淺析醫用鈦基合金的表面改性及生物相容性

楊宏勇

摘 要：鎳鈦形狀記憶合金（NiTi-SMA）作為一種理想的固定材料在現代醫學骨科中得到了很好地應用，而且其發展也是切實符合現代生物學固定的思想。在鎳鈦形狀記憶合金中蘊含著50%左右的鎳。加強對其各方面性能的深入研究，從而對于其更好的應用于現代醫學領域具有重要意義。基于此，文章對醫用鈦基合金的表面改性以及生物相容性等問題進行了探討，希望對后期相關工作提供一定的幫助。

關鍵詞：醫用鈦基合金；表面改性；生物相容性；NiTi-SMA

引言

在現階段醫學領域，鎳鈦記憶合金憑借其質量輕、高強度、高回彈性以及良好的耐疲勞和耐腐蝕等性能，使其逐漸成為了最具發展潛力的一種金屬生物材料，而且在骨科中應用日益普遍，但到目前為止，還沒有一套科學方法和證據足以證明其在長期的植入機體中能夠保持良好的生物相容性。現階段，我們在應用天鵝型記憶接骨器的大量實踐應用的基礎之上，歸納并總結了合金組織的相容性及表面改性等特性，從而為相關醫用材料的后期開發提供了必要的依據。

1 醫用鈦基合金的生物相容性和細胞毒性研究

生物材料成功植入后，對機體的影響是一個非常復雜的過程，主要反映的是血液反應、組織反應和免疫反應的反應，而所發生的這些生物反應有對于評定其生物相容性具有重要的意義。一般情況下，在對鈦基合金生物相容性進行評價時，主要指標內容涵蓋了以下幾個方面[1]：（1）機體血管的分布密度；（2）機體炎癥細胞的種類和數量；（3）所植入的材料周遭組織的生化分析和組化分析；（4）是否形成了包囊膜；（5）對遠離植入組織的生化分析；（6）是都存在脂肪變性；（7）對所植入的金屬物外觀結構變化的觀察。

鈦鎳合金一般含有近50%的鎳，如果它被植入人體，其生物相容性和如何，鎳元素在人體內的長期存在會產生許多問題，如細胞毒性等，這也需要在長期的臨床實踐和試驗研究中不斷解決的。

隨著技術的發展，鈦鎳合金的生物相容性研究得到了明顯的改善，主要體現在以下幾點：（1）在體外實驗中多采用成纖維細胞或成骨細胞或內皮細胞等；（2）取不銹鋼或其他金屬材料同鈦鎳合金作

對比試驗；（3）適當的增加了體內試驗數量；（4）在試驗過程中綜合應用了多項分析方法；經過長期大量的試驗研究表明，鈦鎳合金作為一種植入材料植入人體后同其他材料相比具有明顯的安全優勢[2]，究其原因如下所述：

（1）機體組織之所以會出現一種良好的組織反應，其根本原因就是在于在鈦鎳合金表面有一層由氧化鈦組成的鈍化膜，其中含有了極少量的鎳元素。

（2）在鈦鎳合金中的鎳元素都是以化合態形式存在，即使在人體會出現解離現象，但其數量卻是微少的。

（3）在機體外部所觀察到的細胞毒性現象其主要原因也是由于鎳的大量聚集所致，而在機體內部由于不會出現這種現象，所以細胞毒性也就不會發生。

現階段，許多學者對于鈦鎳合金的生物相容性以及表面改性都進行了大量的試驗研究，而且得到的結論卻明顯的一致：太鎳合金植入機體后能夠很好地被機體細胞所接受，而且合金表現所出現的腐蝕極少[3]。

2 NiTi-SMA的表面改性及細胞毒性

對于NiTi-SMA的加工制造以及表面處理等方面，國內學者進行了大量的研究工作[4]，在目前，也存在很多的處理方法應用于NiTi-SMA的表面處理過程。然而，表面處理方法的優劣將會直接影響其生物相容性，具體哪一種表面處理方法最為有效以及如何有效地改善合金表面特性等存在的等等問題也是目前NiTi-SMA應用領域所迫切需要解決的問題。

NiTi-SMA由于其表面氧化膜的存在，使其具有了良好的耐腐蝕性和生物相容性等特性；合金氧化膜的存在，能夠促使NiTi-SMA在生理環境下保持來相對惰性狀態；而對其表面的處理方法所常見的有熱處理和電子拋光以及機械拋光等多項手段，同時在對合金界面以及表面的分析過程中也會涉及到電子顯微鏡以及X光衍射和X-RAY點光子分光光譜的應用[5]。

經大量的實驗研究表明，NiTi-SMA所體現出的良好的生物相容性和腐蝕性等特性其主要還是源于在其表面均勻分布的氧化膜層，在該膜層中含有了極少的鎳元素。

除上述所介紹的幾種常見的表面處理方法之外，下面介紹幾種其他表面處理方法：

等離子注入和噴涂羥基磷灰石方法，化學處理方法與傳統方法相比，具有工藝簡單，可在復雜形狀的表面形成一層修飾膜；其中作為表面改性的一項重要處理手段——等離子處理法，在其應用過程中也需要對材料界面通過AES和掃描電子顯微鏡的輔助進行相應的分析研究。在應用等離子處理方法進行表面處理過程中，影響最大的就是鈦鎳比例，它能夠有效引發鈦、鎳元素的富集和偏聚等現象，其中鈦元素能夠有效地增強材料表面活性，對于鈦鎳合金同機體高分子膜的結合提供了極大地幫助；在之列等離子體進行表面處理過程中，在樣品的表面將沉積大量的電極成分，由于氯元素對人體具有一定的危害性，因此，從安全角度考慮，直流等離子處理裝置一般不采用鋁電極材料，因此，在表面處理過程中建議采用射頻等離子體處理方法。

另外一種方法就是對合金表面進行涂層處理[6]，常用的就是聚合四氟乙炔高離子噴涂法，該方法的實施能夠有效地提高鈦鎳合金的抗腐蝕能力，并極大的降低了鎳離子的釋放，進而促使其合金細胞毒性得到了明顯的降低。

3 問題及展望

在鈦合金生物材料的不斷發展過程中，其材料的改進以及表面性能的優化等方面還存在著很多的問題需要解決。

通過一定的表面處理方法能夠有效地降低鈦鎳合金中鎳元素的釋放，其中應用效果最好的一項方法就是涂層處理法。

經大量實驗分析發現，NiTi-SMA具有了良好的生物相容性以及獨特的形狀記憶效應，經表面處理后的NiTi-SMA表面會形成一層輕質均勻而且致密分布的鈍化膜，與金屬表面進行緊密的結合，并通過涂膜技術的應用，能夠促使NiTi-SMA細胞相容性以及抗腐蝕性等性能的明顯改善。相信隨著技術的不斷進步和發展，現階段所存在一系列難題都將會迎刃而解，同時，隨著新型合金材料的不斷改良和開發，NiTi-SMA也必將迎來一更為廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]田博.醫用鈦基合金的表面改性及生物相容性研究[D].貴州大學，2007.

[2]冉均學.鈦基生物醫用材料表面改性及模擬體液培養[D].河北工業大學，2003.

[3]李晉波.醫用鈦表面改性及其抗菌性和生物活性研究[D].湖南大學，2012.

[4]孔麗麗.醫用鈦表面的電化學構筑及生物性能的優化[D].廈門大學，2009.

[5]崔琰，李巖，羅坤，等.生物醫用鈦基無鎳記憶合金研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2010，9：1682-1686.

[6]寧聰琴，周玉.醫用鈦合金的發展及研究現狀[J].材料科學與工藝，2002，1：100-106.