表面改性技術在骨科植入物生物內固定中的應用

安俊波 李沅 董雙鵬 姜熙 張晨 天津市醫(yī)療器械質量監(jiān)督檢驗中心 （天津 300384）

內容提要： 鈦合金表面改性處理技術的應用，極大地增加了植入物的骨長入能力。經(jīng)噴砂處理的粗糙表面與新生骨組織黏合形成內固定。燒結鈦珠工藝可以得到完全聯(lián)通的孔隙結構，提高骨長入的能力。羥基磷灰石涂層植入體內后可以部分降解，誘導組織向涂層法向長入，降解殘留羥基磷灰石形成框架結構，可以提高界面的穩(wěn)定性。3D打印技術可以為患者量身定制多孔植入物，極大增強了骨長入的能力，有效提高了植入物的有效性和安全性。

鈦及鈦合金由于密度小、毒性低以及優(yōu)良的耐腐蝕性和生物相容性以及與人體組織相似的剛度，被廣泛地用作生物醫(yī)用植入材料，特別是骨科和牙科植入物[1]。然而相對于人體組織而言，鈦及鈦合金仍然是一種異體材料，并不能完全為人體所接受，鈦及鈦合金植入人體后，首先通過表面與植入物周圍人體生理環(huán)境接觸并產生相互作用，其表面結構及微觀特性對植入效果有較大影響。鈦合金金屬離子的釋放和植入物樣品表面磨損磨粒的形成以及生物惰性等缺點都能影響植入物的正常使用效果。假體植入物表面與新生骨組織結合不理想時會造成植入物內固定失效，進而導致手術失敗。為提高手術成功率，使植入物假體能有效地結合人體新生骨組織，實現(xiàn)新生骨組織細胞長入假體表面改性結構中而實現(xiàn)剛性骨結合，迫切的需要對鈦及鈦合金植入物進行表面改性處理以達到植入物生物內固定的目的。

1.表面改性技術分類

將假體植入物植入人體后，根據(jù)植入物與骨組織相互結合并固定的方式不同，可以將植入物假體分為骨水泥方式固定型和生物結合固定型兩種：骨水泥方式固定型為純物理包埋填充式內固定，將骨水泥攪拌均勻成黏流態(tài)后擠入假體周圍腔隙進而固定。生物結合固定型為經(jīng)過表面改性處理的外科植入物與新生骨組織剛性結合的固定方式。不同固定類型的植入物設計和性能要求有明顯差異，骨水泥一般在進行手術時進行粉體和液體的混合并不斷攪拌，骨水泥凝固過程中達到面團時間時擠入腔隙的植入位置，進而將假體固定在股骨的腔隙位置。骨水泥進入并填埋植入物和骨髓腔之間的腔隙，經(jīng)放熱反應，在幾分鐘內固化，從而將骨和植入物緊密地連接在一起并形成包埋式內固定。骨水泥固定有兩個顯著的缺點，首先是骨水泥聚合放熱時溫度可接近70?C，高溫灼燒會對骨組織造成不可逆的壞死損傷，進一步加劇患者病情；其次是植入物假體的沉降導致骨水泥與金屬界面間發(fā)生松動，導致假體失效而不得不進行二次翻修手術。

與骨水泥固定相比，生物型內固定通過骨性結合將植入物固定在骨組織界面上，使得骨組織和植入物之間形成永久性機械鎖合。植入物間隙中長入的骨組織使骨和植入物結合為一個整體，界面結合強度超過22MPa，可以承擔人體負重[2]。隨著科技的不斷發(fā)展，生物型內固定獲得了越來越廣泛的應用。調節(jié)改造植入物材料表面的結構和特性可以有效改善材料的植入效果，表面改性技術可以賦予鈦及鈦合金植入物優(yōu)良的骨長入能力以使其能同骨組織形成良好的生物結合。表面改性技術可以在保留鈦及鈦合金低彈性模量高疲勞強度的基礎上，大大改善其臨床使用效果。根據(jù)材料表面改性層的制造工藝不同，可以將表面改性技術分為噴砂處理、燒結鈦珠涂層、噴涂純鈦/羥基磷灰石涂層和3D打印多孔結構等類型，其中3D打印多孔結構為近年來發(fā)展起來的生物內固定表面改性新技術，正處于蓬勃的發(fā)展期，能夠為個性化定制醫(yī)療器械提供更多的治療方案，具有廣闊的發(fā)展前景及應用潛力。

2.表面改性技術的分析

2.1 噴砂處理

噴砂處理是采用壓縮空氣為動力，噴出高速氣流將噴料（石英砂）高速噴射到需要處理工件表面，撞擊出凹凸起伏的表面結構。由于磨料對工件表面的撞擊和碰撞效應，使工件表面可以獲得一定范圍的粗糙度。石英砂顆粒粒徑在0.2～3.0mm，可以使工件表面獲得不同的粗糙度。經(jīng)過噴砂處理的股骨柄屬于生物型內固定股骨柄，植入髓腔后骨組織附著在粗糙的股骨柄表面并且完全抓持股骨柄表面達到內固定作用。經(jīng)噴砂處理的植入物表面粗糙度在1.5μm左右，骨結合作用依靠骨組織黏合在植入物的粗糙表面形成骨結合以達到內固定的目的。相比于等離子噴涂涂層、燒結鈦珠涂層、3D打印多孔結構等類型，噴砂處理型生物內固定骨結合力較弱一些。

2.2 燒結鈦珠涂層

燒結鈦珠涂層為在植入物表層燒結厚度約1mm左右的鈦珠，鈦珠粒徑約0.1～0.3mm，孔隙率約30%～65%，具有良好的骨長入效果。見圖1。

燒結鈦珠涂層可以得到完全聯(lián)通的孔隙結構，提高骨長入的能力。相互聯(lián)通的孔隙具有通路，使得各個孔隙得以聯(lián)通，避免了盲孔的出現(xiàn)，盲孔為封閉孔，不與周圍其他孔隙聯(lián)通，是無效的閉合孔，盲孔率高的植入物中骨長入情況較差。

2.3 噴涂純鈦、羥基磷灰石及磷酸鈣涂層

羥基磷灰石是人體骨骼和牙齒的主要無機成分，牙釉質中97%為羥基磷灰石，而牙本質的70%、骨骼的65%為羥基基磷灰石，其余為有機質和水。羥基基磷灰石可以誘導骨長入，促進新生骨長入涂層深度方向的能力。羥基基磷灰石涂層植入體內后可以部分降解，誘導新生骨組織向涂層法向長入，降解殘留羥基基磷灰石形成框架結構，可以提高界面的穩(wěn)定性。由于羥基基磷灰石涂層孔隙較少，主要利用界面新生骨組織結合羥基基磷灰石向內擴展，骨長入量較少。羥基基磷灰石涂層與假體間的結合力較弱，容易導致假體松動[3]。再加上羥基基磷灰石涂層的部分溶解產生破碎顆粒，引起結合強度進一步減低，界面會產生微動或者松動，并可能產生炎癥[4]。認識到等離子噴涂羥基磷灰石及磷酸鈣涂層存在的種種不足，促使人們研究并發(fā)展新的科技來克服這些缺陷。

2.4 3D打印多孔結構

3D打印也被稱為增材制造技術，是將數(shù)字文件模轉化為物理成品的一種快速成型技術。在制造過程中，電子束熔融和激光束熔融是目前的主流技術。金屬粉末逐點融化形成微熔池并快速凝固，類似于逐點焊接。3D打印的優(yōu)點在于個性定制化和轉化數(shù)字模型的逐點鑄造過程?；颊呓馄式Y構各異，基于個體需求定制化的植入物，完美匹配植入位置，并且植入物最大程度填充植入腔隙。極高的配伍契合度獲得了良好的手術效果?？焖俅蛴碗s內部結構和外形結構的植入物有著無可比擬的臨床應用優(yōu)勢，見圖2。

圖1. 燒結鈦珠涂層

圖2. 3D打印多孔植入物

3D打印技術可以獲得30%～85%范圍的孔隙率，也可以設計100～1200μm范圍的孔隙尺寸，同時也可以在植入物內表面打印微結構。3D打印優(yōu)點的價值尤其表現(xiàn)在規(guī)則孔隙的聯(lián)通性方面。植入物的壓縮強度和彈性模量可以通過3D打印技術調整孔隙率來達到與個體患者相匹配，減少應力遮擋效應。

孔隙結構及尺寸是影響成骨誘導和骨長入的重要因素。合適的孔隙尺寸可以為成骨細胞的增值與遷移提供充分的空間，也決定了骨組織是否易于附著并通過孔隙。研究確定適當?shù)目紫冻叽绾涂紫堵始夹g要求范圍對植入物的檢測評價并獲得良好的臨場應用具有重要指導意義。

3.小結

各種鈦合金表面改性處理技術的出現(xiàn)，如噴砂處理、燒結珠表面、噴涂純鈦/羥基磷灰石涂層、3D打印多孔結構等，極大地增加了植入物的骨長入能力。經(jīng)噴砂處理的粗糙表面與新生骨組織黏合形成內固定。燒結鈦珠工藝可以得到完全聯(lián)通的孔隙結構，提高骨長入的能力。羥基基磷灰石涂層植入體內后可以部分降解，誘導組織向涂層法向長入，降解殘留羥基基磷灰石形成框架結構，可以提高界面的穩(wěn)定性。3D打印可以制造出形態(tài)大小自由可控的內部結構，可以為患者量身定制多孔植入物，極大增強了骨長入的能力，有效提高了植入物的有效性和安全性。3D打印表面改性技術具有廣闊的應用空間和巨大的市場前景。