試論生物金屬材料表面修飾及性能

【摘 要】現(xiàn)如今，生物金屬材料正在廣泛的運(yùn)用在社會的各個領(lǐng)域，但是在這種材料在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題。生理環(huán)境服飾會造成金屬離子想周圍擴(kuò)散，使自身屬性退變，從而使金屬有了毒性或者失效。金屬材料和機(jī)體作用是在金屬表面發(fā)生的，要解決生物金屬材料腐蝕失效、金屬離子與機(jī)體組織結(jié)合容易松動、感染，所以只能通過對金屬表面改性來完成。用不同的方式把金屬的表面進(jìn)行修飾改性，讓它們可以有抗腐蝕、抗菌、電子溶出等性質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】生物金屬；材料表面；修飾；性能

生物材料就是生物醫(yī)用材料，通常是用于人工器官、修復(fù)、理療康復(fù)、診斷、檢查、治療疾病等方面。生物材料有很長的歷史，現(xiàn)在從人體各個器官，除了大腦和多數(shù)內(nèi)分泌器官，其他的幾乎都能用人工器官代替，先進(jìn)的醫(yī)療水平改善了人們的生活質(zhì)量，促進(jìn)了生物材料的發(fā)展。目前被詳細(xì)研究過的生物材料已經(jīng)超過一千多種，生物材料都屬于惰性材料，惰性材料的物理機(jī)械和功能特性與人體組織相匹配，較容易發(fā)揮功能，不會影響其他組織的活動，也不會產(chǎn)生炎癥或者凝血現(xiàn)象，無急性毒性或刺激性反應(yīng)。

1.生物金屬材料的概況

生物金屬材料是生物材料中應(yīng)用最多的，因?yàn)榻饘俨牧媳扔袡C(jī)材料、無機(jī)非金屬材料和符合材料都要好用，它的拉伸壓縮強(qiáng)度高，耐沖擊性延展性好，容易加工成形，性能穩(wěn)定可靠，除了這些優(yōu)于其他材質(zhì)，它自身還與人體組織體液有良好的適應(yīng)性，耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)度韌性、耐磨性、耐疲勞性都不錯，易加工低價格易使用。第一，體現(xiàn)在良好的組織相容性，主要表象在無毒性、無熱源反應(yīng)、不致癌、不破壞組織等方面；第二，物理化學(xué)穩(wěn)定性好，包括強(qiáng)度、彈性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、界面穩(wěn)定性等方面；第三，有良好的血液相容性，抗凝血性、不溶性、不改變血中的脂蛋白、不擾亂電解質(zhì)平衡等。

2.生物金屬材料的研究現(xiàn)狀

生物金屬材料有很長的歷史，人類在古代就嘗試用外界材料替代缺失的人體組織，后來人們還嘗試使用多種金屬材料，以解救創(chuàng)傷、腫瘤、感染造成骨組織缺損的患者，但是醫(yī)學(xué)技術(shù)、材料加工和材料本身還有很大的局限性，導(dǎo)致目前比較成熟的應(yīng)用只有牙科和骨科。醫(yī)學(xué)常用的生物金屬材料有不銹鋼、鈦合金和記憶合金等。

2.1醫(yī)用不銹鋼

在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用最早也最廣泛，不銹鋼強(qiáng)度比較高，抗腐蝕能力也較強(qiáng)，通常制作成人工關(guān)節(jié)，價格比較低，但是臨床表現(xiàn)是會產(chǎn)生縫隙腐蝕或摩擦腐蝕以及疲勞腐蝕等問題，會引起假體松動，導(dǎo)致植入失效。今年來，日本開發(fā)了一種不含鎳的硬質(zhì)不銹鋼的生產(chǎn)方法，解決了無鎳不銹鋼加工難成本高的問題，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

2.2醫(yī)用鈦合金

鈦合金無毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、生物相容性好，常常用于制作人工股骨頭和髖關(guān)節(jié)。釩有毒性，對人體有潛在的危害，20世紀(jì)七、八十年代世界各國用鈦合金研制無釩植入物，具有較好的生物相容性和耐腐蝕性，其彈性模量是骨彈性模量的四到十倍，但是這種植入物和骨彈性模量不匹配，載荷不能很好的傳遞到相鄰骨組織，導(dǎo)致植入體周圍骨吸收，引起松動或斷裂，導(dǎo)致植入失效。

2.3醫(yī)用貴金屬

醫(yī)用貴金屬是用作醫(yī)療材料的金、銀、鉑及其合金的總稱。貴金屬的生物相容性好，但是價格昂貴。鎂的生物相容性好，鋁有毒性，但是鋁的氧化物有不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，鉭有化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，鉭的氧化物也不被吸收不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，并且可以在不破化其表面氧化膜的同時和其他金屬結(jié)合使用。鈮、鉭和鋯都有相似的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，但是由于價格昂貴，難以廣泛應(yīng)用。

3.生物金屬材料存在的問題

生物金屬材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)處理宿主反應(yīng)外，還存在兩個主要問題。其一，植入生物金屬材料易失效，其中包括了植入物斷裂，植入物發(fā)生嚴(yán)重磨損或松動，植入物材料進(jìn)入周圍組織，引起嚴(yán)重組織反應(yīng)；其二，植入生物金屬材料易感染。生物金屬材料中有很多合金化元素，它們通常在人體中允許的濃度很低。這些元素大多呈強(qiáng)負(fù)電，這些負(fù)電電子會和生物體內(nèi)的有機(jī)物或無機(jī)物化合成復(fù)雜的帶有強(qiáng)烈毒性的化合物，造成組織反應(yīng)、血液反應(yīng)等，表現(xiàn)為水腫、血栓塞、感染或者腫瘤等現(xiàn)象。另外，在血液中的血小板、細(xì)胞核蛋白質(zhì)也是帶有負(fù)電荷的，這些離子和金屬析出的正電荷發(fā)生反應(yīng)，容易造成血栓的形成。

生物金屬材料的主要問題，一個是腐蝕造成金屬離子向周圍擴(kuò)散，可能導(dǎo)致有毒性的副作用，另一個是植入材料自身性質(zhì)的退變，可能導(dǎo)致植入生物金屬材料失效。所以研究和開發(fā)性能更加優(yōu)秀、生物相容性更加好的新型生物金屬材料是廣大醫(yī)學(xué)工作者的目標(biāo)。

4.生物金屬材料問題的解決方法

目前使用的生物金屬材料植入器械可能會被腐蝕，影響生物功能性的同時會對肌體產(chǎn)生副作用，還會因?yàn)楦腥疚⑸飳?dǎo)致多種并發(fā)癥。要解決生物金屬材料的腐蝕和感染問題，要將生物金屬材料表面納米化，讓它具有抗腐蝕、抗菌性能，這就要在金屬表面制備一定厚度的抗腐蝕、抗菌納米結(jié)構(gòu)表層，從而通過表面組織和性能的優(yōu)化，提高了生物金屬材料的整體抗腐蝕性和抗菌性，解決里金屬離子溶出問題和感染問題以及與機(jī)體的結(jié)合力問題，增強(qiáng)了醫(yī)療的生物安全可靠性，納米結(jié)構(gòu)表層主要有表層涂層或沉積、表面自身納米化、混合納米化三種。

生物金屬材料有很好的綜合力學(xué)性能好加工性能，但是生物活性差，它們常常只是機(jī)械嵌合周圍的骨組織，植入后很容易就發(fā)生松動和脫落。羥基磷灰石和人骨無機(jī)質(zhì)相似，有良好的耐腐蝕性和生物相容性，但是強(qiáng)度低、韌性差、易破壞。所以要使用兩種材料的復(fù)合材料，其中使用涂層技術(shù)是最有效的途徑。因?yàn)樯锊牧系纳锵嗳菪院蜕锘钚远俭w現(xiàn)在材料表面，制備金屬基磷灰石涂層，形成化學(xué)鍵性達(dá)到固定的目的。目前的制備涂層技術(shù)有物理方法和化學(xué)方法，而且需要特定儀器，反應(yīng)條件苛刻，得到涂層易龜裂易脫落，所以最好是通過混合納米化和電泳沉積，使生物金屬材料表面形成納米化薄膜或涂層，造成生物金屬材料的表面改性。

5.小結(jié)

由此看來，生物金屬材料的表面修飾可以使用對材料表面改性的方式，來解決生物金屬材料易腐蝕、易感染、不易與機(jī)體組織結(jié)合、金屬離子溶出等問題，以便提高生物金屬材料的安全可靠性；也可以通過制備表層涂層的方式，來講解決生物金屬材料的易松動、易脫落、生物相容性差的問題。

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