钛合金植入体表面微纳结构构建及其生物活性（英文）

医用植入物的表面改性是改善细胞行为、提高植入体骨整合的一种有效方法。通过激光加工及多重酸蚀在钛合金表面制备出微纳复合结构。采用SEM对钛合表面形貌进行表征。通过对不同表面形貌的植入体进行体外细胞培养,观察羟基磷灰石的形成、细胞形态及细胞粘附,分析不同表面形貌的生物活性。结果表明:微米结构表面能够促进成骨细胞粘附与铺展;与微米结构表面相比,微纳复合结构表面更有利于细胞粘附与伸展。微纳复合结构能够提高钛合金植入体的生物活性及骨整合能力。     

钛及钛合金表面强化技术

介绍了钛及钛合金的表面强化处理技术，综合评述了钛及钛合金表面氮化、渗碳和激光熔覆技术的发展现状。根据目前的研究趋势指出：今后对钛及钛合金表面强化处理技术，应结合各种工艺技术的特点制备多层复合涂层，以及涂层 渗层的思想进行研究。作者认为，降低表面改性层处理成本，使表面处理工艺更加简单．同时综合多种表面处理技术的优点，提高表面改性层的综合性能是钛及钛合金表面强化技术今后的研究方向。     

生物医用钛植入体表面微纳结构与生物活性离子对生物相容性影响研究综述

生物医用钛植入体的表面微观形貌及化学组成作为影响植入体生物相容性的重要因素,决定了植入的稳定性和使用寿命,得到广泛研究,对钛植入体的表面改性研究现状进行系统梳理变得极为重要。针对钛植入体表面微纳米复合结构的构建及添加典型生物活性离子的研究现状进行综述,以及二者的结合对促进细胞黏附、增殖、分化和促进动物体内成骨的协同效应,简述微纳米复合结构对细胞行为的内在调控机制。结果表明,钛植入体表面的微纳米复合结构及生物活性离子对细胞的行为均表现出积极作用,兼具二者的植入体能够更好地促进细胞的黏附、增殖及分化,植入动物体内后更有利于植入体与周围组织的骨性整合。最后,根据当前生物医用钛植入体表面改性研究中存在的抗菌性能较差、对细胞的影响机制不明确等问题,提出植入体在表面改性领域的研究趋势。提出了钛植入体表面改性领域微纳结构构建和生物活性离子添加的研究现状和未来的发展方向,填补了钛植入体表面改性领域目前缺少综述文章来引领的空白,可为未来钛植入体的表面改性的发展提供借鉴。     

医用钛植入体激光微纹理生物性能研究进展

医用钛合金具有强度高、弹性模量低、疲劳性能好、密度最接近人骨等优点,被广泛应用于临床医学牙科和骨移植等领域。目前较常用的医用钛合金表面加工方法包括机械加工、酸蚀、喷砂、等离子喷涂和激光加工等。通过对比分析,激光加工表现出明显优势,与化学或传统物理加工方法相比,采用激光加工医用钛植入体表面具有高效、清洁、准确、柔性等优势。应用各类脉冲激光器,可以在植入体表面加工特定的表面纹理和纹理组合,改善植入体的生物相容性。归纳了植入体表面纹理对植入环境的影响,表面纹理形状、粗糙度和润湿性等表面特性直接影响细胞组织的黏附、生长和增殖,对细胞生长具有接触导向作用。通过调控激光通量、脉冲频率、扫描速度和脉冲宽度等激光参量可对表面纹理的规则性、准确性、尺寸、氧化程度等特征产生不同影响,进而影响医用钛植入体的表面微观形貌、粗糙度、硬度和润湿性,使其在生物环境中获得更好的服役性能。通过激光加工获得的理想医用钛植入体表面可有效避免植入体表面细菌的滋生,降低发病率,提高植入成功率。经激光加工后,医用钛植入体表面会出现不同程度的裂纹,导致在服役过程中植入体表面产生的摩擦碎屑对植入体环境造成不良影响。通过综述以上各方面的研究进展可知,随着超短脉冲激光技术的发展和新型医用植入体材料β钛合金制备技术与工艺的完善,经激光加工后植入体将获得更理想的表面特性和服役性能。     

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。     

植入体微纳结构表面制备及生物相容性研究综述

生物医用钛合金植入体与骨细胞结合能力差一直是医学界面临的难题之一,表面形貌作为影响植入体生物相容性的重要因素,受到国内外学者的广泛研究。针对植入体表面微纳结构的国内外研究现状进行了叙述,重点介绍了植入体表面的微米结构、纳米结构、微纳米多级结构的制备及其对生物相容性的影响。综述表明：植入体表面合适的微米结构或纳米结构对细胞的行为表现出积极作用,能够增加植入体的生物活性和生物相容性;兼具微米与纳米多级结构表面的种植体表现出微米结构和纳米结构的协同效应,相对于单一的微米或纳米结构,能更好地促进骨整合。最后,针对医用钛合金植入体表面结构研究中存在的一些问题,指出了植入体表面结构的研究趋势。     

微纳超疏水钛合金表面的制备及其性能研究

目的 制备超疏水自清洁的Ti6Al4V合金表面。方法 首先使用飞秒激光在Ti6Al4V合金表面预制备微米级结构,然后将预制备的样品置于1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中,在超声水浴状态下进行电化学去合金,获得微纳米复合结构。经表面改性后,得到微纳超疏水钛合金表面。结果 经复合制备的微纳超疏水表面结构由微米级的梯形凸柱阵列,以及通过电化学去合金形成的三维纳米孔洞骨架和沉积的微米或亚微米金属氧化物组成。经过表面改性后,该微纳复合结构表面呈现优异的超疏水性,其接触角可达162.5°,滚动角低至3.4°。自清洁性能测试结果表明,该微纳超疏水钛合金表面展现出优异的低黏附性和自清洁性,1滴水对表面的清洁效率达到99.8%。激光加工参数与静态水接触角之间的关系表明,接触角与扫描间距呈负相关,与能量密度、重复次数呈正相关。结论 飞秒激光结合电化学去合金方法制备的具有微纳结构的钛合金表面呈现出优异的超疏水自清洁性能,通过改变激光加工参数能够有效增大表面的静态水接触角,为后续研究提供了一定参考。     

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。     

镍钛合金表面微纳结构构建及其疏水性能研究

基于相对自由能和润湿方程,从平行沟槽方向和垂直沟槽方向探究镍钛合金表面单向沟槽阵列结构的润湿机制,建立Wenzel态和Cassie-Baxter态下的液滴接触角模型,分析不同尺寸参数下的接触角理论值。通过微铣削加工技术对镍钛合金表面进行改性处理,加工出所需的微结构,并采用VHX 5000超景深三维显微镜和JC2000D1型接触角测量仪测量分析其表面形貌、尺寸参数以及实际接触角。结果表明：微铣削制备的镍钛合金表面阵列结构尺寸精度较好,结构边界完整,满足设计要求;平行方向的实际接触角随着柱宽的增大而减小,最大静态接触角为145.4°,与平行方向的Cassie-Baxter态接触角趋势相符;垂直方向的Cassie-Baxter态理论接触角在数值上等于镍钛合金表面的本征接触角;同时垂直方向的实际接触角与Wenzel态接触角趋势不符,误差在42.1°内。     

电解液对生物钛合金表面上纳米多孔层的影响

分别在1%HF+3%HNO_3水溶液和0.25%HN_4F+1%H_2O的乙二醇溶液中电化学阳极氧化Ti-5Zr-3Sn-5Mo-15Nb (TLM)合金(HF、HNO_3、H_2O为体积分数;HN_4F为质量分数,下同),结果在其表面上获得氧化物纳米多孔层.阳极氧化时所用的溶液对纳米多孔层的形貌(孔径、孔长和孔的有序性等)有明显影响.在1%HF+3%HNO_3水溶液中获得异向结构的氧化物纳米多孔层,其拥有较宽范围的孔径,在50～200 nm之间;孔长约500 nm.而在乙二醇溶液中,在不同的氧化电压和时间的条件下,可获得高度有序、垂直的氧化物纳米多孔层,即氧化物纳米管阵列层,管径在80～120 nm之间;管长可达190 μm.在TLM合金表面获得具有大的比表面积、以及几何结构为管状的氧化物纳米多孔层,其在TLM合金与相关的生物材料,如细胞和蛋白作用时,可提供新的作用环境.     

超疏水钛合金表面制备及其抗海洋生物附着性能

为提高钛合金抗海洋生物附着性能,采用激光刻蚀技术在Ti6Al4V合金表面构建不同间距的微米级点阵结构,利用聚合物基纳米复合材料构建微/纳双层结构,制备超疏水Ti6Al4V合金表面。用光学显微镜和扫描电镜表征其形貌;用接触角测量仪测量试样的表面接触角;用浅海挂板的方法测试试样的抗海洋生物附着污损性能。结果表明,具有单一微结构的Ti6Al4V合金表面为疏水表面。随着点阵间距的减小,接触角增大。当间距为50μm时,接触角可达131.8o,但试样的表面滚动角较大,将试样竖直甚至翻转,水滴都不滚落;具有微/纳双层结构的Ti6Al4V合金表面为超疏水表面,且随着点阵间距的减小接触角增大,滚动角减小。当间距为50μm时,接触角达163.8o,滚动角仅为1.89o。具有微/纳双层结构的超疏水Ti6Al4V合金表面抗海洋生物附着污损性能显著优于抛光Ti6Al4V合金表面及具有单一微结构的Ti6Al4V合金表面。     

钛合金表面高能喷丸纳米化后的组织与性能

通过光镜、扫描电镜、硬度仪和透射电镜对TC4钛合金表面高能喷丸纳米化后的金相组织、晶粒尺寸、显微硬度进行测试分析。结果表明,处理后材料表面平均晶粒尺寸达到了纳米量级;在横截面上沿深度方向的晶粒细化程度逐渐减小;随距被处理表面距离增加,硬度增加程度越来越小;随处理时间延长,表面硬度有增加的趋势。并对其纳米化机理进行了讨论。     

钛合金表面高能喷丸纳米化后的组织与性能

通过光镜、扫描电镜、硬度仪和透射电镜对TC4钛合金表面高能喷丸纳米化后的金相组织、晶粒尺寸、显微硬度进行测试分析。结果表明，处理后材料表面平均晶粒尺寸达到了纳米量级；在横截面上沿深度方向的晶粒细化程度逐渐减小；随距被处理表面距离增加，硬度增加程度越来越小；随处理时间延长。表面硬度有增加的趋势。并对其纳米化机理进行了讨论。     

超声加工滚压力对钛合金表层特性的影响

目的 研究钛合金超声滚压加工中的不同工艺参数对表层特性指标的影响,得到最佳工件表面质量的加工参数。方法 运用超声滚压加工技术,采用一维超声振动滚压装置和CA6140B/A型号的车床对钛合金TC4进行试验,并结合赫兹接触理论建立滚压力与残余应力的理论模型。采用ABAQUS仿真分析滚压力对残余应力的影响。结果 对比分析发现,仿真结果的变化趋势和试验结果相同,即在其他加工参数不变的条件下,表面残余应力随着滚压力的增加,呈现先增大后减小的趋势,在静压力600 N时的残余应力值最大。通过超景深和粗糙度仪测得,超声滚压力600 N时,表面粗糙度达到最小,在500~800 N时能获得较好的表明质量,超过800 N后会对表面产生损伤,出现裂纹。由显微硬度仪测得,表面硬度和硬化程度则随着滚压力的增加而不断升高,说明表面硬度越大时,表面粗糙度并不是越小。通过金相组织图和XRD物相分析发现,随着滚压力的增大,塑性变形程度增加,β-Ti衍射峰越来越弱,晶粒细化程度越来越明显。结论 超声滚压力工艺参数在一定范围内会产生良好的加工效果。该研究为超声滚压钛合金材料奠定了理论基础。     

钛及钛合金渗硼技术的发展

介绍了近年来研发的提高钛及钛合金表面硬度和耐磨性的渗硼方法,包括气体渗硼、液体渗硼、固体渗硼、膏剂渗硼和等离子渗硼等。讨论了上述渗硼方法所获得的渗层的显微结构和性能及其应用范围。比较了各种渗硼方法的特点。展望了钛合金渗硼技术的发展和应用前景。     

新型医用钛合金Ti-12．5Zr-2．5Nb-2．5Ta的研究

按照临床上对外科植入材料的要求和现有医用钛合金存在的问题，制定了新合金设计的原则。确定了新合金添加合金化元素为Zr，Nb，Ta，合金的名义成分为Ti-12．5Zr-2．5Nb-2．5Ta，对新合金进行了组织结构分析与机械性能的测试。实验结果表明：该新型医用钛合金，满足了设计原则中对机械性能的要求。     

Ti-Cu表面阻燃钛合金研究

利用双层辉光离子渗金属技术，在Ti-6Al-4V的表面渗入Cu元素，在其表面形成Ti-Cu阻燃合金层。阻燃合金层的成分及硬度呈梯度分布，显微组织为基体组织加弥散分布的Ti2Cu金属间化合物。初步阻燃试验证明，渗铜合金层起到了预期的阻燃效果。     

骨科植入用TLM钛合金的相转变与力学性能

研究骨科植入用TLM钛合金的相转变过程及其对合金力学性能的影响.结果表明,TLM钛合金固溶后的显微组织为β相和少量细长的α"相,合金经低温300℃至500℃时效的过程中,α相的形成经历β→ω→α、α"→α 2个过程,微观组织揭示出α"马氏体对亚稳ω-相的形成具有一定的阻碍作用.同时TLM钛合金中相结构对降低弹性模量的程度由大到小的顺序为:ω＞α"＞α;相结构对提高强度的作用由大到小的顺序为:ω＞α＞α";而相结构对延伸率的提高由大到小的顺序为:α"＞α＞ω.