试论生物金属材料表面修饰及性能

【摘 要】现如今，生物金属材料正在广泛的运用在社会的各个领域，但是在这种材料在实际应用中还存在一些问题。生理环境服饰会造成金属离子想周围扩散，使自身属性退变，从而使金属有了毒性或者失效。金属材料和机体作用是在金属表面发生的，要解决生物金属材料腐蚀失效、金属离子与机体组织结合容易松动、感染，所以只能通过对金属表面改性来完成。用不同的方式把金属的表面进行修饰改性，让它们可以有抗腐蚀、抗菌、电子溶出等性质。

【关键词】生物金属；材料表面；修饰；性能

生物材料就是生物医用材料，通常是用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等方面。生物材料有很长的历史，现在从人体各个器官，除了大脑和多数内分泌器官，其他的几乎都能用人工器官代替，先进的医疗水平改善了人们的生活质量，促进了生物材料的发展。目前被详细研究过的生物材料已经超过一千多种，生物材料都属于惰性材料，惰性材料的物理机械和功能特性与人体组织相匹配，较容易发挥功能，不会影响其他组织的活动，也不会产生炎症或者凝血现象，无急性毒性或刺激性反应。

1.生物金属材料的概况

生物金属材料是生物材料中应用最多的，因为金属材料比有机材料、无机非金属材料和符合材料都要好用，它的拉伸压缩强度高，耐冲击性延展性好，容易加工成形，性能稳定可靠，除了这些优于其他材质，它自身还与人体组织体液有良好的适应性，耐腐蚀性和化学稳定性，强度韧性、耐磨性、耐疲劳性都不错，易加工低价格易使用。第一，体现在良好的组织相容性，主要表象在无毒性、无热源反应、不致癌、不破坏组织等方面；第二，物理化学稳定性好，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、界面稳定性等方面；第三，有良好的血液相容性，抗凝血性、不溶性、不改变血中的脂蛋白、不扰乱电解质平衡等。

2.生物金属材料的研究现状

生物金属材料有很长的历史，人类在古代就尝试用外界材料替代缺失的人体组织，后来人们还尝试使用多种金属材料，以解救创伤、肿瘤、感染造成骨组织缺损的患者，但是医学技术、材料加工和材料本身还有很大的局限性，导致目前比较成熟的应用只有牙科和骨科。医学常用的生物金属材料有不锈钢、钛合金和记忆合金等。

2.1医用不锈钢

在生物医学中应用最早也最广泛，不锈钢强度比较高，抗腐蚀能力也较强，通常制作成人工关节，价格比较低，但是临床表现是会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀等问题，会引起假体松动，导致植入失效。今年来，日本开发了一种不含镍的硬质不锈钢的生产方法，解决了无镍不锈钢加工难成本高的问题，广泛应用于医疗领域。

2.2医用钛合金

钛合金无毒、质轻、强度高、生物相容性好，常常用于制作人工股骨头和髋关节。钒有毒性，对人体有潜在的危害，20世纪七、八十年代世界各国用钛合金研制无钒植入物，具有较好的生物相容性和耐腐蚀性，其弹性模量是骨弹性模量的四到十倍，但是这种植入物和骨弹性模量不匹配，载荷不能很好的传递到相邻骨组织，导致植入体周围骨吸收，引起松动或断裂，导致植入失效。

2.3医用贵金属

医用贵金属是用作医疗材料的金、银、铂及其合金的总称。贵金属的生物相容性好，但是价格昂贵。镁的生物相容性好，铝有毒性，但是铝的氧化物有不被吸收和不呈现毒性反应，钽有化学稳定性和抗生理腐蚀性，钽的氧化物也不被吸收不呈现毒性反应，并且可以在不破化其表面氧化膜的同时和其他金属结合使用。铌、钽和锆都有相似的组织结构和化学性能，但是由于价格昂贵，难以广泛应用。

3.生物金属材料存在的问题

生物金属材料在医学上的应用十分广泛。传统医用金属材料经过多次实验，发现处理宿主反应外，还存在两个主要问题。其一，植入生物金属材料易失效，其中包括了植入物断裂，植入物发生严重磨损或松动，植入物材料进入周围组织，引起严重组织反应；其二，植入生物金属材料易感染。生物金属材料中有很多合金化元素，它们通常在人体中允许的浓度很低。这些元素大多呈强负电，这些负电电子会和生物体内的有机物或无机物化合成复杂的带有强烈毒性的化合物，造成组织反应、血液反应等，表现为水肿、血栓塞、感染或者肿瘤等现象。另外，在血液中的血小板、细胞白质也是带有负电荷的，这些离子和金属析出的正电荷发生反应，容易造成血栓的形成。

生物金属材料的主要问题，一个是腐蚀造成金属离子向周围扩散，可能导致有毒性的副作用，另一个是植入材料自身性质的退变，可能导致植入生物金属材料失效。所以研究和开发性能更加优秀、生物相容性更加好的新型生物金属材料是广大医学工作者的目标。

4.生物金属材料问题的解决方法

目前使用的生物金属材料植入器械可能会被腐蚀，影响生物功能性的同时会对肌体产生副作用，还会因为感染微生物导致多种并发症。要解决生物金属材料的腐蚀和感染问题，要将生物金属材料表面纳米化，让它具有抗腐蚀、抗菌性能，这就要在金属表面制备一定厚度的抗腐蚀、抗菌纳米结构表层，从而通过表面组织和性能的优化，提高了生物金属材料的整体抗腐蚀性和抗菌性，解决里金属离子溶出问题和感染问题以及与机体的结合力问题，增强了医疗的生物安全可靠性，纳米结构表层主要有表层涂层或沉积、表面自身纳米化、混合纳米化三种。

生物金属材料有很好的综合力学性能好加工性能，但是生物活性差，它们常常只是机械嵌合周围的骨组织，植入后很容易就发生松动和脱落。羟基磷灰石和人骨无机质相似，有良好的耐腐蚀性和生物相容性，但是强度低、韧性差、易破坏。所以要使用两种材料的复合材料，其中使用涂层技术是最有效的途径。因为生物材料的生物相容性和生物活性都体现在材料表面，制备金属基磷灰石涂层，形成化学键性达到固定的目的。目前的制备涂层技术有物理方法和化学方法，而且需要特定仪器，反应条件苛刻，得到涂层易龟裂易脱落，所以最好是通过混合纳米化和电泳沉积，使生物金属材料表面形成纳米化薄膜或涂层，造成生物金属材料的表面改性。

5.小结

由此看来，生物金属材料的表面修饰可以使用对材料表面改性的方式，来解决生物金属材料易腐蚀、易感染、不易与机体组织结合、金属离子溶出等问题，以便提高生物金属材料的安全可靠性；也可以通过制备表层涂层的方式，来讲解决生物金属材料的易松动、易脱落、生物相容性差的问题。

【参考文献】

[1]吴桐.几种生物医用合金的特性及应用[J].科技资讯，2011（30）.

[2]杨天笑.大型海洋污损生物对金属材料腐蚀影响及研究展望[J].工业安全与环保，2013（11）.