钛合金密度小，比强度高，具有良好的耐蚀性、疲劳抗力，广泛应用于医疗领域。但其在生物体内的生物活性、磨损、腐蚀等问题仍需改善，我们一般会对其表面进行改性处理。材料表面改性不仅要抑制有害金属离子的溶出，而且要促进组织的再生和加强材料与组织结合的能力。

 

钛合金材料的表面改性技术主要有三种方式：

 

1、物理化学方法

 

⑴热喷涂：可分为电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂等。

优点：取材广泛，可对各种基体进行喷涂，速度可控，操作简单效率高。

缺点：不适用于形状复杂的生物金属材料基底；制备过程中温度较高；冷却时，结晶度低、弹性模量大、结合度低等。

等离子喷涂示意图

 

⑵离子溅射：以高速离子轰击靶材，使涂敷材料粉粒溅射并沉积在金属基体上。

优点：形成的涂层具有高密度、高粘附性等。

缺点：涂层稳定性差，需后续热处理。

 

⑶喷砂法：将涂敷材料粉末直接高速喷出镶入基体表面。

优点：方法简单易行，低温操作，涂层粉末不产生分解，成分稳定，涂层与基体间的结合力较高。

 

⑷离子注入法：将所需的元素在离子气化室中进行气化，通过高频放电使其离子化，以外加电场导出、聚束和加速，使其形成高能细小的离子束而打入材料表面。

优点：①膜与基体结合好②注入过程不要求升高基体温度③工艺重复性好等。许多研究者报道了氮离子注入对Ti6Al4V合金表面成分、组织结构、硬度及摩擦学性能有良好改善效果。

 

2、形态学方法

 

不在基体表面产生强化层或附加涂层，而是通过改善植入体的表面微观形貌来获得最好的植入效果。主要方法有：等离子喷刷、超音振荡、激光束点融以及电化学晶界腐蚀等。

 

 

激光束点融使钛合金的表面形成多级孔洞的微观形貌

 

3、生物化学方法

 

将大分子蛋白质或酶等有机高分子物质引入基体表面，使其具有更优良的生物活性，因而具有更直接、更有效的特点。可以有效促进植入处伤口的愈合，加速植入体与周围组织的结合，同时也可提高植入体的安全性和使用寿命。

 

如何提高生物活性的钛合金表面改性？

⑴提高生物活性：在钛合金表面制备一层生物活性陶瓷涂层。钛合金表面羟基磷灰石涂层的微观形貌

 

 

⑵提高耐磨损性能：利用表面处理工艺在钛合金表面形成一层耐磨涂层，常用的有类金刚石碳（DLC）膜，氮化钛（TiN）涂层等。

 

 

氮化钛（TiN）涂层的扫描电镜图像

 

⑶提高耐腐蚀性能：在材料表面形成保护层、提高材料表面光洁度。

 

下面简述几种处理方法：

 

①交流微弧氧化：对钛合金表面微弧氧化膜，获得膜的硬度高并与金属基体结合良好。改善了钛合金表面的抗磨损、抗腐蚀，耐热冲击及绝缘等性能，在许多领域具有应用前景。

 

② TiC也是超硬相：钛合金经离子注入DLC（类金刚石碳）膜，表面硬度提高4倍。

 

 

DLC（类金刚石碳）膜的中央（左）和边缘（右）的致密微观结构

 

③离子束增强沉积（IBED）：利用IBED方法制备了CrC硬质膜，可用于钛合金的微动磨损防护。

④涂层技术：是改善钛合金抗氧化性的有效方法。

 

 

钛合金表面陶瓷涂层的超微结构

 

近年来人们运用表面工程的方法对提高医用钛合金材料的性能开展了大量的工作并取得一定的进展，但涂层与钛合金基体的界面结合强度较低仍是临床应用的瓶颈问题。

 

因此从仿生原理、组织工程原理、基质控制矿化的思路出发，兼顾涂层的高耐磨性、优良的耐蚀性和生物相容性，研究适合钛合金特性的多功能表面涂层体系，运用新的涂层形成原理开发涂层制备新工艺是今后医用钛合金表面改性的一个重要发展方向。

 

来源：不严肃医械研究

关键词： 医用钛合金 表面改性