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鈦合金密度小，比強(qiáng)度高，具有良好的耐蝕性、疲勞抗力，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。但其在生物體內(nèi)的生物活性、磨損、腐蝕等問(wèn)題仍需改善，我們一般會(huì)對(duì)其表面進(jìn)行改性處理。材料表面改性不僅要抑制有害金屬離子的溶出，而且要促進(jìn)組織的再生和加強(qiáng)材料與組織結(jié)合的能力。

 

鈦合金材料的表面改性技術(shù)主要有三種方式：

 

1、物理化學(xué)方法

 

⑴熱噴涂：可分為電弧噴涂、等離子噴涂、火焰噴涂等。

優(yōu)點(diǎn)：取材廣泛，可對(duì)各種基體進(jìn)行噴涂，速度可控，操作簡(jiǎn)單效率高。

缺點(diǎn)：不適用于形狀復(fù)雜的生物金屬材料基底；制備過(guò)程中溫度較高；冷卻時(shí)，結(jié)晶度低、彈性模量大、結(jié)合度低等。

等離子噴涂示意圖

 

⑵離子濺射：以高速離子轟擊靶材，使涂敷材料粉粒濺射并沉積在金屬基體上。

優(yōu)點(diǎn)：形成的涂層具有高密度、高粘附性等。

缺點(diǎn)：涂層穩(wěn)定性差，需后續(xù)熱處理。

 

⑶噴砂法：將涂敷材料粉末直接高速噴出鑲?cè)牖w表面。

優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單易行，低溫操作，涂層粉末不產(chǎn)生分解，成分穩(wěn)定，涂層與基體間的結(jié)合力較高。

 

⑷離子注入法：將所需的元素在離子氣化室中進(jìn)行氣化，通過(guò)高頻放電使其離子化，以外加電場(chǎng)導(dǎo)出、聚束和加速，使其形成高能細(xì)小的離子束而打入材料表面。

優(yōu)點(diǎn)：①膜與基體結(jié)合好②注入過(guò)程不要求升高基體溫度③工藝重復(fù)性好等。許多研究者報(bào)道了氮離子注入對(duì)Ti6Al4V合金表面成分、組織結(jié)構(gòu)、硬度及摩擦學(xué)性能有良好改善效果。

 

2、形態(tài)學(xué)方法

 

不在基體表面產(chǎn)生強(qiáng)化層或附加涂層，而是通過(guò)改善植入體的表面微觀形貌來(lái)獲得最好的植入效果。主要方法有：等離子噴刷、超音振蕩、激光束點(diǎn)融以及電化學(xué)晶界腐蝕等。

 

 

激光束點(diǎn)融使鈦合金的表面形成多級(jí)孔洞的微觀形貌

 

3、生物化學(xué)方法

 

將大分子蛋白質(zhì)或酶等有機(jī)高分子物質(zhì)引入基體表面，使其具有更優(yōu)良的生物活性，因而具有更直接、更有效的特點(diǎn)?？梢杂行Т龠M(jìn)植入處傷口的愈合，加速植入體與周圍組織的結(jié)合，同時(shí)也可提高植入體的安全性和使用壽命。

 

如何提高生物活性的鈦合金表面改性？

⑴提高生物活性：在鈦合金表面制備一層生物活性陶瓷涂層。鈦合金表面羥基磷灰石涂層的微觀形貌

 

 

⑵提高耐磨損性能：利用表面處理工藝在鈦合金表面形成一層耐磨涂層，常用的有類金剛石碳（DLC）膜，氮化鈦（TiN）涂層等。

 

 

氮化鈦（TiN）涂層的掃描電鏡圖像

 

⑶提高耐腐蝕性能：在材料表面形成保護(hù)層、提高材料表面光潔度。

 

下面簡(jiǎn)述幾種處理方法：

 

①交流微弧氧化：對(duì)鈦合金表面微弧氧化膜，獲得膜的硬度高并與金屬基體結(jié)合良好。改善了鈦合金表面的抗磨損、抗腐蝕，耐熱沖擊及絕緣等性能，在許多領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

 

② TiC也是超硬相：鈦合金經(jīng)離子注入DLC（類金剛石碳）膜，表面硬度提高4倍。

 

 

DLC（類金剛石碳）膜的中央（左）和邊緣（右）的致密微觀結(jié)構(gòu)

 

③離子束增強(qiáng)沉積（IBED）：利用IBED方法制備了CrC硬質(zhì)膜，可用于鈦合金的微動(dòng)磨損防護(hù)。

④涂層技術(shù)：是改善鈦合金抗氧化性的有效方法。

 

 

鈦合金表面陶瓷涂層的超微結(jié)構(gòu)

 

近年來(lái)人們運(yùn)用表面工程的方法對(duì)提高醫(yī)用鈦合金材料的性能開(kāi)展了大量的工作并取得一定的進(jìn)展，但涂層與鈦合金基體的界面結(jié)合強(qiáng)度較低仍是臨床應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。

 

因此從仿生原理、組織工程原理、基質(zhì)控制礦化的思路出發(fā)，兼顧涂層的高耐磨性、優(yōu)良的耐蝕性和生物相容性，研究適合鈦合金特性的多功能表面涂層體系，運(yùn)用新的涂層形成原理開(kāi)發(fā)涂層制備新工藝是今后醫(yī)用鈦合金表面改性的一個(gè)重要發(fā)展方向。