等离子体技术在生物医学材料上的应用
分类:科研论文
2009.1.13 20:15 作者：piaozhixu | 评论：0 | 阅读：648
等离子体技术在生物医学材料上的应用 继续关注
本专题是为从事等离子体技术在生物医学材料上应用研究的虫友提供
一个交流的地方。同时也欢迎对该技术感兴趣的虫友共同参与。
欢迎加入讨论，原则上不希望纯水贴。
下面是为配合本专题所写的一个简单的关于等离子体浸没离子注入与沉积技术
在生物医学材料上的应用的一段文字，算是抛砖引玉。
等离子体浸没离子注入与沉积技术在生物医学材料工程上的应用
生物医学材料无疑是近年来材料研究领域发展最快的分支之一，顾名思义，由于
该材料应用于生物医学领域，除了对材料的力学等基本性能有要求以外，还需要
材料在生物兼容性，特殊应用环境（如人体）中的稳定性等诸多方面有人们预期
的表现。等离子体浸没离子注入与沉积作为一种为微电子工业而生的技术，由于
其在材料加工制造方面的优异表现，被引入到生物医学材料的制备领域。该技术
最大的优点在于能够在不改变材料的体性能的前提下，有选择的优化材料的表面
性能，特别适合于提高现有生物医学材料的生物兼容性以及缩短有生物医学应用
前景材料投入到应用及临床研究的时间。本文试图简要地将等离子体浸没离子注
入与沉积技术在生物医学材料工程上的应用介绍给大家，抛砖引玉，欢迎批评指
正补充讨论。
等离子是物质除固液气以外的第四态，由处于在高激发态的原子、分子、离子等
组成，整体表现为电中性。在等离子体浸没离子注入与沉积过程中，材料被高密
度的等离子体浸没包围，由离子源提供的离子被加速穿过在材料表面形成的鞘层
注入到材料的表面或者在材料表面沉积形成与体相材料不同的薄层。与传统的视
线等离子注入相比，等离子体浸没离子注入能够加工不规则外形的材料，使材料
获得均匀的全方位的注入而不需要离子束扫描或者操纵靶台。在等离子体浸没离
子沉积中，能够同时使用不同的离子源，根据需要形成复合材料薄层而不需要破
真空污染材料。此外，由于等离子体浸没离子注入与沉积过程通常都是在较低的
温度下进行，所以被加工的材料一直处在较低的温度将材料的热形变减至最小，
从而不会影响材料的自身块体性能。
金属及合金材料是最早被应用于生物医学用途的材料之一，钛及钛合金就是其中
的杰出代表。在众多金属生物材料中，钛及其合金表现出了良好的生物兼容性，
很好的抗腐蚀性，优异的抗疲劳性，而且密度相对较低又容易加工，所以被广泛
的应用于关节替代和牙科材料。但是钛的抗磨损性能不佳，通过等离子体浸没离
子注入与沉积技术，可以改善钛的表面硬度降低材料表面的摩擦系数。此外可以
进一步将表面改性，比如在钛中注入钙离子，能够加速在材料表面形成磷酸钙，
促进成骨细胞在材料表面的黏附生长，更有利于形成新的骨组织。镍钛合金由于
具有记忆效应，被广泛的应用于形体矫正、畸齿矫正和血管扩张等方面。但是由
于镍元素具有生物毒性，所以要尽可能 的降低镍离子的释放。有研究表明往镍
钛合金中等离子浸没离子注入氮，能显著的降低镍离子的释放，在不影响其记忆
功能的前提下降低生物毒性，并成功用于脊椎矫正和血管扩张。较高的摩擦力会
让使用贝塔钛牙齿矫正器的患者感觉不适，通过离子注入降低材料表面的摩擦系
数可以大幅降低患者的不舒适度。镁合金材料也是最近几年研究的热点，但是镁
合金抗腐蚀性能不佳，可以通过等离子体浸没离子注入或沉积在材料表面形成一
定的抗腐蚀层，达到预期的抗腐蚀效果。此外，也有将等离子体浸没离子注入技
术应用于较早的钴铬组件整形外科产品的报道，提高了现有商业产品的抗磨损性
能，延长了使用寿命，降低了关节松脱和失败的发生。
高分子材料应用于生物医学方面是近几十年来高分子材料研究的一个重要的方
向。等离子体浸没离子注入对高分子材料进行处理能够将材料功能化在其表面引
入新的官能团。在等离子氛围中，高分子材料表面链段上会形成自由基，这些自
由基能够与来至于离子源的自由基结合在高分子表面形成新的官能团。产生的自
由基在等离子体浸没离子注入过程中起着关键的作用。比如，一般来讲高分子材
料表面是疏水的，在引入一些极性官能团后，材料表面会变的亲水，亲水的表面
往往能大幅改善材料的黏附性能，提高其生物兼容性，将氧气和水注入到这类的
材料表面具有显著的效果。有时候需要生物医学高分子材料的表面更加的疏水，
使其与组织不易黏附，这时可以使用氟化物气体作为离子源，将氟元素引入到高
分子材料的表面，大幅提高材料的疏水性能。抗菌材料是生物医学材料的一个重
要的分支，有研究表明往高分子材料中注入银或铜等金属离子，能够在不改变高
分子材料体性能的前提下使得材料具有抗菌性能，可以广泛应用于医疗器械的抗
菌处理。
生物传感器是新一轮的研究热潮，使用至上而下的技术，用微电子的加工技术加
工小型的可植入模块用于活体的在线监测更是方兴未艾。这种装置需要植入活
体，因此其使用材料的生物兼容性十分的重要，不能引起生物体的强烈的排异反
应，不然就失去了监测数据的可信度和降低了传感器的可靠度。众所周知，微电
子加工技术是建立在对硅处理上，因此将硅进行等离子体浸没离子处理改善其生
物兼容性是很有必要的。研究不同处理条件下的材料对直接接触的细胞和组织的
影响，以及进一步使用分子生物学的方法深入研究诸如DNA损伤等问题，有利于
寻找最优的加工处理条件，使这类传感器尽快的投入临床研究。
等离子体浸没离子注入与沉积技术在生物医学材料工程中的应用越来越广泛。从
最初的人工替代关节、整形材料、矫齿装置和手术器械逐步拓展到几乎全部的生
物医学相关的材料。与此同时，等离子体浸没离子注入与沉积技术理论与设备也
取得了长足的进步，一些理论模拟研究成果开始用于解决等离子体浸没离子注入
对形状很复杂的器件的注入不均匀的问题，市场上也出现了一些专为生物医学材
料加工而优化设计制造的设备。市场就是指挥棒，面对日益增长的对于生物医学
材料需求，一种加工过程相对简单用途广泛的技术无疑具有肥沃的生长土壤，通
过材料、等离子物理、化学、生物以及临床医学研究人员共同努力，等离子体浸
没离子注入与沉积技术无疑将会逐渐成为一项成熟的生物医学材料工程技术。
仓促成文，不可能将等离子体浸没离子注入与沉积技术在生物医学材料工程上的
所有应用一一列出来，作为一项技术，有时候就看使用者如何发挥想象力去运用。
基于等离子的表面技术五花八门：等离子蚀刻能在材料表面形成有序的形貌，而
材料表面的形貌对细胞的行为影响巨大；等离子清洁设备更是几乎每个生物实验
室的基本设备；等离子喷涂这一古老的技术也在生物医学材料领域焕发了新春，
特别在生物医学陶瓷材料的加工上；等离子聚合中单体到高分子的过程由等离子
提供能量，形成与普通聚合方式不同的组分，有时这样的组分往往具有好的生物
医学性能。