Kaiyun网址 开云钛经常被用于人体的主要原因是钛的生物相容性，以及经表面改性后的生物活性表面。

　　影响生物相容性的表面特征包括表面纹理、立体阻碍、结合点和疏水性（润湿性）。对这些特性进行优化可产生理想的细胞反应。一些医疗植入物和手术器械的部件都涂有氮化钛（TiN）涂层。

　　钛具有抗体液腐蚀性、生物惰性、骨结合能力和高疲劳极限，因此被认为是生物相容性最好的金属。

　　钛之所以能够抵御恶劣的人体环境，是因为在氧存在的情况下会自然形成一层保护性氧化膜。氧化膜具有很强的附着性、不溶性和化学不透性，可防止金属与周围环境发生反应。

　　钛的骨结合能力源于其表面氧化物的高介电常数，它不会使蛋白质变性（如钽和钴合金）。

　　固态钛的标准电极电位为-1.63V。固态钛更倾向于氧化，因此是一种较好的还原剂。

　　钛会自然钝化，形成一层氧化膜，这层氧化膜会随着暴露于体内环境的时间而变得异质和极化。

　　在 Ti-Zr 和 Ti-Nb 等钛合金中，因腐蚀而释放出的锆和铌离子不会释放到患者体内，而是加入到钝化层中。钛的氧化层主要由 TiO2 组成，具有稳定的氧化层，可改善种植体与生理液体接触时的润湿性。

　　氢脆是一种体内降解机理，在摩擦缝隙腐蚀条件下会导致 TiH 形成、表面反应和 Ti/Ti 组合体锥体内部开裂。

　　细胞对生物活性表面的理想反应是生物材料的稳定和完整性，减少表面潜在的细菌感染点。

　　与目前临床标准的无涂层钛相比，由三聚体和五聚体组成的涂层可将骨与植入物的接触面积增加 75%。

　　研究和临床结果表明，商业纯钛和大多数钛合金具有良好的生物相容性或组织相容性。

　　Ti 与周围组织之间的界面观察、细胞在 Ti 上的基因表达、蛋白质对 Ti 的吸附、吸附蛋白质的肽序列对 Ti 的吸附、Ti 上骨的形成、软组织对 Ti 的粘附以及细菌对 Ti 的粘附，已被用来解释生物相容性的机制。

　　钛作为牙科植入材料，从机械性能、骨形成、软组织粘附和抗菌性能等方面进行了深入的研究。

　　作为一种生物材料，钛的研究重点已转向生物相容性的改善，即表面处理技术的开发。

　　无论如何，钛的生物相容性原理不能仅通过生物学方法来确定，因为生物相容性的根源在于材料，尤其是其表面。

　　材料的生物相容性取决于材料与宿主机体之间最初和持续的反应，如分子吸附、蛋白质吸附、细胞粘附、巨噬细胞活化、组织形成、细菌粘附和炎症等。

　　当人体内金属中的溶解金属离子与生物大分子或细胞发生反应，破坏其功能时，金属离子就会被确认为对生物体有毒。为了避免这种毒性，用于医疗植入物的金属在有生物组织存在的情况下必须具有很高的耐腐蚀性。

　　骨结合/骨整合是指种植体与骨之间形成直接界面，没有软组织介入。骨与种植体表面之间没有结缔组织、软骨或韧带纤维。

　　牙科种植体中的骨结合这一概念催生并加速了对硬组织与钛之间反应的研究，随后又进行了表面处理研究。有关以下方面的研究：成骨细胞钙化评估；组织学评估，如骨形成、骨接触率和骨结合强度；以及临床结果都证明了钛与硬组织的良好兼容性。

　　硬组织兼容性的重要决定因素是表面形态（粗糙度）、润湿性和其他特性对成骨细胞粘附和增殖的影响。钛骨界面反应的特征表明了表面形态和润湿性对骨结合的重要性。

　　在骨科领域，Ti 合金制成的骨螺钉和骨钉在长期植入后通常会形成胼胝并与骨组织同化，可导致在取出骨钉时发生骨折，这是因为钛合金与硬组织相容。

　　生物分子可能是金属离子释放的原因。虽然氨基酸和蛋白质存在时加速金属离子释放的机制尚未阐明，但被动膜中部分溶解和再沉淀之间的不平衡可能会加速离子的释放。因此，金属的再钝化会影响金属中离子的释放。钛在水溶液中的再钝化过程中，无机离子和蛋白质加速了钛的再钝化，而某些氨基酸则减缓了钛的再钝化。

　　巨噬细胞会产生活性氧 H2O2，与 O2- 相比，H2O2 的寿命更长，对细胞膜的渗透性更高： H2O2 到达 Mϕ 附着的表面，Ti 表面被 H2O2 过度氧化[30,31]，可能导致 Ti 离子释放。H2O2 与 Ti 上的被动薄膜按以下等式反应： Ti4+ + H2O2 → Ti5+ + OH- + OH*，其中 * 代表自由基。Mϕ 产生的活性氧对钛的溶解作用已得到充分阐明。

　　无论如何，尽管在周围组织中检测到了钛元素，但钛材料的毒性几乎没有表现出来。

　　在检测到钛元素释放的大多数情况下，这些元素的化学状态都不明显。钛的毒性很低。

　　由于耐腐蚀性较低，钛合金已取代了用于人工髋关节和骨固定器柄的大多数不锈钢。

　　不过，由于不锈钢具有优异的扭转性能和断裂伸长率，因此仍被用于制造可取式骨内固定器以及胸骨和骨固定导线。不锈钢还用于医疗和手术器械及设备。植入材料通常使用 316 L 型奥氏体不锈钢。添加 2.0-3.0 质量%的钼，将镍从 8.0-10.0 质量%提高到 12.0-15.0 质量%，并将碳（C）降低到 0.030%以下，可提高其耐腐蚀性。由于惰性膜中的键得到了加强，并且由于形成了钼酸盐或钼氧氢氧化物而消除了活性‘点蚀’点。在生物环境中，316 L 型不锈钢通常会因阳极极化而出现点蚀。在人体中可以观察到脊柱棒的腐蚀。此外，在植入超过 30 年的胸骨固定线上也观察到了严重的点状腐蚀。316 L 型不锈钢的耐腐蚀性大大低于钛和钛合金。

　　Co-Cr 合金具有优异的机械性能、铸造性、耐腐蚀性和耐磨性。模拟生物液体中的阳极极化证实 Co-Cr 合金不存在缝隙腐蚀和点腐蚀，而且 Co-Cr 合金具有很高的局部耐腐蚀性，不受成分微小变化的影响。它们耐腐蚀性优于不锈钢。其耐磨性优于不锈钢、Ti 和 Ti 合金。

　　在矫形外科领域，一种名为 Vitallium（ASTM F75）的铸造 Co-Cr-Mo 合金被用于人工膝关节和人工髋关节，尤其是关节头。ASTM F79 Co-Cr-Mo 合金是通过热轧对 F75 的晶粒进行细化而制成的。F99 合金的抗拉强度和屈服强度是 F75 合金的两倍。为了提高 Co-Cr-Mo 合金的加工性，ASTM F90 被称为 HS25 或 L-605，用于矫形线材，通过降低 C 含量并添加 W 和 Ni，加工性提高了 44%，加工后强度是 F75 合金的两倍多。作为 MP35N 的 ASTM F562 Co-Ni-Cr-Mo 合金用于心血管外科支架，具有优异的强度、弹性和耐腐蚀性，抗拉强度超过 1600 兆帕。这种合金与 ASTM F90 合金一样，具有很高的弹性模量，因此非常适合用作支架。另一方面，ASTM F1058 Co-Cr-Ni-Mo-铁（Fe）合金又称 Elgiloy，可用于制造人工心脏弹簧和动脉瘤夹。Co-Cr-Mo 合金可用于牙科中的带扣可摘局部义齿、牙冠和固定桥。然而，Co-Cr 合金会因 Co 的释放而发生病变，患上金属中毒症。 Co 或 Cr 元素可导致轴突病。主要原因是 Co 离子的释放。钴离子从合金上的惰性膜中释放出来。释放钴离子的过程中，膜中的铬、钼、钨（W）和镍会富集，而钴则会根据其氧化和还原电位被耗尽。在磨损条件下，钴离子会反复释放，而且释放的离子数量可能很大。

　　由等量的镍和钛（49-51 摩尔%镍）组成的镍钛合金具有优异的机械性能，包括形状记忆、超弹性和阻尼。镍钛合金因其优异的性能而被用于导丝、支架、正畸弓丝和牙髓锉。作为支架移植物，镍钛合金表现出严重的点蚀和缝隙腐蚀。观察到的点蚀和不规则形状的腐蚀缺陷是材料失效的前兆。它们会削弱细金属丝的强度，导致应力裂纹，最终在循环脉冲作用下支架金属丝断裂。虽然血管内移植物的制造材料选择似乎比较谨慎，但如何将这些生物材料组装成装置内各种相互连接的结构，还需要进一步开发。

　　在生物环境中耐腐蚀性最好的金属是钛及其合金。Co-Cr 合金在没有点蚀和缝隙腐蚀的情况下也表现出良好的耐腐蚀性；但是，合金在水溶液中释放 Co 离子以稳定被动膜，因此在磨损条件下会反复释放 Co 离子。316 L 型不锈钢和镍钛合金偶尔会出现点蚀和缝隙腐蚀。因此，钛在金属中具有最高的耐腐蚀性。

　　钛的耐腐蚀性是其具有良好生物相容性的原因之一，但耐腐蚀性并不是生物相容性的充分条件。即使是最耐腐蚀的金属金（Au），其组织相容性也很差。

　　钛和锆（Zr）上的前成骨细胞比金上的前成骨细胞分化和钙化更快。此外，在钛上电镀铂（Pt）可增加耐腐蚀性，但会减少骨形成，因为钛的一种特性被屏蔽，从而阻止了骨形成。这些结果表明，与硬组织的兼容性并不完全取决于耐腐蚀性。换句话说，耐腐蚀性是生物相容性的一个必要条件，但不是充分条件；还有其他一些促成因素。

　　除还原环境外，腐蚀过程总会在金属材料上形成反应膜。惰性膜就是这样一种反应膜，它对防腐蚀的重要性尤其值得注意。当溶解度极低且没有孔隙时，薄膜对基底的附着力会很强。这样，薄膜就变成了惰性膜或耐腐蚀膜。惰性膜的厚度只有几纳米，是透明的。由于被动膜的形成速度极快，因此很容易变成无定形膜。例如，在钛金属基底上生成薄膜的时间约为 1/100 秒。由于无定形薄膜几乎不含晶界和结构缺陷，因此具有抗腐蚀性。不过，结晶会降低耐腐蚀性。

　　当使用 X 射线光电子能谱 (×PS) 对钛进行表征时，钛 2p 光谱根据价态显示出四个双态：Ti0 的金属态和 Ti2+、Ti3+ 和 Ti4+ 的氧化态。

　　惰性膜的组成、结构和化学状态与晶体 TiO2 陶瓷不同。Ti 上的惰性膜与 TiO2 陶瓷上的惰性膜对钙离子和磷酸根离子的吸附动力学是不同的。

　　平衡带的最大能量 Ev 与费米能 EF 的关系是通过将峰值线性外推至基线确定的。

　　对于钛上的被动薄膜，在 Hanks 溶液中的 Ev 值为 2.8-2.9 eV，在生理盐水中为 2.8-3.0 eV，而在没有极化的抛光钛上的 Ev 值为 2.8-2.9 eV；这一数值高于金红石的 2.5 eV。观察到的沉积 TiO2 薄膜的 Ev 值为 1.86 eV，Ti 上惰性薄膜的 Ev 值大于由 TiO2 组成的陶瓷的 Ev 值。换句话说，导带最小能量 Ec 与被动膜 EF 之间的能量小于 TiO2。 Ti 上惰性膜的 Eg 在 2.7 至 2.9 eV 之间，明显小于 3 eV，这表明 Ti 上被动膜作为 n 型半导体的特性要比 TiO2 陶瓷强得多。

　　Ti 与活体组织之间的界面反应受 Ti 的惰性膜特性支配。由于与大气中的水分发生反应，这种惰性膜在其表面形成羟基。在水溶液（如体液）中，这些羟基解离形成电荷 。在特定的 pH 值下，电荷变为零。它取决于周围溶液的 pH 值。这个 pH 值被定义为零电荷点（p.z.c.）。p.z.c.对每种氧化物都是特定的，是酸性或碱性的指标。就二开云网站 Kaiyun开云氧化钛而言，金红石型的 p.z.c. 为 5.3，锐钛型的 p.z.c. 为 6.2 因此，二氧化钛既不具有酸性也不具有碱性，而是几乎呈中性。

　　二氧化钛表面羟基的浓度相对较高。当浸入水溶液中时，这种浓度或润湿性会增加。这种高浓度促进蛋白质（如整合素和细胞因子）的吸附。

　　由于蛋白质是带电物体，因此吸附在金属表面会加剧蛋白质的构象。蛋白质在金属表面施加的静电力由惰性膜的相对介电常数决定；相对介电常数越大，静电力越小。二氧化钛的相对介电常数为 82.1，明显高于其他氧化物，与水的相对介电常数（80.0）相当。

　　因此，吸附在 TiO2 上的蛋白质的构象变化可能很小。在 Ti 上，纤维蛋白原吸附层较厚，但吸附量却少于水溶液中的金 Au 。由于钛被二氧化钛覆盖，而金暴露在外，表面没有氧化物，因此钛上的静电力小于金。在钛上，蛋白质的构象变化比在金上小。吸附在钛上的蛋白质更自然。

　　惰性膜在宏观上是稳定的。从微观角度来看，惰性膜通常在电解液中保持部分溶解和重新沉淀的连续过程。因此，其成分和化学状态会受到环境的影响。因此，惰性膜的表面成分会随着周围环境的变化而不断变化。钛和钛合金在生物环境中，特别是在细胞培养条件下，很容易沉积磷酸钙、亚硫酸盐和硫化物。

　　首先，磷酸根离子加入，然后钙离子加入，在 Ti 上形成磷酸钙。随着浸泡时间增加，钙和磷酸的浓度增加，钙和磷酸通过钛基质与钙离子和磷酸离子之间的直接反应结合在一起。Zr 不会在 Ti 上形成磷酸钙，而是形成磷酸锆。钛上的被动膜未完全氧化，反应性相对较强，而 Zr 上的被动膜比钛上的更稳定，保护性更强 。铌（Nb）和钽（Ta）的特性介于 Ti 和 Zr 之间。

　　惰性金属上其他氧化物的带隙能明显大于 Ti 的带隙能。因此，在惰性金属中，Ti 可能表现出最佳的反应活性，尤其是与 Zr 相比。钛的高耐腐蚀性与被动氧化膜所产生的适当反应性之间的最佳平衡，是钛在金属中具有出色生物相容性的最重要原因之一。

　　与其他金属相比，钛具有优异的耐腐蚀性，这是因为钛具有宏观上很强的惰性膜。

　　钛上惰性薄膜的带隙能较低，可产生最佳反应性。反应的结果是自然形成磷酸钙。

　　需要再次强调的是，惰性氧化膜使钛具有高耐腐蚀性和适当的反应活性，两者之间的最佳平衡是钛具有出色生物相容性的最普遍解决方案。将这些特性和由此产生的生物反应结合起来，对于阐明生物相容性至关重要。因为所有生物和组织反应都是从表面的电子转移开始的。

　　半抗原结合是发生变应性接触性皮炎(allergic contactdermatitis, ACD)的第一步。接触性变应原是低分子量(500道尔顿)化学物，称为半抗原，它们能够穿透皮肤的角质层屏障。半抗原本身不具有免疫原性，但其在与皮肤的蛋白质载体结合后则可被免疫系统有效识别。半抗原可能是天然存在的物质(如，毒葛树脂中发现的漆酚)、合成化合物、染料、芳香剂、药物或重金属盐。

　　半抗原与皮肤蛋白质的结合(蛋白质半抗原化作用)涉及在半抗原的亲电子基团与皮肤内靶蛋白的氨基酸亲质子侧链之间形成一个共价键。诸如醛类、酮类、酰胺类或卤化物等化学物都含有亲电子基团。金属阳离子[如，镍(Ni2+)是最常见的半抗原之一，以及铬(Cr3+)]也是众所周知的亲电子体。有些半抗原正常情况下不是亲电子体(前半抗原)，但是通过氧化作用或者通过表皮角质形成细胞和/或树突状细胞的代谢转化可以转变为有蛋白质反应活性的半抗原类型。其他影响半抗原致敏能力的因素包括亲脂性、立体化学结构以及蛋白结合亲和力。

　　人们对ACD的细胞和分子发病机制的了解已有了很大进展。除CD4+和CD8+T细胞外，还发现其他细胞类型也发挥关键作用，如自然杀伤性T(natural killer T, NKT)细胞、自然杀伤(natural killer, NK)细胞、固有淋巴样细胞和调节性T细胞。在诱发阶段，朗格汉斯细胞可能在免疫耐受的发生中发挥了作用，而不是像过去认为的那样在超敏反应中起作用。B细胞似乎也在ACD的起病过程中发挥了重要作用，它可在NKT细胞产生的IL4作用下分泌IgM抗体，从而导致补体激活和免疫细胞趋化作用。随着人们对ACD理解的不断进步，现已发现了新的机制和分子。

　　变应性接触性皮炎(allergic contactdermatitis, ACD)是一种常见的炎症性皮肤病，表现为瘙痒的湿疹样皮损。ACD由T细胞介导的迟发型超敏反应导致，当皮肤再次接触先前已致敏的同种化学物质时，就会诱发这种反应。ACD在一般人群中很常见，它是最常发生的职业性皮肤病。