XPS表面分析技术在生物医用金属材料研究中的应用

利用先进表征技术对生物医用金属材料的表面性质进行分析,并揭示其表界面与机体的相互作用机理至关重要。X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)作为一种强有力的表面分析技术,可以高灵敏度、高分辨率地对材料表面元素种类和价态进行定性、半定量分析,并能结合离子束溅射、角分辨深度剖析获得材料表面层的纵深分布信息,已被广泛应用于生物医用金属材料研究。基于此,首先介绍了XPS的原理和特点;其次,根据生物医用金属材料的分类和研究领域,重点探讨了XPS表面分析技术在医用不锈钢、医用钴基合金、医用钛及其合金、医用镁合金的设计制造、表面改性及表界面表征等方面的应用;再次,通过总结上述工作的优势与不足,进一步阐明了XPS表面分析技术在小面积、化学成像、角分辨、原位测试、价带谱、同步辐射激发源等多种功能方面的应用潜力;最后,对XPS技术助力新型生物医用金属材料的开发和应用提出了展望和建议。

新型生物医用金属材料的研究和进展

在概述医用金属材料目前的研究现状、性能和应用的基础上,指出了医用金属材料应用中目前存在的主要问题,阐述了近些年生物医用金属材料的新进展,并对今后的发展提出了自己的观点。

生物医用金属材料的研究应用现状及发展趋势

对生物金属材料进行分类,介绍了生物医用金属材料的特点、研究现状和应用情况。提出了生物医用金属材料在应用中存在的主要问题,并对今后的发展方向进行了展望。

生物医用金属材料的腐蚀

总结了生物医用金属材料的腐蚀问题 ,讨论了金属材料在生理环境中的腐蚀机理及其释放腐蚀产物引起的局部组织反应和全身系统反应 。

生物医用金属材料的研究进展

介绍了医用金属材料目前的研究现状、性能和应用,指出了医用金属材料应用中目前存在的主要问题,阐述了近年来生物医用金属材料的新进展,提出镁及镁合金材料的应用是生物医用金属材料的发展方向。

生物医用金属材料表面改性的研究进展

与其他生物医用材料相比,生物医用金属材料具有更加优异的综合力学性能和加工成型能力,并且在骨植入器件、口腔医学和心血管疾病治疗医学等领域均得到了极其广泛的应用。由于生物医用金属材料需要在体液这种复杂的生理环境下进行服役,对其性能的要求十分严格。生物医用金属材料不仅需要在力学及其相关的物理性能方面满足要求,在抗生理腐蚀性能和生物相容性方面均需要表现出优异的特性。表面改性是指在保持材料或器件原性能的前提下赋予其表面新的性能,如耐腐蚀性及生物相容性等,是进一步提高医用金属材料表面性能的重要途径。本文根据材料的特点以及应用中存在的主要问题,综述了各类医用金属材料表面改性的研究现状,并对今后新型医用金属材料的发展方向进行了展望。

生物医用钛合金材料的生物及力学相容性

背景:保证生物材料优良的生物及力学相容性是研制开发外科植入物及矫形器械产品的关键,但目前对其研究缺乏系统性和统一性认识。目的:初步分析生物医用钛合金材料生物及力学相容性的概念、内涵,指导医疗器械产品的选型设计与应用。方法:应用计算机检索PubMed、Elsiver、Springerlink、CNKI及维普等数据库1995至2012年相关文献,围绕"生物及力学相容性"主题词,探讨合金成分、显微组织及相变控制和材料表面状态优化等因素对钛合金材料生物及力学相容性的影响规律。结果与结论:生物及力学相容性是一个综合评价概念。进行医用钛合金材料选型设计时,首先要求合金中的组成元素无不良反应,并保证其与组织、血液及免疫和全身反应的安全性,同时要求所添加元素对钛合金的机械性能等其他性能不良影响最小。钛合金中常见的合金化元素主要包括α相稳定元素、β相稳定元素和中性元素3类。要使生物医用钛合金植入材料获得优良的生物及力学相容性,对材料内部显微组织和相变进行控制,以及开展材料表面状态改性优化也至关重要。但不能单纯追求一种钛合金的低模量或高强度等某一单项力学指标与人体骨组织接近或匹配而简单判定其生物力学相容性的优劣。

骨科生物医用材料的研究进展

生物医用材料简称生物材料，是指一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患等医疗、保健领域，而对人体组织、血液不致产生不良影响的材料。根据材料的性质可将生物医用材料分为生物医用高分子材料、生物医用金属材料、生物陶瓷和生物医用复合材料等。近几年来，随着材料科学和骨科学的不断发展，生物医用材料在骨科领域已有了相当广泛的临床应用。

医用钛合金材料对种植体生物力学行为的影响

钛合金材料具有优异的机械性能、化学稳定性和生物相容性,已成为种植体主要原材料,但要满足患者临床治疗的长效安全性和功能性,医用钛合金材料的生物及力学相容性仍有待提高。具有较低弹性模量和较高强度的新型医用钛合金,对降低由应力屏蔽导致的种植体的松动、脱落有着重要作用。本文利用有限元方法,对比新型医用钛合金材料以及传统医用钛合金材料对种植体结构和颌骨应力分布。通过对比发现由于新型医用钛合金材料高强度、低模量等特点,减少了由应力遮挡效应导致,诱发骨吸收、植入体松动、失效等问题的风险。

Nb含量对生物医用Ti-Nb基合金力学性能与断口形貌的影响

分析了铌含量对Ti-XNb基钛合金室温力性与断口形貌的影响.结果表明:随着Nb含量的增加,O含量呈递增趋势,并且O含量的增量呈递减趋势.随着Nb含量的增加,室温拉伸强度逐渐增大;室温塑性逐渐减小.当5%<Nb(w/%)<15%时和20%<Nb<25%时,Nb含量的增加对Ti-XNb基合金具有显著的强化效果;当15%<Nb<20%时,Nb含量的增加对Ti-XNb合金的强化效果不明显.弹性模量值与Nb含量的变化呈反比.当Nb含量为25%时,达最小值,E=71 GPa,接近于人体自然骨模量值.Ti-5Nb合金的室温拉伸断口由大量的韧窝和撕裂岭构成,断裂方式为微孔聚合断裂,为韧性断裂.随着Nb含量的增加,大韧窝和撕裂岭的体积分数明显减小,逐渐转变为小而浅的韧窝,并出现由许多准解理台阶组成的解理面.

生物医用锌基合金性能研究进展

医用金属植入体已广泛应用于临床骨组织修复中,但是随着临床手术案例的积累,发现不锈钢、钛、传统生物金属材料在生物体内长期存在会造成应力屏蔽、组织排异发炎等症状,二次手术会给患者带来极大痛苦。近年来,可降解金属植入体材料的概念被提出并引起重视,由可降解金属制备的植入体在生物体组织中可被吸收分解,并促进血管组织愈合与骨组织再生,被视为新一代医用植入体材料。锌合金由于其优异的降解特性及生物相容性成为近年来的研究热点,在血管腔内支架、骨科及口腔科内固定材料领域拥有巨大的应用潜力。锌合金发展迅速,须及时进行全面总结。总结归纳目前医用锌合金的主要制备方式、材料力学性能、降解行为和生物相容性。基于大量的数据分析与归纳,发现在锌合金中添加Li、Mg元素可细化晶粒,显著提高锌合金强度,添加Mn元素则可在塑性变形中细化晶粒,可提高锌合金的延伸率。与纯锌相比,锌合金中的Zn-(Fe、Cu、Ag)析出相与Zn基体形成的微电池作用提高了锌合金的降解速率。针对新型锌合金成分及先进制备工艺,提出以材料基因工程,指导适用于增材制造的三元高强锌合金体系开发,在提高力学性能的基础上匹配锌合金的降解速率和生物相容性,直接获得具有定制化结构的锌合金近终成型植入体。在系统性汇总的基础上,从性能、开发以及增材制造三个方面展望未来发展方向。

锰元素在生物材料中的应用:现状和问题

背景:金属元素在人体中扮演了重要的角色。近年来,金属元素在生物材料中的应用令人瞩目,其功能与效用正在被快速地挖掘与拓宽。相比于镁、锌等近些年研究得比较多的金属元素,锰元素是生物材料学研究领域中的后起之秀。目的:总结和归纳锰元素在生物材料中的应用现状和存在的问题。方法:由第一作者通过计算机检索中国知网、万方数据、爱思唯尔ScienceDirect数据库及PubMed数据库,检索2010年2月至2021年2月所有相关文章。中文检索词为"锰、生物材料、生物医用金属材料、陶瓷生物材料、纳米材料、生物高分子材料、骨组织工程、药物递送、肿瘤治疗",英文检索词为"Manganese,Biomaterials,alloy,degradable metals,corrosion,biomedical metallic materials,Ceramic biomaterial,Nanomaterial,biopolymer material,Bone tissue engineering,Drug delivery,Cancer therapy",最终纳入72篇文献进行归纳总结。结果与结论:(1)目前的研究证据提示,将锰元素引入生物材料中可显著改善生物材料的力学性能和耐腐蚀降解性能,并有效提高生物材料的生物相容性、促成骨和抗菌等性能,表明将锰离子作为功能性离子掺入生物材料中有着良好的应用价值。(2)现阶段关于锰离子在生物材料中的研究还处在基础实验阶段,已有研究表明将锰离子结合到胶原-羟基磷灰石支架上会促进骨髓间充质干细胞体外成骨和小鼠颅骨缺损部位的新骨再生,进一步增强了骨诱导能力。(3)锰元素的优良特性使其在医用金属材料、骨组织工程材料、药物递送及肿瘤治疗方面有着广阔的应用前景,未来有望为锰元素相关生物材料的基础和临床应用提供新的方向。

CRTER杂志“生物材料”栏目本月组稿重点

1本刊“生物材料”栏目组稿信息 生物医用材料领域的稿件来源分类： ①来源于生物医用金属材料方面的研究有：医用不锈钢材料、钴合金材料、镍合金材料、钛及钛镍合金材料、形状记忆合金、贵金属及其他生物金属材料等。

医用功能材料漫谈

医用功能材料是一种与人类的生命和健康密切相关的新型材料。由于材料选择的多样性和生物功能的可代替性，已受到科技界的广泛重视，成为最有发展前景的材料之一。

中国医疗器械用钛合金材料研发、生产与应用现状分析

生物医用钛合金材料已成为全球外科植入物及矫形器械产品生产所需的主要原材料。本文综述了我国生物医用钛合金材料及制品的研发、生产及其在生物医学工程领域的应用现状,分析了现有生物医用钛合金材料及制品在科研、生产、应用等方面存在的问题和不足,指出了未来生物医用钛合金材料及制品的发展方向和应用目标。

医用金属材料的研究现状及发展

本文主要介绍了生物医用金属材料的分类、特性、发展历史、现状以及新阶段存在的问题,介绍了几类新型的医用金属材料,并对未来医用金属材料的研究方向进行了展望。

等通道挤压制备医用超细晶Mg-3Sn-0.5Mn合金及其力学性能

采用等通道转角挤压(equal channel angular pressing,ECAP)方法成功挤压了Mg-3Sn-0.5Mn合金,采用OM和TEM观察了ECAP过程中合金微观组织和晶粒尺寸的变化,测试了ECAP后Mg-3Sn-0.5Mn合金的力学性能与腐蚀性能,通过XRD观察了ECAP变形后的织构取向变化。结果显示,ECAP后得到了超细晶Mg-3Sn-0.5Mn合金组织,在320℃下经过4道次挤压后平均晶粒尺寸细化到了1.65 mm,局部晶粒细化到了0.80 mm,晶粒细化是剧烈塑性变形与再结晶共同作用的结果。4道次变形后,延伸率从22.2%上升到58.6%,抗拉强度从242.8 MPa下降到195.6 MPa,延伸率提高了约3倍,强度略有下降。ECAP后的Mg-3Sn-0.5Mn合金织构择优取向发生了显著改变,这种变化有利于滑移系的开动,提高了材料的塑性,但对强度有一定的不利影响。ECAP后的Mg-3Sn-0.5Mn合金力学性能受到改变的织构择优取向和细晶强化的共同影响。

钛种植体表面改性常用方法及其研究进展

与其它医用金属材料相比．纯钛生物相容性好、质量轻、来源丰富．且具有较优越的机械性能，是临床中硬组织和器官替换常用的生物医用金属材料之一。然而纯钛主要成分终究与骨组织截然不同，作为生物惰性材料，植入体内后．与骨之间的结合只是一种机械性嵌合．不能形成化学性结合。因此为了缩短种植期，赋予纯钛种植体更优异的生物学性能，对纯钛表面进行改性．改善其生物学性能，更好的适应临床的需要。日益受到人们的重视。