淺析醫(yī)用鈦基合金的表面改性及生物相容性

楊宏勇

摘 要：鎳鈦形狀記憶合金（NiTi-SMA）作為一種理想的固定材料在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)骨科中得到了很好地應(yīng)用，而且其發(fā)展也是切實(shí)符合現(xiàn)代生物學(xué)固定的思想。在鎳鈦形狀記憶合金中蘊(yùn)含著50%左右的鎳。加強(qiáng)對(duì)其各方面性能的深入研究，從而對(duì)于其更好的應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要意義?；诖?，文章對(duì)醫(yī)用鈦基合金的表面改性以及生物相容性等問(wèn)題進(jìn)行了探討，希望對(duì)后期相關(guān)工作提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用鈦基合金；表面改性；生物相容性；NiTi-SMA

引言

在現(xiàn)階段醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鎳鈦記憶合金憑借其質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高回彈性以及良好的耐疲勞和耐腐蝕等性能，使其逐漸成為了最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N金屬生物材料，而且在骨科中應(yīng)用日益普遍，但到目前為止，還沒(méi)有一套科學(xué)方法和證據(jù)足以證明其在長(zhǎng)期的植入機(jī)體中能夠保持良好的生物相容性?，F(xiàn)階段，我們?cè)趹?yīng)用天鵝型記憶接骨器的大量實(shí)踐應(yīng)用的基礎(chǔ)之上，歸納并總結(jié)了合金組織的相容性及表面改性等特性，從而為相關(guān)醫(yī)用材料的后期開(kāi)發(fā)提供了必要的依據(jù)。

1 醫(yī)用鈦基合金的生物相容性和細(xì)胞毒性研究

生物材料成功植入后，對(duì)機(jī)體的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，主要反映的是血液反應(yīng)、組織反應(yīng)和免疫反應(yīng)的反應(yīng)，而所發(fā)生的這些生物反應(yīng)有對(duì)于評(píng)定其生物相容性具有重要的意義。一般情況下，在對(duì)鈦基合金生物相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要指標(biāo)內(nèi)容涵蓋了以下幾個(gè)方面[1]：（1）機(jī)體血管的分布密度；（2）機(jī)體炎癥細(xì)胞的種類(lèi)和數(shù)量；（3）所植入的材料周遭組織的生化分析和組化分析；（4）是否形成了包囊膜；（5）對(duì)遠(yuǎn)離植入組織的生化分析；（6）是都存在脂肪變性；（7）對(duì)所植入的金屬物外觀(guān)結(jié)構(gòu)變化的觀(guān)察。

鈦鎳合金一般含有近50%的鎳，如果它被植入人體，其生物相容性和如何，鎳元素在人體內(nèi)的長(zhǎng)期存在會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，如細(xì)胞毒性等，這也需要在長(zhǎng)期的臨床實(shí)踐和試驗(yàn)研究中不斷解決的。

隨著技術(shù)的發(fā)展，鈦鎳合金的生物相容性研究得到了明顯的改善，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）在體外實(shí)驗(yàn)中多采用成纖維細(xì)胞或成骨細(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞等；（2）取不銹鋼或其他金屬材料同鈦鎳合金作

對(duì)比試驗(yàn)；（3）適當(dāng)?shù)脑黾恿梭w內(nèi)試驗(yàn)數(shù)量；（4）在試驗(yàn)過(guò)程中綜合應(yīng)用了多項(xiàng)分析方法；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期大量的試驗(yàn)研究表明，鈦鎳合金作為一種植入材料植入人體后同其他材料相比具有明顯的安全優(yōu)勢(shì)[2]，究其原因如下所述：

（1）機(jī)體組織之所以會(huì)出現(xiàn)一種良好的組織反應(yīng)，其根本原因就是在于在鈦鎳合金表面有一層由氧化鈦組成的鈍化膜，其中含有了極少量的鎳元素。

（2）在鈦鎳合金中的鎳元素都是以化合態(tài)形式存在，即使在人體會(huì)出現(xiàn)解離現(xiàn)象，但其數(shù)量卻是微少的。

（3）在機(jī)體外部所觀(guān)察到的細(xì)胞毒性現(xiàn)象其主要原因也是由于鎳的大量聚集所致，而在機(jī)體內(nèi)部由于不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，所以細(xì)胞毒性也就不會(huì)發(fā)生。

現(xiàn)階段，許多學(xué)者對(duì)于鈦鎳合金的生物相容性以及表面改性都進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，而且得到的結(jié)論卻明顯的一致：太鎳合金植入機(jī)體后能夠很好地被機(jī)體細(xì)胞所接受，而且合金表現(xiàn)所出現(xiàn)的腐蝕極少[3]。

2 NiTi-SMA的表面改性及細(xì)胞毒性

對(duì)于NiTi-SMA的加工制造以及表面處理等方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作[4]，在目前，也存在很多的處理方法應(yīng)用于NiTi-SMA的表面處理過(guò)程。然而，表面處理方法的優(yōu)劣將會(huì)直接影響其生物相容性，具體哪一種表面處理方法最為有效以及如何有效地改善合金表面特性等存在的等等問(wèn)題也是目前NiTi-SMA應(yīng)用領(lǐng)域所迫切需要解決的問(wèn)題。

NiTi-SMA由于其表面氧化膜的存在，使其具有了良好的耐腐蝕性和生物相容性等特性；合金氧化膜的存在，能夠促使NiTi-SMA在生理環(huán)境下保持來(lái)相對(duì)惰性狀態(tài)；而對(duì)其表面的處理方法所常見(jiàn)的有熱處理和電子拋光以及機(jī)械拋光等多項(xiàng)手段，同時(shí)在對(duì)合金界面以及表面的分析過(guò)程中也會(huì)涉及到電子顯微鏡以及X光衍射和X-RAY點(diǎn)光子分光光譜的應(yīng)用[5]。

經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，NiTi-SMA所體現(xiàn)出的良好的生物相容性和腐蝕性等特性其主要還是源于在其表面均勻分布的氧化膜層，在該膜層中含有了極少的鎳元素。

除上述所介紹的幾種常見(jiàn)的表面處理方法之外，下面介紹幾種其他表面處理方法：

等離子注入和噴涂羥基磷灰石方法，化學(xué)處理方法與傳統(tǒng)方法相比，具有工藝簡(jiǎn)單，可在復(fù)雜形狀的表面形成一層修飾膜；其中作為表面改性的一項(xiàng)重要處理手段——等離子處理法，在其應(yīng)用過(guò)程中也需要對(duì)材料界面通過(guò)AES和掃描電子顯微鏡的輔助進(jìn)行相應(yīng)的分析研究。在應(yīng)用等離子處理方法進(jìn)行表面處理過(guò)程中，影響最大的就是鈦鎳比例，它能夠有效引發(fā)鈦、鎳元素的富集和偏聚等現(xiàn)象，其中鈦元素能夠有效地增強(qiáng)材料表面活性，對(duì)于鈦鎳合金同機(jī)體高分子膜的結(jié)合提供了極大地幫助；在之列等離子體進(jìn)行表面處理過(guò)程中，在樣品的表面將沉積大量的電極成分，由于氯元素對(duì)人體具有一定的危害性，因此，從安全角度考慮，直流等離子處理裝置一般不采用鋁電極材料，因此，在表面處理過(guò)程中建議采用射頻等離子體處理方法。

另外一種方法就是對(duì)合金表面進(jìn)行涂層處理[6]，常用的就是聚合四氟乙炔高離子噴涂法，該方法的實(shí)施能夠有效地提高鈦鎳合金的抗腐蝕能力，并極大的降低了鎳離子的釋放，進(jìn)而促使其合金細(xì)胞毒性得到了明顯的降低。

3 問(wèn)題及展望

在鈦合金生物材料的不斷發(fā)展過(guò)程中，其材料的改進(jìn)以及表面性能的優(yōu)化等方面還存在著很多的問(wèn)題需要解決。

通過(guò)一定的表面處理方法能夠有效地降低鈦鎳合金中鎳元素的釋放，其中應(yīng)用效果最好的一項(xiàng)方法就是涂層處理法。

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，NiTi-SMA具有了良好的生物相容性以及獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)，經(jīng)表面處理后的NiTi-SMA表面會(huì)形成一層輕質(zhì)均勻而且致密分布的鈍化膜，與金屬表面進(jìn)行緊密的結(jié)合，并通過(guò)涂膜技術(shù)的應(yīng)用，能夠促使NiTi-SMA細(xì)胞相容性以及抗腐蝕性等性能的明顯改善。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，現(xiàn)階段所存在一系列難題都將會(huì)迎刃而解，同時(shí)，隨著新型合金材料的不斷改良和開(kāi)發(fā)，NiTi-SMA也必將迎來(lái)一更為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]田博.醫(yī)用鈦基合金的表面改性及生物相容性研究[D].貴州大學(xué)，2007.

[2]冉均學(xué).鈦基生物醫(yī)用材料表面改性及模擬體液培養(yǎng)[D].河北工業(yè)大學(xué)，2003.

[3]李晉波.醫(yī)用鈦表面改性及其抗菌性和生物活性研究[D].湖南大學(xué)，2012.

[4]孔麗麗.醫(yī)用鈦表面的電化學(xué)構(gòu)筑及生物性能的優(yōu)化[D].廈門(mén)大學(xué)，2009.

[5]崔琰，李巖，羅坤，等.生物醫(yī)用鈦基無(wú)鎳記憶合金研究進(jìn)展[J].稀有金屬材料與工程，2010，9：1682-1686.

[6]寧聰琴，周玉.醫(yī)用鈦合金的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].材料科學(xué)與工藝，2002，1：100-106.