金属表面钽涂层技术 金属表面钽涂层技术

最小化 最大化

金属表面钽涂层技术

       金属材料因其具有较高的适宜机械性能和抗疲劳性能,而适用于承力部位的植入,作为一种生物医用材料广泛应用于临床医学领域。但是由于人体内环境引起材料腐蚀等原因限制了金属材料在医疗领域应用的发展。

       近年来,金属钽以其本身优异的耐腐蚀性和生物相容性等独特优势越来越受到医疗和材料工作者的广泛关注。但是由于金属钽高昂的成本限制它的广泛应用。

       多种金属材料如不锈钢、钛基和钴基合金等作为生物医用材料已经广泛应用于临床,并且取得了一定的治疗效果。但是,复杂的人体内环境会引起材料腐蚀而导致有毒物质的释放,大大降低了金属材料的生物相容性。

       此外,某些金属材料的弹性模量与人骨组织相差过大,不利于新骨的生长和重塑,易导致二次骨折。这些不利条件限制了金属材料作为生物医用材料的应用。然而,同样是金属材料的钽,正以其特有的优势吸引越来越多的医学工作者和材料科研人员的关注。

与常规医用金属材料不同:

(1)金属钽的耐蚀性好。在常温下,与盐酸、浓硝酸甚至“王水”都不发生反应,一般的无机盐也不能腐蚀钽;

(2)生物相容性佳,植入一段时间后,生物组织就会在钽上生长出来,就像在真正的骨头上生长一样,所以钽又有“亲生物金属”之称;

(3)适宜的弹性模量。具有特殊孔隙结构的多孔钽的弹性模量介于人体的松质骨和皮质骨之间,特别适用于骨替代、关节置换和人体组织填充等领域。

       金属钽的诸多优势为其在医疗领域的应用提供了广阔的发展空间。

       金属钽的安全性很高,不溶性的钽盐经过口腔或局部注射均不被人体吸收;可溶性的钽盐由胃肠道的吸收量也极少。钽一旦进入人体后,负责清除钽的主要载体是吞噬细胞,体内吞噬细胞在接触钽尘1小时后,均可存活且无细胞变性,仅伴有葡萄糖氧化的明显增加;相同条件下,矽尘则可使吞噬细胞出现严重胞浆变性和死亡,这说明钽是无细胞毒性的。

       1940年纯金属钽首次被应用于医疗,多数报道认为金属钽作为人体植入物未发现任何不良反应。

       金属钽的应用主要集中在多孔钽的使用,多孔钽具有人体松质骨结构特点的蜂窝状立体结构,平均孔隙大小为430 µm,孔隙率为 75%~80%。多孔钽弹性模量约为 3GPa,介于松质骨头(约1GPa)与皮质骨(约15GPa)之间,远低于常用的钛合金植入材料(约110GPa),从而避免了应力遮挡效应。

       多孔钽可以制成各种规格和形状,比如多孔钽棒可用于早期股骨头缺血性坏死的治疗;多孔钽与人骨结合牢固,因此多孔钽也可用于人工关节的制备;多孔钽还可作为人体各个部位的填充材料,如肿瘤切除后的组织再造,颈部和腰椎溶解填补,椎弓置换等。

       由于多孔钽在机械性能上和组织生长上与其加工和工程柔韧性能上的近乎完美的融合,给多孔钽的成型提供了广阔的设计空间。

       本课题采用化学气相沉积方法在钛合金及多种其它基体材料上制备高质量的金属钽涂层,基体材料保证了一定的力学性能要求,钽涂层提高了基体材料的生物相容性。用该方法制备的多孔钽可用于骨填充、齿科及人工关节材料等医疗领域。

钛合金作为基体的多孔钽

 

钽涂层表面及内部截面的SEM图