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钛和钛合金的表面处理

提示:

1.钛和钛合金表面形成具有生物相容性的氧化膜的意义 钛及钛合金广泛应用于人体硬组织修复,但将其直接植入到人体中还存在许多问题,如与骨结合强度低、生物活性差、愈合时间长及在生理环境中向基体游离金属离子等问题。然而纯钛及其合金表面附着的氧化层具有出色的生物相容性,钛表面氧化层的主要优点如下:具有较低的固有

    1.钛和钛合金表面形成具有生物相容性的氧化膜的意义

    钛及钛合金广泛应用于人体硬组织修复,但将其直接植入到人体中还存在许多问题,如与骨结合强度低、生物活性差、愈合时间长及在生理环境中向基体游离金属离子等问题。然而纯钛及其合金表面附着的氧化层具有出色的生物相容性,钛表面氧化层的主要优点如下:具有较低的固有毒性;在水中的溶解度很低;与生物分子的反应活性很低,接近化学惰性;具有明显的抗炎作用。因而,对钛及钛合金进行表面改性,使其表面形成具有生物相容性的氧化膜是非常有意义的。钛合金表面形成多孔网状锐钛矿型二氧化钛薄膜在模拟体液中具有诱导骨样羟基磷灰石形成的功能;于钛合金表层生成的钙磷盐可提高其生物活性;种植体表面呈多孔形态有利于成骨细胞粘附及骨组织生长、改善种植体与骨的结合。

    2.钛和钛合金表面涂层的复合氧化+水热处理法制备

    利用复合氧化法即预氧化及微弧阳极氧化相结合的方法对钛和钛合金表面进行改性处理,可在钛和钛合金表面形成含钙、磷的二氧化钛梯度薄膜。以纯钛为例:

    (1)预氧化后纯钛表面生成了纯锐钛矿型二氧化钛薄膜。

    (2)微弧阳极氧化后纯钛表面生成了锐钛矿及金红石混合型微孔二氧化钛薄膜,微孔孔径可达78μm,随电流密度的增加,薄膜中孔洞尺寸增大。

    (3)钙磷比增加,锐钛矿相相对含量减少,金红石相相对含量增加;不同组分配比的电解液中随原始溶液钙磷比的增加,薄膜中的钙磷比也增加,同时锐钛矿相相对含量减少,金红石相相对含量增加。

    (4)采用电沉积和碱液浸泡复合技术、水热沉积技术、水热处理技术分别在纯钛阳极氧化致密薄膜和复合氧化梯度氧化涂层表面制备了内层致密、表层多孔的梯度生物活性涂层,有效地阻止金属离子向体液溶出,提高植入材料的生物相容性。

    表面涂层的显微照片见图1,由图可见,复合氧化处理可以获得密度很高、排列均匀的尺寸达500nm的微孔,2小时水热沉积处理后,氧化膜微孔周围开始出现细小的羟基磷灰石(HA)晶体;8小时处理后,微孔周围形成大量HA晶体。

    3.纯钛表面梯度生物活性涂层的性能

    复合氧化和水热处理技术制备纯钛表面梯度生物活性涂层既克服了单一种类生物材料的不足,又解决了现有制备生物材料涂层工艺的缺陷,为医用金属材料的表面涂层及复合技术开拓了新的领域。制备的表面涂层的主要性能有:

    (1)可在最外层制备出柱状、互相交织、多孔的HA晶体。

    (2)涂层与基体的结合力>40N,明显高于其他方法制备涂层的结合力。

    (3)可根据设计要求制备出成分、形貌、结构不同的结构梯度过渡层,有利于根据医学要求在植入体表面获得最佳性能。

    (4)可获得低残余应力和无裂纹的涂层,形成成分过渡区,涂层与基体间无明显界面。

复合氧化+水热处理后表面涂层的形貌

    1    复合氧化+水热处理后表面涂层的形貌

    (5)梯度氧化涂层较厚,可在表面HA涂层被吸收后促进组织的生长和细胞的粘附。

    4.纯钛表面梯度生物活性涂层的医用性能

    (1)在模拟体液中的腐蚀行为

    在模拟体液中的腐蚀是由于氯离子在试件表面薄弱部位的强吸附和穿透作用而引起的。利用电化学中的极化曲线测试技术研究不同方法制备的涂层在模拟体液中的腐蚀行为,结果表明:梯度生物活性涂层的耐腐蚀性能最好,纯钛最差。用复合氧化和水热处理的梯度生物活性涂层对基体具有极好的腐蚀保护作用。

    (2)生物活性涂层的生物相容性

    体外细胞培养和动物体内埋植实验结果证明:梯度生物活性涂层是一种无毒、无刺激性、有良好细胞相容性和组织相容性的生物材料。

    总之,具有表面梯度生物活性涂层的钛及钛合金是较为理想的硬组织植入材料,具有广阔的临床应用前景。

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