硅灰石涂層人體應用前景分析

張凡

生物醫(yī)學材料指的是一類具有特殊性能、特種功能，用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷、治療疾患，而對人體組織不會產(chǎn)生不良影響的材料?，F(xiàn)在各種合成和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種復合材料，其制成產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛地應用于臨床和科研。迄今為止，被詳細研究過的生物材料已有1000多種，醫(yī)學臨床上廣泛使用的也有幾十種，涉及到材料學的各個領域。目前生物醫(yī)學材料研究的重點是在保證安全性的前提下尋找組織相容性更好、耐腐蝕、持久性更好的多用途生物醫(yī)學材料。

人體骨中的主要無機成分是M10（R04）6（OH）2，其中M主要為鈣（Ca），R主要為磷（P），其晶體結(jié)構(gòu)完整，為細長針狀結(jié)構(gòu)。目前，在臨床上應用最多的是羥基磷灰石（HA）噴涂的人工假體。受到材料本身及制作工藝的限制，HA涂層在實際使用中存在一些缺點，如由于HA與機體的熱膨脹系數(shù)不匹配，造成涂層與機體之間的結(jié)合較差，容易產(chǎn)生剝落；另外，HA粉末未經(jīng)等離子體高溫熔化后，在涂層內(nèi)會產(chǎn)生許多非晶體及亞穩(wěn)定相，這些相在體內(nèi)黃精中容易降解，從而引起假體松動、失效。許多研究都在嘗試尋找新的骨替代材料。

硅灰石是一種輝石類礦物，被廣泛應用于傳統(tǒng)陶瓷工業(yè)。硅灰石陶瓷的生物活性還很少有報道。另外，硅灰石陶瓷的機械性能較差，達不到臨床使用的要求。所以，我們用等離子噴涂的方法在鈦合金機體上制備了硅灰石涂層，這樣既保持了硅灰石良好的生物活性，又具備了鈦合金的優(yōu)良機械性能。在體外模擬體液試驗中顯示硅灰石涂層具有良好的生物活性，能誘導類骨灰石在其表面沉積。細胞實驗的結(jié)果也表明硅灰石涂層具有良好的細胞相容性，能促進成骨細胞的吸附、繁殖以及分化。

本實驗用等離子噴涂的方法制備了一種新型硅灰石生物性陶瓷涂層。涂層植入到骨骼后，發(fā)現(xiàn)硅灰石能在涂層表面沉積，表明硅灰石涂層具有良好的生物活性。植入到股骨后，骨組織能夠在涂層表面延伸生長，涂層直接與骨組織緊密接觸，沒有明顯的排異反應及纖維組織出現(xiàn)，顯示了涂層良好的生物相容性和骨傳導性。涂層還具有良好的骨誘導性能，在植入到骨髓腔內(nèi)后，能誘導新骨在其表面形成。動物體內(nèi)植入實驗的結(jié)果表明硅灰石涂層具有良好的生物活性和骨性能，有望成為一種新型的骨替代材料。

1 噴涂方法的介紹

噴鍍法是采用燃燒能或電能將噴鍍材料（粉末或顆粒）熔化或霧化，造成熔融態(tài)或半熔融態(tài)的粒子流，并高速噴射到底材上而堆積成涂層的方法。其中等離子噴鍍（等離子噴涂）法是近年來開發(fā)和應用較廣的一種方法。用該種方法制備硅灰石涂層的技術文獻中多有報導，這種方法的工藝過程是利用直流電弧放電，把經(jīng)高溫加熱的氫氣、氮氣等部分電離成離子狀態(tài)，再以高速噴出而得到等離子射流。噴鍍材料（硅灰石粉）則以氣體為載體，吸入等離子射流中，經(jīng)高溫熔融或半焙融后高速沖撞在底材表面上而形成陶瓷涂層。

熱噴涂涂層是由燃燒火焰或等離子熱源將某種材料加熱至熔化或熱塑性狀態(tài)，形成一簇高速的熔態(tài)粒子流（熔滴流），熔滴依次撞擊基體或已形成的涂層表面，經(jīng)過粒子的橫向流動扁平化、急速凝固冷卻、不斷堆積起來而形成的。熔融粒子在與沉積表面接觸撞擊直至凝固時的冷卻速度較高，陶瓷粒子為104～106oC/s，金屬粒子為106～108oC/s，甚至更高。而前一顆熔滴撞擊到沉積表面形成涂層與后一顆熔滴撞擊它的表面區(qū)域相隔大約0.1 s，因此，足以使前一熔滴在后一顆熔滴到來前變形凝固并得到充分冷卻。所以可以認為每個噴涂粒子的行為都是獨立的。這樣涂層由一個個熔滴經(jīng)過撞擊→扁平變形→冷卻凝固堆積而成，熔滴之間相互獨立。

2 股骨硅灰石涂層在壓力下的作用研究

200N的力被用作軸向的載荷，這個巨大的力可以滿足移植復原后的咀嚼條件。因為所有FE模型的部分在壓力條件下有很小的拉緊，模型所采用的材料可以認為是具有線性，彈性和等方性的。材料的機械性能經(jīng)過網(wǎng)格化，每個模型的硅灰石涂層有1700000個元素和5個層。von Mises應力分布的骨被移植80微米厚度的硅灰石涂層。骨應力集中發(fā)生在皮質(zhì)骨的高彈性模量高于松質(zhì)骨。骨的最大應力（MBS）14.30兆帕附近出現(xiàn)股骨的頂端。這些結(jié)果與臨床現(xiàn)象，可以解釋分布在骨和骨頂端方向上的不對稱。無論是骨量和寬度在語言方面是小于頰側(cè)，當加載增加，植入將傾斜的頂端。因此，在頂端附近的頸部被這種傾斜壓平，然后壓力集中出現(xiàn)在這個位置。壓力在多孔骨的最低水平的范圍從0.04到4.98MPa。在其他情況下，分布在模型中的骨的應力不會因為厚度的變化而變化，而且產(chǎn)生最大作用力的位置也是相同的。

MBS將隨著硅灰石涂層厚度的增加而減少。如非涂層種植體的硅灰石涂層的厚度為零，MBS16.80 MPA是明顯高于同等情況下的硅灰石涂層移植體。對于60 mm硅灰石涂層移植體，MBS14.96MPA比非涂移植體低13.10 %。這表明，硅灰石涂層表面的股骨移植體可以較好的減少骨的應力集中，而且將提高植入的穩(wěn)定性。 硅灰石涂層厚度增加60至120微米，下降趨勢的曲線變得平滑。這種現(xiàn)象可以解釋為厚度的這個范圍內(nèi)是如此薄的影響應力分布骨變形引起的涂料200 N負荷下是不明顯的。然而，當變形的作用變得引人注目時，硅灰石涂層的厚度范圍為120-160微米，骨的最大壓力在這一范圍迅速從13.91下降到12.60 MPa，骨的應力集中進一步減少。

不同厚度的涂層模型在200N載荷下壓應力的路徑。伴隨著涂層厚度的增加，骨移植的涂層在壓應力的下變得弱了。細胞剪切力足夠激活骨細胞，并導致新骨形成。當適當?shù)膲簯ψ饔糜诠墙M織，在那個位置的拉力導致流體流動跳過樞紐處，然后剪切行為發(fā)生在鄰近骨細胞和成骨細胞有利于骨骼生長。結(jié)果顯示表明，梯度分布壓力較強的薄硅灰石涂料更有利于骨的再生。

考慮到影響的殘余應力對硅灰石涂層強度的影響，增加涂層厚度將使硅灰石涂層強度有所下降。當涂層厚度大于150微米，通過本涂層技術，硅灰石涂層還不適合到臨床應用。因此，最好是選擇厚度的硅灰石涂層的移植體是在范圍60-120微米。比較非涂層移植體，一定范圍厚度的涂層不僅有足夠的強度和減少應力的集中，而且還有利于骨骼的再生和移植的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與總結(jié)

硅灰石涂層在體液中具有生物活性、生物相容性和良好的骨傳導特性，與生物材料中常用的鈦合金基體的結(jié)合強度比HA涂層的結(jié)合強度提高近一倍。但是生物涂層在力學性能上的缺陷使其應用受到了一定的限制。研究指出涂層較薄弱的力學性能是與涂層結(jié)構(gòu)、殘余應力和裂紋擴展等有關。結(jié)論如下：

（1）通過機械研磨結(jié)合燒結(jié)工藝后制備了硅灰石粉末。分析表明制得的粉末，可以滿足噴涂送粉的要求。同時從顆粒的微觀結(jié)構(gòu)分析可見。

（2）在對硅灰石涂層進行力學性能研究時，這個軟件（Solid Works and COSMOS）的當前版本無法用于這項研究中的髖骨骼移植。需要更先進的軟件，利用CT掃描中的到的骨密度讀來得到準確地幾何圖形和密質(zhì)骨性能的變化。需要應用ansys軟件對骨骼移植進行分析。

（3）選擇植入橫截面和幾何尺寸時必需十分仔細，采用一個筆直支撐剖面和一個平行中剖面而得到的數(shù)據(jù)可能會與與實際移植和預期更為接近。內(nèi)側(cè)和外側(cè)斜坡剖面， 以及移植接口區(qū)域和表面區(qū)域的不同，引入了一些變量，這使得分析和得出數(shù)據(jù)都變得復雜了。endprint