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钛基金属表面生物医用摩擦磨损薄膜：制备工艺与性能的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代医学技术的飞速发展，生物医用材料在临床治疗中的应用日益广泛，成为推动医学进步的关键因素之一。钛基金属凭借其优良的综合性能，在生物医学领域占据着举足轻重的地位。

钛基金属，是以钛为基础加入其他合金元素组成的合金，具有一系列卓越特性。在密度方面，其密度相对较低，约为4.5g/cm3，显著低于钢铁等传统金属材料，这使得植入人体后不会给患者带来过多的负担，尤其适用于对重量敏感的植入部位，如关节置换等。在强度上，钛基金属拥有较高的比强度，即强度与密度之比，能够在保证足够强度支撑人体组织和承受生理载荷的同时，减轻自身重量，满足生物医学应用中对材料轻量化的需求。其良好的耐腐蚀性也十分突出，在人体复杂的体液环境中，钛基金属表面能迅速形成一层致密的氧化膜，有效阻止进一步的腐蚀，确保植入物在体内长期稳定地发挥作用，降低因腐蚀导致的植入失败风险。而在生物相容性上，钛基金属与人体组织具有良好的亲和性，不会引起明显的免疫排斥反应，为其在生物医学领域的应用提供了关键保障。

基于以上这些优良特性，钛基金属在生物医学领域得到了极为广泛的应用。在人工关节置换手术中，如髋关节、膝关节置换，钛基金属制成的关节假体能够长期稳定地替代受损关节，恢复关节的正常运动功能，极大地提高了患者的生活质量。在骨折内固定领域，钛合金接骨板、螺钉等固定器械，凭借其合适的强度和生物相容性，能够有效地固定骨折部位，促进骨骼愈合，且在愈合后无需取出，减少了患者二次手术的痛苦。在牙科种植方面，钛基金属种植体能够与牙槽骨形成牢固的骨结合，为假牙提供稳定的支撑，是目前口腔种植的首选材料之一。此外，在心血管支架、颅骨修复等领域，钛基金属也都发挥着重要作用。

然而，尽管钛基金属具有众多优点，但在实际应用中，其表面性能仍存在一些亟待解决的问题，其中表面摩擦磨损问题尤为突出。在人体生理环境下，植入的钛基金属部件会受到各种力学作用，如关节置换中的摩擦、骨折固定时的微动等，这些作用会导致钛基金属表面发生磨损。磨损不仅会使植入物的尺寸精度和表面光洁度下降，影响其正常功能的发挥，还会产生磨损碎屑。这些碎屑进入人体组织后，会引发一系列不良的生物学反应，如炎症反应、免疫反应等，导致周围组织损伤，抑制成骨细胞的增殖，影响骨骼重塑和骨质吸收，严重时甚至会导致植入体松动、脱落，最终使植入手术失败。

为了克服钛基金属表面摩擦磨损问题，提高其在生物医学领域的使用寿命和可靠性，在其表面制备摩擦磨损薄膜成为一种行之有效的方法。表面摩擦磨损薄膜能够在钛基金属表面形成一层防护屏障，显著改善其摩擦学性能。通过调整薄膜的成分、结构和制备工艺，可以使薄膜具有低摩擦系数、高硬度和良好的耐磨性等特性。低摩擦系数可以减少植入部件在运动过程中的摩擦力，降低能量损耗，提高运动效率；高硬度能够增强薄膜抵抗磨损的能力，减少磨损的发生；良好的耐磨性则保证了薄膜在长期使用过程中能够持续有效地保护钛基金属基体。此外，表面摩擦磨损薄膜还可以改善钛基金属的生物相容性，如通过在薄膜中引入生物活性元素，促进细胞的黏附、增殖和分化，增强植入体与周围组织的结合，进一步提高植入手术的成功率。

因此，开展钛基金属表面生物医用摩擦磨损薄膜的制备与性能研究具有重要的现实意义和应用价值。本研究旨在深入探究钛基金属表面摩擦磨损薄膜的制备工艺、结构特征及其与性能之间的内在联系，开发出性能优异的表面摩擦磨损薄膜，为钛基金属在生物医学领域的广泛应用提供坚实的技术支撑，推动生物医学材料的发展，为更多患者带来福音。

1.2国内外研究现状

在钛基金属表面生物医用摩擦磨损薄膜的制备与性能研究领域，国内外学者开展了大量富有成效的工作，取得了一系列重要成果，推动着该领域不断向前发展。

在国外，美国、日本、德国等国家在该领域处于世界前沿水平。美国的科研团队运用物理气相沉积（PVD）技术，在钛基金属表面成功制备出类金刚石薄膜（DLC）。这种薄膜具有超高硬度，硬度值可达20-50GPa，远高于钛基金属基体，能有效抵抗外界摩擦作用力，显著降低磨损率，在模拟人体关节运动的摩擦磨损实验中，磨损率较未镀膜的钛基金属降低了70%以上。同时，DLC薄膜还展现出良好的化学稳定性，在复杂的人体体液环境中，能够长时间保持结构和性能的稳定，不易发生化学反应而被腐蚀，极大地提高了钛基金属植入体的使用寿命。日本的研究者采用溶胶-凝胶法制备了羟基磷灰石（HA）薄膜。HA是人体骨骼和牙齿的重要无机组成部分，具有优异的生物活性。将HA薄膜涂覆在钛基金属表面后，在体内实验中，与周围骨组织形成了紧密的化学键合，新骨在薄膜表面大量生长，骨结合强度比未处理的钛基金属提高了3倍以上，有力地促进了植入体与