NiTi合金生物医用材料表面改性的研究进展

NiTi合金由于其形状记忆效应、超弹性和低模量等优良性能在生物医学领域得到广泛应用。然而,在生理环境中镍离子释放会诱发毒性和炎性反应,因此需要对其进行表面改性。从表面氧化、表面涂层和表面接枝大分子等方面综述了近年来国内外NiTi合金表面改性的研究进展,评述了各种表面改性技术的优势和缺陷,指明了NiTi合金表面改性的未来发展趋势。     

NiTi形状记忆合金表面改性的研究进展

近等原子比的NiTi合金以其优异的特性在临床医学得到广泛应用,但是由于Ni离子溶出引致的潜在生物毒性以及无生物活性,抑制了NiTi合金在生物医用领域的进一步发展。为了改善上述缺陷,对NiTi合金进行表面处理成为当前国内外NiTi合金研究的热点。从不同的改性工艺出发,全面阐述了近年来国内外对致密态和多孔态NiTi合金进行表面改性的研究进展,对各种方法可能出现的问题进行了分析,指出现有的各种表面改性方法不能有效实现对多孔NiTi合金内部孔隙进行改性,并针对这一症结提出了采用原位氮化法对多孔NiTi合金进行改性的可行性。     

医用NiTi形状记忆合金表面氧化改性研究进展

氧化是NiTi形状记忆合金表面改性的重要手段,常用的氧化工艺包括热氧化、微弧氧化、阳极氧化和化学氧化。虽然四种工艺都依靠合金自身的Ti元素在合金表面原位生成以晶态或非晶态TiO2为主的氧化膜,但四种氧化工艺的原理及所制备的膜层形貌、结构等均不相同。本文评述了四种表面改性工艺的优势和缺陷,并对NiTi合金表面改性的发展方向进行了展望。     

NiTi 合金表面激光原位反应合成TiN增强金属基复合材料涂层

采用连续高功率固体Nd-YA G激光辐照, 使预置于NiTi 合金表面的Ti 粉在N₂ 环境中形成TiN 增强Ti 基复合材料涂层。选择适当的激光辐照工艺参数, 获得致密的TiN 增强金属基复合材料激光改性层。SEM 观察及EDAX 成分分析结果表明, TiN/ Ti 金属基复合材料表面改性层与基体NiTi 合金存在良好的冶金结合, 界面处成分均匀过渡, 表面Ni 含量极低。显微硬度测试及磨损实验表明, TiN/ Ti 金属基复合材料改性层显著提高了NiTi 合金的表面硬度和耐磨性, 激光表面改性层可有效地改善NiTi 合金作为生物医学材料使用的表面成分和性能。      

表面氧化及离子注氮对NiTi形状记忆合金耐腐蚀性能的影响

采用电化学测试的方法，研究了表面氧化以及表面氧化-离子注氮两种表面改性方式对NiTi形状记忆合金在人体生理模拟液(Hank′s溶液)中腐蚀行为的影响。腐蚀电位和极化曲线的测量结果表明表面氧化-离子注氮的方法使NiTi合金材料的腐蚀电位正移。雏钝电流密度下降，钝化电位区间扩大，合金表面耐蚀性明显提高。尤其是NiTi合金在进行氮离子注入后，测得击穿电位显著上升．增强了表面膜的抗局部腐蚀能力。因而表面氧化-离子注氮的改性方法可使材料的耐蚀性达到最佳。通过XPS的分析发现，离子注氮后合金表面形成氮化钛相以及富含羟基的化学效应，使NiTi基体的电化学性能得到提高。     

NiTi合金表面液相阴极等离子体沉积氧化铝陶瓷涂层的研究

在NiTi合金表面通过液相阴极等离子体技术制备了氧化铝(Al2O3)陶瓷涂层。采用X射线衍射和扫描电镜对涂层的相组成以及表面形貌进行了表征和分析,证实在材料表面形成了由α-Al2O3和γ-Al2O3组成的涂层,发现涂层具有粗糙多孔结构。在模拟体液中对NiTi合金的Ni离子释放情况进行了检测,发现液相阴极等离子体改性后显著降低了Ni离子的释放。为NiTi合金植入体的表面改性提供了一条新途径。     

医用NiTi合金表面改性的研究进展

近等原子比NiTi合金具有独特的力学性能,如形状记忆效应、超弹性和高阻尼效应,已成为一种新型的整形外科植入材料.但是,镍元素在生理条件下可能溶出,诱发毒性和炎性反应,限制了其在临床的广泛应用.分类介绍了几种可行的表面改性方法,均能有效地抑制镍离子的溶出,改善NiTi合金的抗腐蚀性和生物相容性,包括表面惰性涂层化、表面氧化、表面活性化和表面接枝大分子等.     

溶胶-凝胶法制备TiO2与SiO2-TiO2薄膜对医用NiTi合金的表面改性

采用溶胶－凝胶法制备TiO2与SiO2-TiO2薄膜，对医用NiTi合金进行表面改性处理，利用X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、划痕试验和电化学腐蚀试验等手段系统研究了薄膜结构、形态及性能。通过动态凝血时间和血小板粘附的测量研究和评价了薄膜的体外血液相容性。结果表明，在一定范围内，较高热处理温度有利于薄膜与基体间的结合强度和耐腐蚀性的提高；NiTi合金表面镀TiO2与SiO2-TiO2薄膜后，其血液相容性明显提高。     

离子束合成TiO2薄膜对医用NiTi合金表面的改性

采用离子束增强沉积法制备TiO2薄膜,对医用NiTi合金进行表面改性处理。系统研究了薄膜的表面组成、结构、形貌及耐蚀性、亲水性等与血液相容性相关的表面性质。NiTi合金表面沉积TiO2薄膜后,抗模拟体液的腐蚀性提高,凝血时间延长。为进一步提高TiO2薄膜的抗凝血性,对TiO2薄膜的进一步表面改性－表面结合肝素分子进行了初步尝试,结果表明,薄膜表面组成发生变化,表面亲水性进一步提高。     

不同温度下纯Ni/NiTi合金的摩擦特性研究

NiTi合金具有形状记忆效应及超弹性特性,使得它与其他一般材料的摩擦特性有很大不同。为从微观角度揭示其摩擦特性,利用分子动力学研究了不同温度下纯Ni和NiTi合金的压/划痕过程,并进一步通过对比分析不同温度下纯Ni和NiTi合金在压/划痕过程中原子结构、表面形貌、摩擦力和摩擦系数的变化,研究了温度对NiTi合金摩擦系数的影响。结果表明,温度对NiTi合金摩擦性能的影响显著,在300～500 K范围内,温度越低,摩擦力与摩擦系数越小,这是由于在刻划过程中NiTi合金发生马氏体相变,NiTi合金表面向下凹陷,减少了NiTi表面与压头的接触,降低了对压头的阻碍,使摩擦力与摩擦系数大幅降低;当温度升高时,马氏体相变减少,NiTi合金的表面凹陷减少,使压头与NiTi合金的接触面积增大,阻碍增大,从而使得摩擦力和摩擦系数变大。而没有相变机制的金属Ni在刻划过程中,主要产生塑性形变,温度对其摩擦性能无显著影响。可见,温度对NiTi形状记忆合金的摩擦性能具备一定调控能力,可以通过控制温度达到减少磨损的目的,这可为延长NiTi合金元件的使用寿命提供理论基础和指导。     

激光表面改性对NiTi形状记忆合金腐蚀行为的影响

采用连续波Nd：YAG固体激光,在NiTi形状记忆合金表面制备出表面致密、无7L洞和裂纹的氮化层,测试了这种激光改性层在37℃模拟人体体液Hank’s溶液中的电化学阳极极化曲线和交流阻抗谱,研究了改性层的腐蚀行为．结果表明,NiTi合金氮化层的腐蚀电位和击穿电位正移,反应转移电阻明显提高,而腐蚀电流及界面电容下降．这说明激光气体氮化有效地改善了NiTi形状记忆合金在模拟人体体液中的电化学抗腐蚀性能．     

NiTi合金生物医用材料表面改性的研究进展

NiTi形状记忆合金作为重要的生物医用材料已经获得了广泛的应用,但Ni离子在人体环境中的释放引起了人们的忧虑.系统介绍了近年来表面改性提高NiTi合金生物相容性的主要方法、技术特点和优势.在众多的研究方法中,热氧化和自组装方法因具有工艺简单、成本低等优点而最具工业应用前景.有关NiTi合金表面涂层与细胞和血液的相互作用机理的研究亟待加强,微观方面应重视基因水平的评价,宏观方面应加强活体植入的研究.研究机构应与产业界密切配合,进一步推动相关涂层的产业化进程.     

磁控溅射制备TiO2薄膜对医用NiTi合金弹簧圈的表面改性

采用非平衡磁控溅射法制备了3种TiO2薄膜,对医用NiTi合金弹簧圈进行了表面改性处理.运用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)﹑扫描电子显微镜(SEM)等手段系统研究了薄膜的表面结构、成分、微观形貌等,同时对薄膜的接触角进行了测试.通过血小板粘附和人脐静脉内皮细胞种植试验研究和评价了薄膜的血栓形成能力和内皮化性能.结果表明,医用NiTi合金弹簧圈表面镀一定结构和性质的TiO2薄膜后,其血栓形成能力和内皮化性能得到明显提高.     

医用镍钛合金表面多层薄膜的制备及摩擦磨损和耐腐蚀性能

采用阳极氧化技术和射频磁控溅射技术在NiTi合金表面分别制备了TiO2薄膜以及Ti/TiN/TiO2多层薄膜。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、摩擦磨损试验仪及电化学工作站等仪器对薄膜的形貌、结构、摩擦磨损性能及耐腐蚀性能进行了研究。结果表明,NiTi合金经表面处理后,其摩擦磨损性能和耐腐蚀性能均得以不同程度的改善,其中阳极氧化和磁控溅射复合处理的NiTi合金的耐磨性和耐蚀性具有最佳的配合。     

医用镍钛合金表面涂覆技术研究概述

镍钛(NiTi)合金因其优异的形状记忆和超弹性性能,良好的耐腐蚀性和生物相容性,在生物医学领域得到了广泛应用。为了避免直接使用可能出现的生物不相容和细胞毒性,采用表面涂覆技术在合金表面涂覆纳米到微米量级厚度的功能薄膜,使其具有比基体更优良的生物相容性、抗腐蚀性和耐磨性等特殊功能。表面涂覆技术与其它表面改性技术相比,具有约束条件少、技术类型广、材料选择空间大等优势,目前应用最为广泛。对电化学沉积、等离子喷涂、磁控溅射、溶胶凝胶法、浸涂技术制备的涂层微观结构、力学性能和耐腐蚀等性能进行综述,并分析各技术的优缺点。随着涂覆技术的发展及制备涂层性能的进一步提高,NiTi合金在牙齿矫正丝、人工关节骨茎、血管成形环等多种医疗领域中的应用将更加广泛和深入。     

NiTi根管锉镀膜改性的研究现状与进展

对NiTi根管锉在临床医疗上的使用情况和存在的问题进行了介绍,引出NiTi根管锉的表面改性需求和方法,并针对现有的各种镀覆改性膜层的制备技术、成分、性能进行了详细讨论,指出不同膜层在性能上的优势和局限,对镀膜NiTi根管锉的性能要求和表面改性膜层的发展进行了展望。     

激光表面重熔NiTi合金Hanks''''溶液中腐蚀及Ni离子溶出行为

近等原子比NiTi合金以其独特的形状记忆效应、超弹性和射线不透性等性能而成为制备植入体的理想材料.本文利用光学显微镜、电子显微镜、X射线衍射、电化学极化测试、原子吸收光谱等研究了激光重熔NiTi合金的显微组织、表面特征、在人体模拟液中的耐腐蚀性能和Ni离子溶出行为;结果表明激光表面重熔可以显著改善NiTi合金在Hanks'溶液中的耐腐蚀能力,重熔层显微组织致密,夹杂物极少.重熔层外表面TiO2含量明显提高,试样在Hanks'溶液中浸泡15天后表面有Ca-P层生成.     

多元氮化物薄膜及其沉积工艺对NiTi记忆合金性能和组织的影响

采用真空阴极电弧沉积技术,在NiTi记忆合金表面沉积了TiAlBN和TiAlCrFeSiBN多元膜和TiN薄膜,研究了薄膜成份及沉积工艺对NiTi合金性能和组织的影响.结果表明,在NiTi合金表面沉积TiAlBN和TiAlCrFeSiBN多元膜和TiN薄膜均可降低合金在Hank溶液中的Ni溶出速率,其中多元膜的Ni溶出速率最小;提高偏压对沉积了TiAlBN多元膜的NiTi合金的Ni溶出速率无明显影响,但使沉积了TiAlCrFeSiBN膜的NiTi合金的Ni溶出速率降低.在TiAlBN和TiAlCrFeSiBN多元膜表面存在较多细小的钛滴和孔隙,钛滴与薄膜基体之间的融合良好;在TiN薄膜表面存在一些大钛滴和孔隙,钛滴与薄膜基体之间的融合不好.镀膜后,NiTi基体的加热相变点移向低温区,其幅度与薄膜成份及沉积工艺有关,提高偏压使沉积了两种多元膜的NiTi基体的相变点移动幅度增大,但却使沉积了TiN膜的NiTi基体的相变点的移动幅度减小.镀膜过程均使NiTi中的M体尺寸增大.     

NiTi合金表面低温等离子体接枝类PEG研究

众所周知表面接枝类聚乙二醇(PEG)可以改善材料的生物相容性.本文研究了氧/二(乙二醇)甲醚低温等离子体条件下NiTi合金表面接枝PEG结构及其性质.经X射线光电子能谱(XPS)、衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)、扫描电镜(SEM)和水接触角的分析和表征,证实沉积的涂层为类PEG结构,表面主要聚集大量(-CH2-CH2-O)n键;与改性前相比,接枝后的NiTi合金亲水性有较大提高.     

多孔NiTi记忆合金化学氧化和热氧化表面改性的对比研究

研究了多孔NiTi记忆合金在H2O2＋HCl溶液中的低温化学氧化过程和500℃的高温热氧化过程。通过对比分析2种表面氧化处理后合金表面氧化膜的形貌、Ni/Ti比及膜层生长动力学曲线,探讨了多孔NiTi合金表面和孔内氧化膜的生长特点。结果表明,利用2种表面氧化技术在合金表面和孔内获得的氧化膜Ni含量均明显低于基体,且合金孔内氧化膜Ni含量低于表面氧化膜;多孔NiTi合金孔内的氧化对于与氧亲和力弱的Ni而言更加困难,孔内氧化膜的生长速率低于表面氧化膜的生长速率。