医用钛合金表面改性及其生物摩擦学的研究进展

综述了医用钛合金常用的化学改性和物理改性方法,介绍了改性后涂层的生物摩擦学性能,并对医用钛合金在提高耐磨性方面的改性技术进行了展望。提出了工艺改进和新材料开发等方面的建议。     

钛合金表面的改性研究

钛及钛合全国有高比强、良好的耐蚀性和生物相容性而广泛应用于航空、化学和生物工业，但它们耐磨性差，且在某些苛刻环境下，例如高温还原性酸，耐用蚀性不好，而对热氯化物溶液的缝隙腐蚀性出班，这也限制了它们在某些近海处和某些化工领垃中的应用．近几年来，钛合金的环境行为的研究目标是降低成本，提高耐腐蚀性能和／或既有高的力学性能又有良好的耐腐蚀性能．在正常条件下，钛的表面生成一种十分稳定而连续的、结合牢固的氧化物保护膜，因此通常有良好的耐蚀性能．长期以来，人们一直认为能够增厚和韧化氧化物保护改的任何表面处理法…     

生物医用近β钛合金TLM表面官能化的研究

在新型近β钛合金Ti-3Zr-2Sn-3Mo-15Nb(TLM)表面用溶胶-凝胶法镀上一层TiO2薄膜,在500～1000℃热处理后,将薄膜分别用过硫酸钾溶液、双氧水/硫酸混合溶液、双氧水/盐酸混合溶液3种溶液处理以在薄膜表面引入活性OH.研究了3种不同溶液的处理效果以及处理时间对薄膜表面引入OH的影响.检测结果表明,3种溶液处理后均能在薄膜表面引入OH.双氧水和硫酸溶液及双氧水和盐酸溶液处理3 h后OH-密度就可达到峰值,而过硫酸钾溶液处理5 h后OH-浓度才能达到峰值,过硫酸钾溶液处理效果最好,其余两种溶液处理效果基本相同.薄膜表面引入OH-后,对蒸馏水的接触角降低,亲水性更好.     

医用近β型钛合金TLM的水热预钙化与生物活性

医用近β型钛合金TLM(Ti-25Nb-3Zr-2Sn-3Mo)具有优良的力学和生物学性能,采用CaCl2溶液对TLM合金进行水热处理,以达到预钙化的目的。TLM合金经过纯水水热处理后,表面形成了锐钛矿二氧化钛(含五氧化二铌)的纳米颗粒薄膜;采用10 mmol/L CaCl2溶液进行水热处理时,颗粒尺寸减小,检测到钙元素;当CaCl2溶液的浓度升高到100 mmol/L时,结晶颗粒消失,形成了钙的化合物薄膜。水热处理试样在模拟体液中浸泡3 d后,表面均有磷酸钙沉积物生成,前2种试样检测到磷灰石的弱衍射峰。CaCl2溶液水热处理预钙化方法可用于多孔钛及多孔钛合金的生物活性表面改性,该方法具有改性层厚度薄,消耗溶质和溶剂少,反应物扩散快,处理温度较低,工艺简便等优点。     

生物医用TLM钛合金毛细管的电化学抛光研究

本研究采用机械搅拌直流法对TLM钛合金毛细管进行电化学抛光,用激光扫描共焦显微镜分析了TLM钛合金毛细管的表面粗糙度及表面形貌,并对其进行电化学腐蚀性能的测试。研究了不同操作条件和工艺参数对合金表面抛光质量的影响,并确定了最佳的电解抛光工艺参数及操作条件。     

低模量钛合金表面水热法制备含银二氧化钛抗菌薄膜

目的提高医用低模量近β型TLM(Ti-25Nb-3Zr-2Sn-3Mo)钛合金的抗菌性能。方法在200℃条件下,在硝酸银溶液中对TLM合金分别进行12,24 h水热处理,在其表面制备含银Ti O2抗菌薄膜。通过SEM,XRD,XPS等表征薄膜的微观结构及状态。以去离子水水热处理TLM合金作为参照,比较薄膜的亲水性,并采用抑菌圈法研究其抗菌性能。结果 SEM,XRD及XPS分析表明,水热处理后,TLM合金表面形成了Ti O2纳米晶粒组成的薄膜,薄膜中的钛和铌分别以Ti O2和Nb2O5形式存在,银以金属态存在。接触角测试结果表明,水热处理试样表面具有良好的光致亲水性,紫外光照射30 min后,水接触角从108°降低到10°以下。抗菌实验中,水热处理试样在对大肠杆菌和金黄葡萄球菌培养24 h后,产生了明显的抑菌圈,相比之下,对金黄葡萄球菌的抑菌圈较宽。结论硝酸银溶液水热法在医用钛合金表面可以合成含银Ti O2薄膜,具有工艺简便、处理温度低、抗菌效果明显等优点。     

热处理对医用TLM钛合金硬度及成形性能的影响

对TLM钛合金进行了不同热处理条件下的室温硬度测试、杯突试验和弯曲试验。结果表明,固溶处理后合金板材的杯突值IE为4.7~ 5.8 mm,最大弯曲角为180°,显微硬度为226 ~ 236 HV0.1。时效处理后板材的杯突值IE为1.9 ~ 3.1 mm,最大弯曲角为77° ~ 153°,显微硬度为240 ~ 403 HV0.1。同时,结合文献还定性地得到了相组织对板材硬度及成形性能的影响关系。     

新型医用TLM钛合金管材加工工艺及性能研究

选择同样规格管坯进行了：①变形量ε分别为15％，28％，34％，40％的冷轧变形实验；②Q值为0．86，1．15，2．62的冷轧变形实验；③加热温度分别为680，715，730，820℃，均保温1h的中间退火实验；④5种热处理工艺制度实验；⑤冷轧和拉拔2种不同加工方式实验。实验后用10％HF＋30％HNO3＋60％H2O酸洗液对管材表面进行处理，之后测试管材的力学性能。结果表明，该合金的变形量（ε）应选在30％～35％之间，Q值控制在2以下；中间退火温度应选在相变点以上，此时可获得最高的合金塑性，具有优良的冷加工性能；最终热处理应先在750℃固溶处理，然后再在510℃时效处理4h可以得到塑性和强度匹配良好的管材。另外，采用轧制方法生产出的管材强度较高，塑性较低，表质量好，而采用拉拔方法生产出的管材塑性较高，强度略低，表面光洁度差。     

镍钛合金表面钛酸锶生物薄膜的水热合成

目的：改善镍钛合金的耐蚀性和添加锶离子用于治疗骨质疏松症。方法采用氢氧化钠和硝酸锶混合溶液对镍钛合金进行水热处理,处理温度180℃,处理时间分别为1、3和6 h。采用扫描电镜、X射线能谱、X射线衍射和X射线光电子能谱对试样进行显微结构和化学成分分析,采用接触角测量仪评价试样的亲水性,在无钙Hank’s平衡盐液中进行动电位极化实验评价试样的耐蚀性,采用粘结拉伸法测量钛酸锶薄膜与镍钛合金基体之间的结合强度。结果镍钛合金经过水热处理后表面形成了由钛酸锶颗粒组成的薄膜,颗粒尺寸约240~490 nm,薄膜中含有少量镍元素。抛光镍钛试样的水接触角约70°,水热处理试样的接触角大幅上升,达到120°左右。在钝化区内,水热处理3 h试样的阳极电流密度比抛光试样降低了大约一个数量级,因此水热处理试样具有更好的耐蚀性。水热处理3 h制备的钛酸锶薄膜与镍钛基体之间的表观结合强度值为14.1 MPa。结论水热处理不仅改善了镍钛合金的耐蚀性,也在合金表面添加了锶离子,可用于治疗骨质疏松症。     

钛合金植入物材料的表面改性研究进展

简介了钛合金植入物材料的开发及表面改性技术。     

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。     

用高能束流进行钛合金表面改性

概述了利用高能束流进行材料表面改性的技术及其对钛合金表面改性的应用。这些技术包括激光固态相变强化处理,激光表面熔凝处理、激光表面合金化、离子注入、离子束混合和离子束辅助气相沉积。钛合金经高能束流表面改性处理可以提高其表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。     

医用钛及钛合金表面活化改性方法

本发明公开了一种医用钛及钛合金表面活化改性方法。该方法是将清洗、烘干的钛或钛合金表面先经化学处理，然后再清洗，烘干，最后在高温下处理。其特征在于高温处理是用火焰对钛或钛合金表面进行加热，使表层温度达到400℃～700℃，与此同时还对钛或钛合金基底进行冷却，使基底温度小于200℃。本发明提供的方法简单，易于实施，     

表面肝素改性TLM钛合金的血液相容性评价

在新型近β钛合金TLM(Ti-3Zr2Sn-3Mo-25Nb)表面用溶胶-凝胶法镀上一层TiO2薄膜,再将薄膜依次用羟基化溶液和胺基化溶液处理以在薄膜表面引入活性OH-和NH2-,然后通过该活性官能团将肝素共价键接在薄膜表面.利用XRD、SEM和EDS研究了TiO2薄膜的相结构和表面特性:通过测定材料表面的接触角、溶血率和血小板黏附行为对肝素化TLM合金的血液相容性进行分析、评价.结果表明,表面肝素化处理后TLM合金的血液相容性得到了明显的改善.     

钛合金等离子体表面渗氮改性的研究进展

钛合金具有强度高、耐蚀性好、稳定性好、生物相容性强等特性,在航天航空等行业具有广阔的应用前景,但其硬度低、耐磨性差,使其应用受到了限制。对钛合金进行等离子体表面渗氮强化处理是目前应用较为广泛的技术。本文将对钛合金的直流辉光离子渗氮、活性屏离子渗氮、辅助阴极离子渗氮、空心阴极辅助离子渗氮、激光辅助离子渗氮以及氮离子注入技术等表面等离子体渗氮工艺进行综述。     

医用TC4钛合金激光-化学复合抛光及表面形貌演化

表面粗糙度是医疗器械构件最重要的质量特征之一,然而现有的激光抛光、化学抛光等单一表面抛光技术存在一定局限性。针对医用 TC4 钛合金表面的精密抛光需求,设计并搭建一套激光-化学复合抛光系统,通过激光-化学复合加工材料去除机理分析和开展 TC4 钛合金的激光-化学复合抛光试验,深入探究复合抛光过程中不同抛光阶段材料表面形貌的演变过程及粗糙度变化并进行分析,进而明确激光-化学复合抛光机理。研究结果表明,激光-化学复合抛光材料去除是基于激光热-力效应与激光诱导化学腐蚀溶解共同作用的结果,而且两者具有一定协同效应,在适当的工艺窗口内,化学腐蚀溶解可以完全去除激光烧蚀产生的残渣和重熔物。激光辐照会在工件表面“峰-谷”区域产生温度差,进而导致化学溶解速率差异,即“山峰”区域溶解速率快,“山谷”区域溶解速率慢,从而实现表面粗糙度的降低。最后采用合适的工艺参数,优化了抛光效果, 实现了医用 TC4 钛合金的选择性精密抛光,激光辐照区域表面粗糙度 Ra 由初始的 5.230 μm 下降至 0.225 μm, Sa 由初始的 8.630 μm 下降至 0.571 μm,分别下降 95.7%和 93.4%。研究结果可为钛合金或其他自钝化金属的精密抛光提供参考。     

生物医用钛合金的研究进展

钛合金具有较低的弹性模量、优异的耐腐蚀性能和生物相容性,是理想的生物医用材料.综述了医用钛合金的发展过程及新型医用β钛合金的研究现状,以及开发的新合金系列.目前开发的医用钛合金中,Ti-35Nb-7Zr-5Ta和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金的弹性模量为55 GPa,与致密骨的弹性模量很接近,与人体骨有较好的...     

钛合金表面清理技术分析

用机械法、化学法或机械与化学相结合的方法，对钛合金表面在加工过程中形成的氧化层进行了清理。清理的目的是使钛合 应用中表面不产生局部腐蚀，清理后钛合金表层不应产生大的应力和渗氢。对清理过的钛合金表面进行扫描电镜观察，清理效果达到了技术要求。     

医用钛合金表面TiO_2覆膜生物改性的研究

在新型近B钛合金Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb表面分别用3种微弧氧化法(普通微弧氧化、复相微弧氧化、紫外照射微弧氧化)和优化溶胶.凝胶法镀上一层TiO2薄膜,考察了各种薄膜的表面微观结构、与基体的结合强度以及亲水性和抗腐蚀性能.XRD和SEM测试结果表明,3种微弧氧化膜主要由金红石相和锐钛矿相组成,表面布满微孔,普通微弧氧化法和紫外光照射微弧氧化法制备的薄膜表面较为光滑,与基体的结合强度为53 Mpa,略高于复相微弧氧化膜;溶胶一凝胶膜主要由锐钛矿组成,表面最为光滑致密.与基体的结合强度为32 Mpa.接触角测试结果表明,紫外光照射微弧氧化膜的表面亲水性最好,溶胶-凝胶膜的亲水性要好于普通微弧氧化膜和复相微弧氧化膜;电化学腐蚀试验显示,4种TiO2薄膜都具有较好的抗腐蚀性能,而普通微弧氧化膜的抗腐蚀能力最好.     

强流脉冲电子束表面改性TA15钛合金的耐磨耐蚀性能

本文研究了在不同的加速电压和脉冲次数下,强流脉冲电子束处理对TA15钛合金耐磨性能及耐腐蚀性能的影响.结果显示,经过以合理工艺参数的电子束处理后,TA15钛合金的耐磨性能比原始样品提高了近3倍;同时,腐蚀性能也有明显的提高.利用光学显微镜分析发现,处理样品表面出现了典型的熔坑形貌.