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提高生物材料的耐蚀耐磨性能的方法汇总

2017-08-08 10:01:32
作者:本网整理
来源:网络

作为一种长期植入人体的生物材料,不仅要具有良好的生物力学性能,而且还要有优异的耐蚀性和生物相容性。大多数植入金属生物材料在溶液中易于失去电子,因此,他们生物环境中非常容易发生腐蚀,这通常导致炎症和植入物疏松。另外,它们低的表面硬度,高的摩擦系数,较差的耐磨性也限制了它们在金属生物材料方面的应用。

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    作为一种长期植入人体的生物材料,不仅要具有良好的生物力学性能,而且还要有优异的耐蚀性和生物相容性。大多数植入金属生物材料在溶液中易于失去电子,因此,他们生物环境中非常容易发生腐蚀,这通常导致炎症和植入物疏松。另外,它们低的表面硬度,高的摩擦系数,较差的耐磨性也限制了它们在金属生物材料方面的应用。


    氧化物涂层


    1.热氧化物技术(TO)


    热氧化技术广泛应用于表面工程改善化学纯钛及钛合金基于接近于600℃的腐蚀和耐磨性能。通过耐磨性测试,有热氧化层的试样的耐磨损性有明显的提高。相比于未经处理的试样,有热氧化层的试样磨损体积减少了四到六倍。性能大幅度提高的主要原因是由于形成了硬的氧化层和氧化层底下的扩散层。


    2微弧氧化(MAO)


    微弧氧化,也叫做等离子体氧化或者阳极火花沉积,是一种在金属表面制备硬的,薄的氧化层的表面改性技术。Xue等人在Ti-6Al-4V表面通过微弧氧化在铝酸盐溶液中制备得到了陶瓷氧化层。涂层主要由金红石型的TiO2和TiAl2O5化合物组成。氧化层中的TiO2的氧化层会由表及里的增多,而TiAl2O5正好相反。压痕测试显示,通过微弧氧化以后的硬度明显提高,同时,随着TiO2膜厚的增加,硬度会增加。微弧氧化涂层的动力学是由表面控制的,很大程度上是取决于所加的电流密度与反应的时间。


    除了钛和钛合金以外,微弧氧化在镁合金防腐蚀耐磨损方向也有广泛的应用。AZ91D镁合金在铝酸盐和氟化氢溶液中恒定的电流密度下通过微弧氧化处理后的耐蚀性能会提高超过100倍。因为所形成的陶瓷氧化层中包含有尖晶石型氯酸镁相。然而,微弧氧化膜普遍都有类似于泡沫状状的空隙,这会影响其耐蚀和耐磨损性能。


    3阳离子注入


    阳离子注入能够用于提高金属离子的耐蚀性耐磨性同样也能提高金属材料的生物相容性。离子注入包括传统的束线离子注入和等离子体浸入注入法。传统的竖线离子注入法,离子束通过高压加速,然后轰击基体表面。


    4溶胶凝胶法


    溶胶凝胶法所得到的氧化膜或者是二氧化硅,三氧化二铝,二氧化锆的涂层能被沉积在金属上,来保护基体不受磨损和腐蚀。溶胶凝胶过程又称为化学溶液沉积,是一种湿化学法,其过程一共包括五个步骤:(1)水解和缩聚;(2)凝胶化;(3)陈化;(4)干燥;(5)稠化和结晶。相比于传统的薄膜过程,溶胶凝胶法更容易控制膜的化学组成成分和膜的微观结构通过低成本简单的仪器设备。


    5热喷涂技术


    热喷涂制备得到的膜也能提高生物金属植入物材料的耐蚀性和耐磨性。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半融化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。


    类金刚石(DLC)膜层


    类金刚石膜有很高的耐磨和耐蚀性能,化学惰性,高电阻系数,红外透明度,高折射率和平滑表面。它的这些优点致使它在整形外科,心血管方向,和牙科等方面有广泛的应用。很多用碳作为前驱体的材料的表面改性技术能够得到DLC膜,包括离子束沉积,等离子辅助的化学气相沉积,阴极真空电弧,离子电镀,等离子浸入离子注入和沉积,磁控溅射,脉冲激光沉积等。


    抗菌涂层


    在生物植入过程中被细菌感染是生物医学领域很危险的事情。在美国,据报道每年在260万人中有11200的人在矫形外科植入手术中发生了感染。细菌感染不仅会给病人带来痛苦与折磨,也会增加医疗成本。在严重的案例中,假体的需要进行修正手术甚至是移植手术。然而,假体矫正手术的的成功的可能性会减小,因为长时间的手术时间会增加被感染的概率,增加瘢痕组织的形成等危害。因此,研究发展植入体繁荣抗菌性能是非常有必要的。


    生物植入的相关感染是由于细菌的粘附,并伴随着植入体内最终导致生物膜菌的形成。细菌与植入体相互作用的第一步也是最重要的一步是细菌粘附在植入体的表面。因此,为了防止植入体的感觉,组织细菌粘附是重要的一步。基于这一要素,为了防止植入的相关感染,材料科学家尝试着在植入体表面加入抗菌药物。抗菌药物至于人造生物材料可以被分为两类(无机和有机抗菌药物):有机抗菌药物包括抗生素,例如头孢霉素,万古霉素等,以及抗体,例如免疫球蛋白(G,A,D,M,E);无机抗菌药物包括银相关的药物,该有二氧化钛,氧化锆,碳化膜等。

 

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责任编辑:王元


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标签: 生物材料, 耐蚀耐磨, 方法汇总

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