明,飞秒激光加工固体材料时会在材料表面产生条纹结构。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生物医用钛合金的表面加工及亲和性研究
作者：刘智强
作者单位：浙江师范大学,浙江金华,321000
刊名：
河南科技
英文刊名：Journal of Henan Science and Technology
年，卷(期)：2013(22)
1.孙敬;崔振铎生物医用植入钛及钛合金的力学性能研究及进展[期刊论文]-{H}金属热处理 2005(9)
2.金红医用钛合金及其表面改性技术的研究现状[期刊论文]-{H}稀有金属 2003(6)
3.罗丽娟;于振涛;周廉一种生物医用近β钛合金的力学性能和腐蚀性能研究[期刊论文]-{H}稀有金属 2005(2)引用本文格式：刘智强生物医用钛合金的表面加工及亲和性研究[期刊论文]-河南科技 2013(22)。