鈦及其合金表面改性方法的研究進展與臨床應(yīng)用

路一凡 王東

(通訊作者)

030000山西醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院

鈦及其合金表面改性方法的研究進展與臨床應(yīng)用

路一凡 王東

(通訊作者)

030000山西醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院

純鈦和金屬材料在骨科的臨床治療中有各自優(yōu)勢，當(dāng)純鈦植入體內(nèi)后，更多的是通過物理方式與骨形成穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)而不是穩(wěn)定的化學(xué)鍵連接，因此純鈦材料對于促進骨的愈合還有很大改進空間。本文就純鈦表面改性的方法進行總結(jié)。

鈦及其合金表面；改性方法；臨床應(yīng)用

伴隨現(xiàn)代材料學(xué)的迅猛發(fā)展，純鈦在醫(yī)療領(lǐng)域中的地位也越來越重要。相比于其他材料，純鈦質(zhì)量較輕、無毒無害、較高的相容性，而且來源豐富，材料強度大，在目前骨科的臨床治療中，已具有不可取代的地位。在骨科的臨床治療中，純鈦材料的優(yōu)點為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，金屬強度可以滿足治療需要，但當(dāng)純鈦植入體內(nèi)后，更多的是通過物理方式與骨形成穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)而不是穩(wěn)定的化學(xué)鍵連接，因此純鈦材料對于促進骨的愈合還有很大改進空間。為了能使純鈦發(fā)揮更大的作用而不僅僅是力學(xué)支持，學(xué)者開始思考對純鈦表面進行改良，包括表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的優(yōu)化。目的在于增加其生物化學(xué)功能，更好地促進骨愈合，這樣的研究思路越來越得到認可[1]。

其實在現(xiàn)代材料學(xué)研究中，金屬材料的表面改性并非首次提出，其目的是增強其與周圍組織的結(jié)合強度，增強其耐腐蝕性，縮短骨愈合時間[2]。隨著研究的進展，純鈦表面改性的方法與意義越來越得到認可，相信也會越來越多地應(yīng)用于臨床。

種植體表面物理化學(xué)改性法

這是在保持鈦金屬穩(wěn)定性、力學(xué)強度的前提下，通過運用物理和化學(xué)等方法使種植體表面理化結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，擁有新的性能，增強固有性能的方法。這些方法可操作性強，且其操作不受種植體形狀的影響?？梢酝ㄟ^這些方法增加其與組織間的相容性。通過前期實驗研究可以得出的結(jié)論是，鈦種植體是否經(jīng)過表面物理化學(xué)處理對骨折的愈合程度有明顯差異，經(jīng)過處理的更有利于促進骨組織的生長[3]。

表面涂層修飾法：即利用可以使金屬表面粗糙的生物活性物質(zhì)，通過簡單的理化方法讓這些生物活性物質(zhì)固定于種植體表面。常用的有鈦漿涂層和羥基磷灰石涂層等，早期研究已經(jīng)表明其有利于促進骨形成[4]。使用鈦漿涂層，可以數(shù)倍地增加種植體的面積，這樣也就等同于增加了體外材料與身體組織的接觸面積，甚至可以使種植體的必要長度縮短[5]。同樣，涂層修飾法的不足也是十分明顯的，由于接觸面積的增大，摩擦力也隨之成倍增長，經(jīng)過長期負重很可能導(dǎo)致涂層分離，植入失敗。為解決這個問題，就需要進一步增加涂層附著強度。目前研究得知，利用激光熔覆技術(shù)[6]、離子束輔助沉積(IBAD)等技術(shù)會使附著強度明顯增強。Harris等利用氮離子注射使得種植體表面改性[7]，促進骨愈合過程。Heinrich等利用KrF準(zhǔn)分子激光器處理種植體表面[8]，使得種植體出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，促進骨愈合過程。

種植體表面電化學(xué)氧化法：電化學(xué)氧化法主要有陽極氧化法(AD)和微弧氧化法(MAO)兩種。電化學(xué)氧化法是以酸性溶液作為電解質(zhì)，通過電解原理，鈦失去電子化合價升高形成陽離子，同時溶液中的氧等得到電子成為陰離子，通過陰陽離子的結(jié)合，使得鈦表面形成一層氧化膜。從一方面來講，已經(jīng)有研究證明這些氧化膜可以誘導(dǎo)形成某些物質(zhì)，這些物質(zhì)可以加速骨的愈合過程；另一方面，這些氧化膜可以對金屬起類似保護膜的作用，防止其被腐蝕，增強其摩擦力。學(xué)者的下一步研究方向為使更多的針對通過控制電解過程中的環(huán)境因素用于精確調(diào)控氧化膜的厚度，創(chuàng)造最適合的骨愈合條件。

噴砂和酸蝕處理(SLA)：種植體粗糙的表面更有利于骨的愈合過程。對于增強表面粗糙程度，噴砂處理效果明顯，但目前的技術(shù)關(guān)于噴砂處理的可變因素較多，不易控制。處理后的種植體表面無法做到很精準(zhǔn)地滿足需要，甚至可能會出現(xiàn)降低其耐腐蝕性等情況。酸蝕處理方法簡單，經(jīng)過特殊酸性溶液的化學(xué)腐蝕處理后的種植體表面形成酸氧化物氧化層和一些微孔，有效增加了種植物的表面積，為骨愈合創(chuàng)造條件。

種植體表面轟擊法：顧名思義，通過物理方法直接作用于種植體表面，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如激光轟擊處理、電子束熱處理等。這些技術(shù)普遍具有重復(fù)性好、可控性強、效率高、無污染等優(yōu)點[9]。通過處理，種植體得到更加優(yōu)越的生物活性及骨結(jié)合能力。

種植體表面生物化學(xué)改性法

談到生物化學(xué)改性技術(shù)，首先要提到生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)可以是一些促進骨生長的分子，也可以是一些細胞黏附分子。目前已經(jīng)知道這些生物活性物質(zhì)對骨的愈合過程作用積極，于是學(xué)者開始研究如何利用生物活性物質(zhì)對種植體表面進行改性，使得種植體具有這些功能。具體來說，對這些特殊的生物分子利用生化手段使其結(jié)合于種植體表面以及空隙中，可以增加種植體的穩(wěn)定性。簡單來說，這些特殊分子可以作為生物活性介質(zhì)，促進種植體與組織生長。成骨細胞的增殖和分化對于骨整合意義重大，因此使用對于成骨細胞增殖分化效果積極的物質(zhì)與種植體整合效果明顯。生物化學(xué)改性的關(guān)鍵是在不影響分子生物活性的前提下，如何使之與種植體完美整合，發(fā)揮作用。下面列舉3種常見的種植體表面生物化學(xué)改性方法。

簡單吸附法：此法簡單易行，在所需生物分子的溶液中將種植體浸泡，使其黏附于表面及間隙。同時這種方法缺點也很明顯，一是其效果很大程度地取決于種植體表面結(jié)構(gòu)，對于某些表現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易吸附的種植體來說，此法效果欠佳；二是其可調(diào)控性差，只能簡單地通過浸泡時間和溶液濃度等進行大致調(diào)控，無法做到精確調(diào)整到最佳效果。因此，即使此法簡單且陽性研究報告不斷產(chǎn)生，但目前依然不是臨床首選方法。

化學(xué)鍵結(jié)合法：這種方法相對比較復(fù)雜。通過化學(xué)方法處理使得生物活性分子與種植體形成化學(xué)鍵的結(jié)合。由于形成了穩(wěn)定的鍵結(jié)合，這些結(jié)合于種植體的分子不能直接釋放于種植體周圍，但用此法表達的分子可以表現(xiàn)出與可溶解蛋白相同甚至更高的活力[10]。這種方法的優(yōu)點是其固定得穩(wěn)定、可靠，可以調(diào)控，通過化學(xué)鍵的結(jié)合可以保持其空間構(gòu)型，使得生理信號相互作用，促進骨組織愈合。缺點是對生物活性物質(zhì)的濃度及持續(xù)時間問題難以掌握。

復(fù)合涂層法：這種方法的主要原理是緩沖物質(zhì)，一些可以促進骨愈合的生物分子不容易結(jié)合于種植體表面，或者結(jié)合后其持續(xù)時間或者濃度不易調(diào)控。這讓人們開始利用一些可以穩(wěn)定結(jié)合于鈦種植體表面的有機物，這些有機物同時可以吸附或結(jié)合這些利于骨愈合的生物分子。目前已經(jīng)開始以此為基礎(chǔ)建立一個緩釋系統(tǒng)，可以精確調(diào)整生物活性分子在種植體周圍的濃度與持續(xù)時間。此系統(tǒng)巧妙地模仿了這種分子在體內(nèi)的正常分泌情況，使刺激持續(xù)時間與分子濃度滿足了組織細胞生長條件。Schmidmaier等通過動物實驗證明包被有結(jié)合了類胰島素生長因子-1與轉(zhuǎn)化生長因子-β1的聚乳酸-羥基乙酸涂層的鈦種植體植入人工骨折的大鼠脛骨后[11]，其治療及預(yù)后效果差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

鈦合金的臨床應(yīng)用

骨科領(lǐng)域：目前，在骨科領(lǐng)域中，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)普及，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的手術(shù)技術(shù)可以說已經(jīng)成熟，那么對手術(shù)成敗更大的影響因素是假體的選擇。術(shù)后存在假體的磨屑、應(yīng)力遮擋和骨關(guān)節(jié)面結(jié)合不佳等多方面問題[12，13]。運用經(jīng)過表面改性處理的鈦合金假體，可以更好地提供關(guān)節(jié)面結(jié)合能力，改善假體生物活性，提高手術(shù)成功率，減輕患者二次手術(shù)的痛苦。缺血性股骨頭壞死(ANFH)是一種由多種原因引起的股骨頭血供破壞所導(dǎo)致骨死亡的病理過程。文獻報道美國目前新增病例約10 000～20 000例，主要集中在20～50歲[14，15]，若沒有及時地發(fā)現(xiàn)與積極治療，最終只能通過人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)處理，對于年輕人術(shù)后生活質(zhì)量有很大影響。隨著研究的進展，有望利用鈦合金股骨頭內(nèi)撐器進行髓心減壓治療。

口腔領(lǐng)域：目前，在口腔領(lǐng)域中，由于鈦支架材料的生物相容性非常好，常常應(yīng)用于頜骨的缺損治療。對于口腔領(lǐng)域的生物學(xué)材料，毫無疑問，純鈦的利用最為廣泛，可以很好地達到口腔損傷治療以及口腔修復(fù)治療對于金屬材料的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉f，鈦合金材料在口腔領(lǐng)域是最具有開發(fā)潛力和臨床應(yīng)用前景的金屬[16]。具體包括仿生涂層，多孔純鈦支架，鈦種植體直接植入等。

鈦種植體的未來研究趨向

理化方法：鈦種植體的物理化學(xué)處理方法已經(jīng)很少單獨使用。其未來發(fā)展方向已經(jīng)不再滿足于單純增加其表面粗糙程度，而是要通過物理化學(xué)的處理，在增加粗糙程度的同時更多地滿足細胞組織的生長環(huán)境，更加利于生長，增強其抗菌性等。

生物化學(xué)方法：從納米層次上研究與緩釋載體研究相結(jié)合，在進一步提高分子黏附力的同時，提供穩(wěn)定的持續(xù)時間與濃度。隨著對于種植體表面改性的深入研究，各種方法的研究都快速進展并呈現(xiàn)出相結(jié)合的研究思路，更加接近體內(nèi)環(huán)境的緩釋系統(tǒng)，在細胞分子水平更精確地研究活性物質(zhì)與骨組織生長之間的關(guān)系，同時運用黏附性強的涂層材料，在物理化學(xué)前期處理的基礎(chǔ)上，綜合使用，取得效果。

新型涂層：生理學(xué)涂層，這種涂層模擬在體液環(huán)境下使種植體的表面有促進骨愈合作用的離子沉積。以上大多數(shù)的表面改性方法都還處于實驗研究階段，沒有真正用于臨床，因此這一領(lǐng)域值得我們進行更加深入、系統(tǒng)地研究。

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Research progress and clinical application of surface modification of titanium and its alloys

Lu Yifan,Wang Dong
(Corresponding author)
The Second Affiliated Hospital of Shanxi Medical University 030000

Pure titanium and metal materials in the clinical treatment of orthopedics have their own advantages,when the pure titanium implanted in the body,the more physical through the formation of a stable structure with the bone rather than a stable chemical bond,therefore,there is still much room for improvement in the promotion of bone healing by pure titanium materials.In this paper,the methods of surface modification of pure titanium are summarized.

Titanium and its alloy surface;Modification method;Clinical application

10.3969/j.issn.1007-614x.2017.12.2