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Medtec上海国际医疗器械设计与制造技术展览会

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2023有源医疗器械创新论坛探讨原子层沉积技术改善医用材料生物相容性

原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)是一种特殊的化学气相沉积薄膜技术,是通过将气相前驱体交替地通入反应室并在基底表面发生气-固化学反应形成薄膜的一种薄膜方法。 
随着生命科学和材料科学的不断发展，生物医用材料也在不断革新。生物相容性涂层对于生物学和医学领域是至关重要的条件，尤其是植入支架。将生物不相容材料通过表面涂层达到生物相容性表面目的是目前医学领域迫切需要的。原子层沉积技术（ALD）高度保形性以及低温成型条件完全切合生物相容性涂膜的制备。

ALD简介

ALD的沉积过程是一个自限制的过程，由若干个半反应构成：
（1）前驱体脉冲进入反应室，与具有活性位点的基材发生化学吸附；
（2）前驱体与活性位点完全反应，惰性气体吹走未反应的前驱体和第（1）步反应产生的副产物；
（3）经历循环，实现薄膜的逐层生长。调控半反应中的前驱体脉冲时间，前驱体与活性位点反应时间，惰性气体吹洗时间，可以控制单层薄膜的厚度。通过调控沉积的半反应次数控制薄膜的生长厚度。

原子层沉积原理图（图片来源：刘子饶.钛表面氧化锌基纳米棒阵列构建及其生物学性能研究）

ALD技术能实现优良的薄膜沉积效果，其在反应前驱体的应用和选择上条件十分严苛。在选择实验反应前驱体时，通常有以下几个角度可供参考和选择：
（1）以液态或气态为宜，具有低的饱和蒸气压，这样有利于出源，避免堵塞设备气阀和管路，降低了设备后期保养维护的成本。
（2）自身化学性质稳定。在高温条件下不会发生裂解或重组，不然，将破坏整个薄膜生长工艺或根本制备不出薄膜。
（3）进行吸附，置换反应后的副产物无毒无害活性呈惰性，不会腐蚀反应生成物以及管路，后期实验室废物处理也相对方便。

ALD改善生物相容性

钛及钛合金具有接近人骨的弹性模量，优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，逐渐被广泛应用于牙科植入物、人工关节、骨科创伤等多个领域。

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然而，钛及其合金在临床使用时仍有待进一步改性。王菲采用ALD方法在镍钛合金表面沉积一层10nm的Al2O3过渡层，后在其表面进行3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂（KH550）硅烷化，将表面丰富的羟基转化为氨基。再利用EDC/NHS反应将肝素接枝在镍钛合金表面，并对改性过后的镍钛合金片表面的物理化学性质以及生物相容性进行测试。实验结果表明，ALD技术提高了镍钛合金片表面的生物相容性，在医疗器械领域的应用上具有很大潜力，尤其是改性以及功能化金属材料表面等方面。
Mg合金的生物降解性和良好的力学性能使其成为潜在的生物医用材料，然而，它们在人体环境中的快速腐蚀限制了其在临床上应用。针对该问题，QiuyueYang等采用ALD法在Mg-Sr合金表面制备了一层致密的ZrO2纳米薄膜。通过准确地调节薄膜的厚度，从而控制其腐蚀速率。腐蚀试验和细胞培养试验表明，ZrO2薄膜不仅能够有效降低Mg-Sr合金的腐蚀速率，同时可以提高Mg-Sr合金表面骨母细胞的活性和粘附力，增强了生物相容性。湖北大学吴水林课题组在这方面有大量的报道。
ChristosG等在商用的胶原蛋白膜上ALD沉积TiO2超薄膜进行表面功能化，与未处理的胶原蛋白膜相比，沉积TiO2的蛋白膜显示出更好的生物相容性，可促进人骨髓间充质干细胞（hMSCs)成骨分化。
2023有源医疗器械创新论坛Medtec创新展意识到，21世纪以来，关于生物生命科学的研究以飞快的速度向前发展，原子层沉积技术(ALD)以其高性能沉积优势开始逐渐向该领域渗透和延伸。ALD还可应用于抗菌涂层研究，如ZhengduoWang等将ALD法与热液法结合，在电纺聚酰胺6（PA6）纳米纤维表面制备了一层ZnO薄膜，对其抗菌性能进行了研究。另外，ALD技术在生物医学的微观领域也有着重要的应用。
文章来源： 粉体网

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