用于人工髖關節(jié)領域的表面涂層評價方法

張家振 翟豹 閔玥 田佳鑫 劉斌

1 前言

人工關節(jié)是為替代已失去功能的關節(jié)而設計的一種人工假體，目前應用于臨床的包括：人工髖關節(jié)、人工膝關節(jié)、人工肩關節(jié)、人工肘關節(jié)、人工踝關節(jié)等[1]。2014年，我國人工關節(jié)置換術總量已達近40萬例，其中近60%為人工髖關節(jié)置換。人工髖關節(jié)置換術是治療股骨頭壞死、髖關節(jié)發(fā)育不良、退變性髖骨關節(jié)炎、類風濕性關節(jié)炎等疾病終末期病變的最重要和最有效的手術之一[2]，其良好的臨床效果為越來越多的中青年患者在治療上提供了更多的選擇。年輕患者活動能力強、假體期望壽命長，對于中青年患者初次THA術中通常使用初始穩(wěn)定性好、骨長入效果更佳的生物固定型假體。生物固定型全髖關節(jié)置換的臨床療效通常被認為與假體初始固定、表面涂層、假體材質、以及關節(jié)摩擦界面等因素密切相關，其中與假體初始固定密切相關的表面涂層狀態(tài)至關重要[3]。

人工全髖關節(jié)假體通常包含：股骨柄、股骨頭、髖臼內襯、髖臼杯；股骨頭通常為CoCrMo或高性能陶瓷制成，髖臼內襯通常為超高分子量聚乙烯、高交聯(lián)超高分子量聚乙烯或高性能陶瓷制成；生物型股骨柄通常選取彈性模量較低、生物相容性好的 Ti6Al4V合金為基體，柄身部分結合多孔涂層；生物型髖臼杯通常選取Ti6Al4V合金或純鈦為基體，外側結合多孔涂層。

生物型髖關節(jié)中的多孔涂層由圓鈦珠、鈦粉、磷酸鈣陶瓷等通過相應工藝制備，多孔涂層的制備方法包括：高溫燒結或擴散連接、等離子噴涂、電泳沉積等。

1980年，Bobyn等人通過燒結工藝制備不同孔隙直徑的多孔涂層（見圖1），以研究不同孔徑對植入物多孔表面骨長入效果（見圖2）和固定強度的影響，結果表明孔徑在50-400 m范圍的多孔涂層可以在短時間（8周）提供最佳或最大的固定強度（17MPa）[4]。

圖1，不同尺寸燒結珠多孔涂層示意圖[4]。

圖2，剝離試驗帶有宿主骨的植入物SEM照片[4]。

多孔涂層的空間三維結構具有較高的孔隙率、理想的孔徑、較高的摩擦系數(shù)及較低的彈性模量，這些特性可增加骨長入的速度和深度以及改善初始的穩(wěn)定性，使植入物具有更好的骨整合和生物固定效果。等離子噴涂涂層形成粗糙度較大的表面形貌，有利于骨長入或骨長上，以提高植入假體的穩(wěn)定性。各大關節(jié)廠商和加工服務提供商紛紛推出自己的表面涂層產(chǎn)品（見圖3），常見的涂層類型包括金屬燒結多孔涂層、等離子噴涂金屬多孔涂層、等離子噴涂磷酸鈣涂層、金屬/磷酸鈣復合涂層等。

圖3，多孔涂層形貌圖：A Depuy公司的Gription涂層（采用圓鈦珠打底，表面燒結不規(guī)則鈦顆粒）；BOrchid公司的ASYMMATRIX涂層。

但是，表面涂層技術也存在一些問題，例如，燒結涂層工藝會導致假體基體材料疲勞強度顯著下降，等離子噴涂金屬涂層中O和N元素含量增高會造成金屬涂層脆性增大，等離子弧會導致羥基磷灰石高溫分解或結晶度下降等。因此，需要建立評價方法，表征表面涂層技術制備的涂層的各項性能是否滿足臨床需求。此外，諸如燒結工藝制備的多孔涂層，雖然具有較好的三維孔隙結構，但是工序流程多、生產(chǎn)周期較長。近年來增材制造技術在該領域凸顯其優(yōu)勢，可由鈦合金粉末通過高能束加工實現(xiàn)髖臼杯杯體與外側多孔結構的短流程、近終形的制備。未來可能成為一種重要的人工髖關節(jié)表面涂層技術，被人工關節(jié)制造商采用，國內已上市產(chǎn)品如愛康公司的3D打印髖臼杯[5]（見圖4）。

圖4，3D打印髖臼杯[6]。

目前，ISO和ASTM標準技術委員會分別建立了一系列表面涂層評價方法標準，用于表征包括涂層形貌學、靜態(tài)剪切強度、剪切和彎曲疲勞強度、耐磨損性能、羥基磷灰石涂層相含量、溶解性等性能。本文旨在針對應用于人工髖關節(jié)領域的各種表面涂層技術，建立科學合理的體外評價方法，用以評價表面涂層的臨床安全性和有效性。

2 髖關節(jié)多孔涂層的評價

對髖關節(jié)涂層的評價應遵循國內外相關的指南文件[7,8]、國際、國內及行業(yè)標準進行，如無特別聲明，對涂層的評價項目均針對最終產(chǎn)品，當產(chǎn)品因無法取樣用于測試時，方可選取相同工藝的試件。制造商應制定原材料的規(guī)范，如基體的材料牌號及符合的標準、表面粗糙度等信息。鈦及鈦合金粉末參照ASTM F1580標準[9]規(guī)定粉末化學成分、雜質含量、顆粒大小、粒徑分布等信息，羥基磷灰石參照 ASTM F1185標準[10]及 YY0303標準規(guī)定顆粒的化學成分、重金屬含量、HA的含量、Ca/P比、顆粒大小、粒徑分布等信息， -磷酸三鈣參照ASTM F1088標準[11]規(guī)定顆粒的化學成分、重金屬含量、 -磷酸三鈣的含量、Ca/P比、顆粒大小、粒徑分布等信息。

制造商應明確噴涂、燒結、電泳沉積等制備涂層的工藝方法，以及后處理措施，如用于改善噴涂之后磷酸鈣涂層結晶度和純度的退火或固溶處理的詳細過程等。

2.1 涂層成分及體視學評價

制造商應關注涂層和基體的化學成分和顯微組織（晶粒尺寸、相組成等）經(jīng)加工前后的變化，尤其是工藝過程中引入的雜質元素；并充分參考現(xiàn)有國際國內標準及文獻資料。以羥基磷灰石涂層為例，按照ISO13779-2標準[12]《外科植入物羥基磷灰石第2部分羥基磷灰石涂層》的要求，應進行元素分析，其Ca/P比的范圍介于1.67-1.76之間，重金屬元素的極限含量（見表1）。

表1，磷酸鈣涂層重金屬元素的極限含量

在結晶相中，羥基磷灰石結晶相含量不少于 50%， -TCP、 -TCP、 TTCP、CaO結晶相允許的最大含量為5%；羥基磷灰石的結晶度不低于45%。

涂層的表面形貌與假體初始固定和后期骨長入效果密切相關，制造商應明確涂層層數(shù)、孔徑范圍和粗糙度，規(guī)定對涂層厚度、孔隙率、平均孔隙截距、涂層界面梯度的要求，并參照ASTMF1854標準[13]的方法制定評價指標（見圖5）。

圖5，ASTM F1854體視學測試方法示意圖，A涂層厚度測量示意圖；B涂層空隙率測量示意圖；C涂層平均空隙截距測量示意圖；D涂層界面梯度測量示意圖。

2.2 涂層機械性能評價

髖關節(jié)表面涂層優(yōu)良的機械性能可以應對人體在活動中的力學挑戰(zhàn)，以保證產(chǎn)品植入身體后的安全性和有效性。常見的涂層機械性能測試方法包括：涂層的剪切疲勞試驗、涂層靜態(tài)剪切強度測試、涂層與基體間拉伸強度測試、彎曲疲勞試驗、涂層磨耗試驗。通過系列試驗可確定不同材料、表面條件、應力等因素下涂層服役的可靠性。

涂層的剪切疲勞試驗可參照 ASTM F1160標準[14]，其目的是確定涂層在107次正應力循環(huán)下的抗疲勞性能，以及涂層的結合強度和耐久性，試驗裝置（見圖6）。制造商應根據(jù)涂層類型，參照同類產(chǎn)品及標準制定涂層的剪切疲勞強度，如ISO13179-1標準[15]中規(guī)定等離子噴涂純鈦涂層107次正應力循環(huán)下的疲勞剪切強度為10 MPa。

圖6，涂層的剪切疲勞試驗測試裝置示意圖。

涂層靜態(tài)剪切強度測試參照 ASTM F1044標準[16]，評價連續(xù)磷酸鈣涂層或金屬涂層對于基體的剪切力或剪切后平行于水平面的涂層間的結合力。制造商應根據(jù)涂層類型，參照同類產(chǎn)品及標準制定涂層的剪切強度，如FDA關于指南文件[17]中規(guī)定，金屬涂層與基體結合界面的靜態(tài)剪切強度不低于20 MPa。

涂層靜態(tài)拉伸強度測試參照 ASTM F1047標準[18]（見圖7），評價連續(xù)磷酸鈣涂層或金屬涂層對于基體的附著力或涂層間的結合力。制造商應根據(jù)涂層類型，參照同類產(chǎn)品及標準制定涂層的拉伸強度，如 FDA關于指南文件中[8,17]規(guī)定，金屬涂層與基體結合界面的靜態(tài)拉伸強度不低于22 MPa；ISO13779-2標準[12]中規(guī)定，羥基磷灰石涂層與基體的粘結強度不低于15 MPa。

圖7，涂層與基體間拉伸強度測試裝置示意圖。

彎曲疲勞試驗可評價基體結合涂層后的耐疲勞性能，也可為涂層粘結效果（即抗破碎、抗裂紋等）提供一個主觀評價，進而評價涂層制備工藝及參數(shù)的合理性。試驗方法可參照 ASTM F1160標準[14]，磷酸鈣涂層、金屬多孔和非多孔涂層、金屬/磷酸鈣均可進行該試驗。

涂層的耐磨性試驗按照ASTMF1978標準[19]進行磨耗試驗（見圖8），利用裝載H-22砂輪的泰伯磨損機，并使用250 g的總負荷，每個樣品應當運行至少100個周期。熱噴涂涂層在磨損100個周期后，其質量損耗的總值應當小于65 mg（按重量計）。

圖8，泰伯磨耗試驗示意圖。A泰伯磨耗試驗機；B試驗前測試樣品，C試驗后測試樣品。

2.3 涂層穩(wěn)定性及耐腐蝕性評價

對于磷酸鈣類涂層，還應按照ASTMF1926標準[20]，對噴涂后的涂層的溶解度和溶解速率進行試驗，研究其在TRIS緩沖溶液中的體外溶解特性[21]，并與噴涂前的顆粒溶解特性相對比。

除關注涂層的機械性能外，還應關注其耐腐蝕性能，已有研究證實Ti6Al4V合金其中的V、Al是對生物體有潛在毒副作用的元素[22]，特別是V的生物毒性要超過Ni/Cr，如出現(xiàn)過度腐蝕，會導致腐蝕產(chǎn)物進入人體組織，引起嚴重周圍組織毒性反應，導致植入假體松動及翻修。

對于基體和涂層的成分不同的金屬等離子噴涂涂層，由于不同金屬間的腐蝕電位不同，可能引起電偶腐蝕；電子束熔融增材制造的產(chǎn)品，垂直于打印方向的面上的鈦合金由于 +相界面積大， 相含量較高，且優(yōu)先被溶解，造成其開路電位、腐蝕電位和鈍化電流密度較低，耐腐蝕性較鍛件有所下降[23]。

制造商在開發(fā)涂層產(chǎn)品時，如預期匹配的組合沒有骨科植入物領域的成功應用，應在產(chǎn)品上市前認真評估其風險，除關注不同材質界面間是否存在腐蝕現(xiàn)象和使用電化學法確定腐蝕電位（Ecorr）及腐蝕速率（Icorr）外，還應進行產(chǎn)品的金屬離子析出試驗，測定離子析出濃度并進行安全性評價。

2.4 涂層生物相容性評價

人工髖關節(jié)假體上的涂層，應按照GB/T16886系列標準進行生物學評價，必要時開展生物學試驗，試驗項目（見表2）。

表2，GB/T16886系列生物學試驗

如果多孔涂層在成分、相組成、形態(tài)學等方面與已上市涂層產(chǎn)品無可比性，還應通過動物實驗及適當?shù)慕M織學分析，證明其在體內的骨長入效果（長入深度、結合強度）或是否會引起周圍組織的損傷。

3 涂層工藝的評估

制造商除對涂層的成分、微觀組織、機械性能、生物學性能等進行研究外，還應評估涂層工藝對產(chǎn)品力學性能的影響。以高溫燒結產(chǎn)品為例，涂層制備需要在高溫環(huán)境中長時間加熱促進涂層與基體的冶金結合，高溫環(huán)境會使基體晶粒長大，顯微組織為粗大的網(wǎng)籃狀組織和魏氏組織，燒結態(tài)股骨柄力學性能顯著降低[24]。為保證人工髖關節(jié)類產(chǎn)品的安全有效性，制造商除可按照ASTM F1160標準進行試件彎曲疲勞試驗以評價基體結合涂層后的耐疲勞性能，還應提供應選取其燒結產(chǎn)品部件中的“最差情況”按照ISO7206系列標準[25,26,27]進行產(chǎn)品的疲勞試驗，如根據(jù)ISO 7206-4進行股骨柄的柄部疲勞試驗；根據(jù)ISO 7206-6進行股骨柄的頭頸部疲勞試驗；按照ISO 7206-12標準進行金屬髖臼抗變形試驗。

4 結語

隨著臨床醫(yī)學和材料科技的進步，表面涂層技術在關節(jié)假體領域得到了成功應用，業(yè)界和監(jiān)管機構也將更多的關注涂層在關節(jié)臨床中的應用與評價。隨著基礎研究與臨床應用結合的不斷加快，未來將會涌現(xiàn)出新的多孔涂層產(chǎn)品，除本文中提及的方法外，將會有更多與之相適應的方法應用于涂層評價。然而，目前的表面涂層評價方法仍然有許多不足，通過體外評價方法獲得的表面涂層的形貌學、力學性能和生物學性能與人工髖關節(jié)臨床安全有效性的關聯(lián)性和可接受指標仍然有待繼續(xù)研究確立。因此，需要加強基礎研究能力，制定科學的技術指標和試驗方法，以確保產(chǎn)品的安全有效性，同時也為注冊申報提供充分的支持性數(shù)據(jù)。

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