医用钛合金羟基磷灰石涂层的研究动态

医用钛合金如Ti6A14V等广泛应用于硬组织的替换与修复领域,但是属于生物惰性材料.采用表面改性技术在钛合金表面沉积生物活性羟基磷灰石涂层可改善合金表面的生物活性和生物相容性.本文综述了钛合金表面的羟基磷灰石制备技术的研究动态.     

冷喷涂制备多孔Ta涂层及生物相容性

目的 提高生物医用钛合金的生物相容性。方法 采用冷喷涂技术在其表面制备了内部多孔且表面粗糙的钽涂层,并对涂层的微观组织、弹性模量、表面粗糙度、孔隙率、相组成等进行表征;通过溶血率实验、动态凝血时间实验、血小板黏附实验和细胞增殖实验等评价其血液相容性。结果 涂层表面粗糙度为24.9μm,孔隙率为12.6%,弹性模量为147 GPa。喷涂后涂层相组成为Ta,涂层与基体的结合强度为24 MPa。TC4钛合金基体和钽涂层2种材料均具有优异的红细胞相容性且2种材料表面的动态凝血程度相似,表明在TC4钛合金表面制备钽涂层后,钽涂层不会影响凝血因子的活性。钽涂层具有更好的防止血小板黏附与变形的性能。在细胞增殖实验中,细胞在钽涂层表面的增殖能力略高于TC4钛合金。结论 多孔钽涂层的弹性模量相对钽块降低了22%。其生物活性高于TC4钛合金基体。     

医用钛及钛合金表面涂层研究进展

概述了钛及钛合金在医学领域的发展现状,以及常用的钛及钛合金表面处理技术,重点介绍了医用钛及钛合金表面耐蚀耐磨涂层、生物活性涂层和表面抗菌涂层的研究现状和发展趋势。在钛及钛合金表面制备涂层能够使其更适合作为植入物在医学领域应用,但由于涂层自身还存在一定局限性,临床试验也需要大量的时间,目前涂层还没有大规模应用到临床医疗中。为了尽可能地改善单一涂层存在的缺陷,多组元、多层复合涂层是目前医用钛及钛合金表面涂层的研究重点。     

钛合金表面激光熔覆制备羟基磷灰石生物陶瓷涂层的研究现状

利用激光熔覆技术在医用钛金属表面制备生物活性陶瓷羟基磷灰石(HAP)涂层,是近年来世界各国生物医用植入材料及相关领域的研究热点之一。首先简要概括了HAP生物陶瓷涂层材料的特点与意义,介绍了医用钛金属材料与生物陶瓷材料的历史发展与特点,指出了已有技术制备的生物陶瓷涂层在制备与应用中存在的优缺点,介绍了激光熔覆制备生物陶瓷涂层的特点与优点。综述了国内外钛及钛合金表面激光熔覆制备HAP生物陶瓷涂层、激光快速成形生物陶瓷涂层及相关材料的研究特点、现状与进展。重点介绍了激光熔覆不同成分原材料、添加稀土成分与不同波长激光制备生物陶瓷涂层的机理,及激光熔覆制备生物陶瓷涂层的特点与优缺点。激光熔覆制备生物陶瓷涂层及相关材料是一个多学科交叉的研究领域,通过对钛合金的激光表面改性,激光熔覆制备生物陶瓷涂层在理论研究与临床应用上具有广阔的前景。最后对激光熔覆工艺制备合成HAP生物陶瓷涂层未来的研究方向进行了讨论与展望。     

医用碳材料对骨组织的响应及其生物活化改性

对骨种植医用碳材料的种类、碳材料对骨组织间的响应及碳／碳复合材料表面生物活化改性研究现状进行了综述。提出了碳／碳复合材料表面生物活性改性涂层结构，认为碳／碳复合材料表面活性改性的结构应由硬质阻挡层和不降解生物活化层组成；根据目前已研究的生物活性陶瓷种类，提出了碳／碳复合材料表面生物活性涂层具体结构思路，同时展望了医用骨种植碳材料的前景。     

钛基金属表面生物活性改性研究进展

从工艺、生物活性涂层新体系开发、涂层结构设计、生物活性涂层性能改进以及涂层评价标准等角度,系统地综述了钛及其合金表面生物活性涂层的研究状况,同时展望了医用钛合金表面生物活性改性研究的发展趋势,认为解决钛基金属表面生物活性改性研究的重点应该放在能够同时解决涂层与基体的界面稳定性和相应涂层制备工艺的适应性上。     

钛合金表面等离子喷涂涂层材料的研究进展

介绍了钛及钛合金表面等离子喷涂涂层材料的研究进展,主要从钛合金表面等离子喷涂陶瓷材料耐磨涂层、固体润滑减摩涂层、生物活性涂层、功能涂层等几方面进行了简要的介绍。并对钛及钛合金表面等离子喷涂涂层材料的发展趋势进行了展望。     

基于脊柱矫正棒的镍钛合金陶瓷涂层改性研究

对镍钛合金表面进行等离子喷涂处理,得到了薄膜组织,利用其抑制镍离子析出,提高镍钛合金的耐磨性和耐腐蚀性。经过前期研究,基于氧化铝、氧化锆陶瓷本身优良的耐磨性、耐腐蚀性以及生物相容性对镍钛合金陶瓷涂层进行改性。经实验验证,改性后其耐磨性、耐腐蚀性以及生物相容性大幅提升,符合作为生物医用材料的要求。     

镁合金表面制备羟基磷灰石涂层的研究现状

镁及其合金具有可降解的特点,同时具有良好的生物相容性。与其他医用金属材料相比,其力学性能和弹性模量最为接近于人体骨的,被认为是近十年新一代最有潜力的生物医用植入材料之一。但是镁合金的耐腐蚀性较差,在很大程度上限制了其在医学领域的应用与发展。在镁合金表面涂覆羟基磷灰石生物陶瓷涂层,不仅能够提高镁合金的耐腐蚀性,更能够赋予其优良的生物活性。介绍了镁合金和羟基磷灰石的性能特点,综述了在镁合金表面制备羟基磷灰石涂层的工艺方法,并对镁基羟基磷灰石生物陶瓷涂层作为生物医用材料的未来发展方向进行了展望。     

Ti6Al4V钛合金超声波冷锻/微弧氧化涂层的制备及耐磨性能

为了提高生物医用钛合金的耐磨性,利用超声波冷锻技术(UCFT)作为预处理,采用微弧氧化(MAO)技术制备出具有生物活性的MAO涂层。采用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)测量钛合金UCFT处理后表面纳米晶粒大小和表面粗糙度,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度计测量涂层的微观形貌、相组成和显微硬度,并在高速往复摩擦磨损试验机上对试样进行摩擦学性能测试。结果表明:超声波冷锻后的钛合金表面晶粒得到细化,平均表面粗糙度仅为36.98nm;UCFT-MAO涂层的显微硬度从330HV0.05提高到518HV0.05,经超声波冷锻预处理后的微弧氧化涂层的摩擦因数降低,UCFT-MAO试样在仿生液中的磨损量仅为基体试样的1/3。超声波冷锻技术作为预处理,显著提高了钛合金微弧氧化涂层的耐磨性能。     

热氧化提高钛及钛合金表面性能的研究进展

热氧化作为一种引起广泛关注的钛及钛合金表面改性技术,具有工艺简单、原位生长、薄膜厚度大以及性价比高等特点。通过热氧化表面处理技术能够在钛及钛合金表面形成较厚的由钛氧化层和氧的扩散层组成的硬质氧化膜,氧化膜对材料起到有效的保护作用,提高了材料单一耐磨性、耐蚀性以及生物活性或综合表面性能。从热氧化工艺原理及其对钛及钛合金表面性能影响的角度,综述了热氧化对钛及钛合金表面硬度、耐磨性、耐蚀性、生物相容性等性能影响的研究进展,并对其以后的研究方向进行了展望。通过合理控制氧化温度、氧化时间、氧化气氛及冷却方式等工艺条件,从而得到连续、致密且疲劳性能较好的金红石型TiO_2和氧的扩散层是改善钛及钛合金性能的关键。将热氧化处理与其他工艺相结合,针对性地提高膜层厚度及材料的耐磨性、耐蚀性、生物性能等,以实现复合涂层的制备将是热氧化在钛及钛合金性能改善方面的研究方向。     

钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的研究进展

针对钛合金在实际应用过程中存在硬度低、耐磨性差、高温易氧化以及生物活性低等问题,国内外学者利用陶瓷材料较高的硬度、优异的耐磨性和高温抗氧化性能的特点,以及激光熔覆技术可以实现涂层与基材的冶金结合,较高的冷却速率使涂层内部晶粒得到细化的优势,开展了钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的广泛研究。首先简要概括了钛合金表面激光熔覆陶瓷材料的特点,介绍了在激光熔覆过程中常见的陶瓷材料以及所具备的特殊性能。从陶瓷涂层制备方式和陶瓷材料体现的功能两个方面,综述了国内外的研究特点、现状和进展。对比分析了激光制备纯陶瓷涂层、激光制备陶瓷与金属合金复合涂层、激光原位合成陶瓷复合涂层、激光制备陶瓷梯度涂层的优缺点。介绍了在钛合金表面激光熔覆耐磨涂层、高温抗氧化涂层、耐蚀涂层和生物涂层的进展,分析了陶瓷材料在提高相关性能时所发挥的作用。最后针对钛合金表面激光熔覆陶瓷材料存在的问题,对钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层未来的发展趋势进行了讨论与展望。     

Sliding wear characteristics of solid lubricant coating on titanium alloy surface modified by laser texturing and ternary hard coatings

Titanium alloys are poor in wear resistance and it is not suitable under sliding conditions even with lubrication because of its severe adhesive wear tendency. The surface modifications through texturing and surface coating were used to enhance the surface properties of the titanium alloy substrate. Hard and wear resistant coatings such as TiAlN and AlCrN were applied over textured titanium alloy surfaces with chromium as interlayer. To improve the friction and wear resisting performance of hard coatings further, solid lubricant, molybdenum disulphide (MoS2), was deposited on dimples made over hard coatings. Unidirectional sliding wear tests were performed with pin on disc contact geometry, to evaluate the tribological performance of coated substrates. The tests were performed under three different normal loads for a period of 40 min at sliding velocity of 2 m/s. The tribological behaviours of multi-layer coatings such as coating structure, friction coefficient and specific wear rate were investigated and analyzed. The lower friction coefficient of approximately 0.1 was found at the early sliding stage, which reduces the material transfer and increases the wear life. Although, the friction coefficient increased to high values after MoS₂ coating was partially removed, substrate was still protected against wear by underlying hard composite layer.     

钛及钛合金表面纳米管的生物功能化研究进展

钛及钛合金因为其良好的生物相容性和力学性能,作为生物医用材料得到广泛使用。通过表面处理后,可以在钛金属基体表面获得氧化钛纳米管阵列。氧化钛纳米管阵列的管径和长度尺寸可控,通常具有大表面积、强吸附性和超亲水性,可以提高钛及钛合金基体的生物相容性和耐腐蚀性能,为进一步赋予其更多的生物功能性奠定了基础。对钛及钛合金表面纳米管再次表面改性后,可使其具有更好的促进骨整合、抗菌消炎、药物响应可控释放、生物荧光成像等功能,在生物医学领域应用潜力巨大。介绍了钛及钛合金表面纳米管的制备方法,分析了氧化钛纳米管阵列的生物学特性,探讨了纳米管的物理特征对细胞行为的影响,对二次表面改性(包括碱处理、水热处理、电化学沉积、溶胶-凝胶法)影响氧化钛纳米管生物功能性的研究进展进行了综合评述,总结了氧化钛纳米管作为药物载体在药物缓释、响应性释放和疾病检测等生物功能化方面的进展情况,提出了对氧化钛纳米管生物功能化研究的一些问题,并展望了其未来发展方向。     

钛合金表面激光熔覆AlBxCoCrNiTi高熵合金涂层的组织与性能

目的研究AlB_xCoCrNiTi(x=0、0.5、1)高熵合金涂层的组织及性能,提高钛合金表面硬度及耐磨性。方法采用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备出AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层,运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)等材料分析手段,研究了B含量对高熵合金涂层形貌、组织结构、成分的影响,并采用维氏硬度计以及摩擦磨损试验检测了熔覆涂层的硬度和耐磨性能。结果高熵合金涂层与基体的整体结合形貌良好。未添加B的高熵合金涂层主要由BCC相和晶体结构类似(Co,Ni)Ti_2相组成。随着B的加入,高熵合金涂层的晶粒得到细化,BCC相含量增加,(Co,Ni)Ti_2相含量有所减少,且熔覆层原位生成了TiB_2硬质相,TiB_2硬质相含量随B含量的增加而增加。熔覆涂层的硬度和耐磨性与B含量呈正相关关系,AlB_1CoCrNiTi高熵合金涂层的平均显微硬度最大,为814HV,且AlB_1CoCrNiTi高熵合金涂层的磨损量最小,其耐磨性约为未添加B的高熵合金涂层的7倍。结论 B含量的增加,有助于改善AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层的摩擦学性能,AlB_xCoCrNiTi高熵合金涂层有效提高了钛合金表面的硬度及耐磨性能。     

碱热处理对Ti-3Cu合金表面特征及抗菌性能的影响

研究了碱热处理对抗菌钛合金显微组织、表面粗糙度、接触角及抗菌性的影响规律,探讨了碱热处理应用于Ti-3Cu表面生物改性的可能性。结果表明:碱热处理后在钛合金表面形成一层钛酸盐凝胶层,表面分布有大量尺寸约100nm的纳米级微孔,这使得合金的粗糙度降低,但合金表面的亲水性提高。合金表面钛酸盐凝胶层的形成使得合金的抗菌性能由处理前的92%降低到碱热处理后的71%。细菌的粘附实验也证实碱热处理一定程度上降低了合金的抗菌性能。分析认为,表面形成的钛酸盐凝胶层部分阻断了合金中抗菌相Ti_2Cu与细菌的接触,因此降低了合金的抗菌效果。     

微弧离子沉积阻燃涂层及其性能

采用微弧离子表面改性技术在TC11合金表面制备阻燃涂层,采用扫描电镜、透射电镜、XRD等方法分析了阻燃涂层组织及物相,采用“钛火”液滴法试验平台测试了TC11钛合金在300～700 ℃之间的燃烧参数,验证了同等试验条件下带有阻燃涂层TC11钛合金试样在300～700 ℃之间的阻燃有效性. 结果表明,制备的阻燃涂层主要由TiZr非晶相组成,涂层致密,与基体为冶金结合,700 ℃以内具有一定的阻燃性能,分析阻燃涂层的阻燃机理主要为涂层吸收能量,减小基体对热量的吸收,同时阻止钛合金与氧接触机制来阻燃.     

镁合金和钛合金表面着色工艺研究进展

表面着色技术能在材料表面形成不同颜色的保护性膜层,在提高材料表面性能的同时,又可赋予产品漂亮的外观或实现消光等目的。表面着色有两种形式:一是,所生成的化合物自身具有一定的颜色;二是,光线的反射、折射、干涉等效应而使表面呈现不同颜色。作为两类重要的结构材料,镁合金和钛合金因其各自优良的性质被应用于诸多领域。综述了镁合金和钛合金表面着色工艺研究进展,介绍了镁合金和钛合金表面着色工艺研究及应用现状。镁合金表面着色工艺包括:化学转化+喷涂、金属涂层、有机涂层、阳极氧化和微弧氧化;钛合金表面着色工艺包括:热氧化、化学氧化、阳极氧化和微弧氧化。列举了应用于镁合金和钛合金表面着色的具体工艺参数,总结了两种合金表面着色的具体应用。镁合金和钛合金部件经表面着色处理后,可以兼顾轻量化和强度要求,并实现部件外观的装饰性。基于镁合金和钛合金表面着色工艺研究的现有成果,对镁合金和钛合金表面着色的研究提出了一定展望。     

生物医用镁合金表面改性涂层研究进展

镁合金凭借其优异的生物安全性、良好的载荷传递性及独特的降解性,在医用植入领域表现出巨大的应用潜力和发展前景。然而镁合金在生理环境下的腐蚀溶解速率过快,导致材料力学性能衰减加速进而过早失效。表面改性作为镁合金耐蚀性能提升的重要途径,不仅能通过表层物理屏障的形成来减缓金属材料的溶解速率,还能抑制合金内部腐蚀电偶反应的强烈程度及调控其生物相容性。概述了典型表面改性工艺的技术优势,包括涂层在合金表面的多覆盖度、高膜层厚度、强附着力以及良好生物相容性等。同时归纳了几种表面改性工艺所存在的问题,包括较差的长期耐蚀性、低应力承受能力以及技术安全性等。在此基础上,重点综述了近年来镁合金表面改性涂层的最新研究动态,其中简要介绍了化学转化、微弧氧化、等离子喷涂等几种常见的表面改性涂层形成机制。系统阐述了涂层对镁合金降解过程和生物相容性的影响规律,以及部分元素或粒子对涂层微观结构以及生物性能的作用机理。最后展望了医用镁合金表面改性涂层的发展方向。