基于生物醫(yī)用Ti6Al7Nb合金表面改性技術(shù)的研究進(jìn)展

李達(dá)漢，王樹軍, 陳宇澄，孫德奇，王崧全

(1.江蘇師范大學(xué), 江蘇 徐州 221116)(2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471039)(3.洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471039)

0 引 言

鈦及鈦合金具有良好的生物相容性、較低的彈性模量、較好的耐腐蝕性等諸多優(yōu)點，在醫(yī)療行業(yè)的用量逐年增加，且用途越來越廣[1]。一直以來，Ti6Al4V合金在臨床上的應(yīng)用最廣[2]，但其中的V元素對周圍生物細(xì)胞有害[3]，具有一定的致敏性。對此，1985年瑞士Sulzer醫(yī)學(xué)技術(shù)公司采用無毒害的β穩(wěn)定元素Nb替代元素V，研制出了Ti6Al7Nb合金[4]，并在經(jīng)過一系列機(jī)械性能和生物活性等相關(guān)實驗評估后，發(fā)現(xiàn)其機(jī)械性能與Ti6Al4V合金相當(dāng)[5]，耐腐蝕性[6]及延展性[7]更強(qiáng)，生物相容性[8]和生物活性[9]更優(yōu)異，且經(jīng)過長時間地臨床應(yīng)用后已實現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)化[10]，成為一種更加理想的生物醫(yī)用鈦合金材料。

但Ti6Al7Nb合金和大多數(shù)的鈦合金一樣，存在硬度低、耐磨性差等缺陷，特別是作為假體植入物時，極易發(fā)生摩擦磨損[11]，破壞合金表面的致密氧化層，導(dǎo)致耐腐性變差，摩擦與腐蝕的耦合作用會造成合金中Al等有害金屬離子向周圍生物組織擴(kuò)散，致使植入物附近的組織發(fā)生炎癥、過敏等病變，同時假體材料的長期磨損也會造成假體松動，嚴(yán)重影響其使用壽命[12- 13]。隨著人們生活水平的不斷提高及壽命的不斷延長，患者對內(nèi)植物的使用效果、使用壽命等的要求也不斷提高，如何應(yīng)用成熟的表面改性技術(shù)，優(yōu)化內(nèi)植物材料表面的耐磨性、耐蝕性及生物相容性等相關(guān)特性，逐漸成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點[14]。為此，就近幾年基于生物醫(yī)用Ti6Al7Nb合金的表面改性技術(shù)研究進(jìn)行綜述，分析相關(guān)技術(shù)的優(yōu)缺點，并對其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 表面改性技術(shù)研究

鈦及鈦合金在空氣和水溶液的環(huán)境中極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成非常穩(wěn)定的惰性TiO2氧化膜，該氧化膜鈍化能力強(qiáng)、自愈速度快，在遭受破壞后可以及時修復(fù)[15]。但植入體在人體內(nèi)服役工況非常惡劣，體內(nèi)環(huán)境中富含各種離子、含氧量充足，在摩擦過程的復(fù)合作用下，要求Ti6Al7Nb等醫(yī)用鈦合金植入體材料具有更強(qiáng)的耐磨防腐性。表面改性技術(shù)能夠基于機(jī)械、物理、化學(xué)等方法來改變鈦合金植入體表面氧化膜的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等，從而進(jìn)一步地提高其生物相容性、生物活性、耐磨性和耐腐蝕性等。表1所示為目前技術(shù)比較成熟的部分表面改性方法。

1.1 陽極氧化法

利用陽極氧化法在醫(yī)用鈦合金的表面制備一層氧化物薄膜以改善植入材料生物相容性的報道已屢見不鮮，可以往的研究大都是基于純鈦或者Ti6Al4V合金，而近幾年由于Ti6Al7Nb合金在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，已有學(xué)者通過電化學(xué)陽極氧化法在Ti6Al7Nb合金上制備納米多孔氧化物層，并對其生物活性、生物耐腐蝕性展開了研究。Huang等人[16]為改善Ti6Al7Nb合金的生物相容性，采用一種簡單的電化學(xué)陽極氧化法，即室溫(約25 ℃)下，在NaOH的堿性溶液中通過恒電位儀將陽極電流(0.2 A)施加到被拋光過的Ti6Al7Nb合金試樣上，持續(xù)12 min后在其表面制備出具有納米級孔隙的無Al氧化層，然后將其置于中性的模擬血漿(pH=7.4)中進(jìn)行耐蝕性測試和生物活性分析。研究結(jié)果表明，與未處理的Ti6Al7Nb合金試樣相比，陽極氧化處理不僅可以提高表面的耐腐蝕性，還可以促進(jìn)表面細(xì)胞粘附和增殖，如圖1所示[16]。隨后，Huang等人[17]進(jìn)一步研究了這種電化學(xué)陽極氧化工藝對Ti6Al7Nb合金周圍細(xì)胞活性的影響，發(fā)現(xiàn)合金表面產(chǎn)生的納米形貌涂層(孔徑<100 nm)可以增強(qiáng)合金表面潤濕性，提高蛋白質(zhì)吸附、細(xì)胞粘附、細(xì)胞遷移和細(xì)胞礦化等能力，即合金表面的生物活性因此而得到改善。

表1技術(shù)較為成熟的部分表面改性方法

Table 1 Some mature surface modification methods

圖1 細(xì)胞孵育6 h后不同Ti6Al7Nb合金樣品表面免疫熒光染色的細(xì)胞粘附圖像Fig.1 Cell adhesion images of immunofluorescent staining on different Ti6Al7Nb alloy samples after 6 hours incubation of cells：(a)untreated； (b)electrochemically anodized

為進(jìn)一步研究陽極氧化對Ti6Al7Nb合金表面性能的影響，有學(xué)者在陽極氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了其他熱處理方法，其效果也較為理想。Nguyen等人[18]對經(jīng)過陽極氧化—循環(huán)預(yù)鈣化—熱表面處理(APH)的Ti6Al7Nb合金樣品分別進(jìn)行了體外和體內(nèi)測試，通過扭矩和組織學(xué)分析評估，結(jié)果表明APH處理顯著增強(qiáng)了Ti6Al7Nb合金種植體的骨整合能力，且涂層與表面間的結(jié)合更為穩(wěn)定，即生物活性得到了提高。

1.2 微弧氧化法

微弧氧化法與常規(guī)的陽極氧化法的工藝過程較為相似，區(qū)別在于微弧氧化法依靠微弧放電產(chǎn)生瞬時高壓，從而改變材料表面氧化層的結(jié)構(gòu)，是一種在醫(yī)學(xué)上極具應(yīng)用前景的表面改性方法[19]。Moskalewicza等人[20]在含有(CH3COO)2Ca·H2O和Na3PO4的電解質(zhì)中通過微弧氧化工藝在Ti6Al7Nb合金上制備氧化層(厚度約為2.7～3.6 μm)，并對相關(guān)性能進(jìn)行了測試。研究結(jié)果表明，表面涂層出現(xiàn)開孔和近似球形的閉孔，且氧化物涂層與合金基底有著極好的粘附性，合金表面的生物活性也得到了改善。據(jù)報道，一些表面改性(如酸蝕、微弧氧化等)過程中材料的疲勞壽命可能會受到影響[21]，為此Campanelli等人[22]對表面經(jīng)過微弧氧化處理過的Ti6Al7Nb合金和純鈦進(jìn)行了軸向疲勞試驗，并通過建立S-N曲線進(jìn)行疲勞性能評估。研究發(fā)現(xiàn)， Ti6Al7Nb合金樣品的疲勞行為并未因微弧氧化而改變，表明微弧氧化處理既可以產(chǎn)生促進(jìn)骨整合的TiO2層，改善Ti6Al7Nb合金表面的生物活性，也不會影響樣品的疲勞特性。

Karbowniczek等人[23]在表2所示的不同電解質(zhì)中，通過微弧氧化的方法在Ti6Al7Nb合金表面制備含有羥基磷灰石的氧化物涂層，并對其性能與結(jié)構(gòu)展開了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)組分對涂層厚度、粗糙度和化學(xué)組成有著較為明顯的影響，且相較于S2、S3涂層，S1涂層有著與基材更高的粘合度以及更優(yōu)異的生物活性。這對于Ti6Al7Nb合金植入物的臨床應(yīng)用有著重要的意義。

表2 3種不同電解質(zhì)的構(gòu)成

Table 2 Composition of three different electrolytes

1.3 熱氧化法

相較于氣相沉積、離子噴涂等工藝過程相對復(fù)雜的表面處理方法，熱氧化法是一種經(jīng)濟(jì)實惠、工藝簡單易行的表面改性技術(shù)[24]。Aniolek等人[25]在500～800 ℃的條件下對Ti6Al7Nb合金進(jìn)行了熱氧化，并對在20 min～72 h不同時間段內(nèi)的氧化性開展了研究，發(fā)現(xiàn)金紅石型TiO2是較高氧化溫度下氧化產(chǎn)物的主要相，且氧化層的連續(xù)性及其顆粒尺寸隨氧化溫度的升高而增加，此時的硬度和耐磨性也得到增強(qiáng)。Krzysztof等人[26]測定了熱氧化法制備醫(yī)用Ti6Al7Nb合金氧化層時的氧化參數(shù)，并分析了氧化參數(shù)對氧化層力學(xué)性能、厚度、形貌的影響。研究結(jié)果顯示，在600 ℃下獲得的氧化層厚度較小(最大0.22 μm)，在800 ℃下氧化形成了最厚的氧化層(1.56～5.42 μm)，即氧化層的厚度與硬度均隨著氧化時間和溫度的增加而增加，耐磨性也得到改善；此外，800 ℃下熱氧化會使Ti6Al7Nb合金的拉伸強(qiáng)度降低14%，屈服點降低17.5%，塑性降低約4%，如圖2所示。因此，氧化法能夠提高Ti6Al7Nb合金的表面硬度及耐磨性，但會降低其強(qiáng)度和塑性。

圖2 Ti6Al7Nb合金經(jīng)不同溫度熱氧化后的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of Ti6Al7Nb alloy in its initial state and after oxidation at various temperatures

1.4 噴砂酸蝕法

噴砂酸蝕是目前植入物材料表面改性中應(yīng)用較多的一種方法，與一般表面處理方法不同，該方法是通過酸蝕使得植入物材料表面形成微孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善其生物活性。張靜瑩[27]將新生SD大鼠的成骨細(xì)胞制成細(xì)胞懸液，并接種到經(jīng)噴砂酸蝕處理過的3種不同鈦材(純鈦、Ti6Al7Nb、Ti6Al4V)表面，通過噻唑藍(lán)(MTT)細(xì)胞活性實驗觀察成骨細(xì)胞的生殖情況。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)噴砂酸蝕處理后，Ti6Al7Nb合金表面形成了明顯的孔洞結(jié)構(gòu)，粗糙度明顯增大，培育24 h后，相較于其他2種材料，表面粘附的成骨細(xì)胞數(shù)量更多、生長情況更好(如圖3所示)。

圖3 不同樣品表面培養(yǎng)成骨細(xì)胞24 h后的熒光照片F(xiàn)ig.3 Fluorescence photographs of different surfaces with osteoblasts cultured for 24 hours：(a)Ti, polishing; (b)Ti6Al4V, polishing; (c)Ti6Al7Nb, polishing; (d)Ti, SLA; (e)Ti6Al4V, SLA; (f)Ti6Al7Nb, SLA

1.5 離子注入法

離子注入法是在一定的真空環(huán)境中，將某些元素離子通過高達(dá)幾十萬伏的高壓電場進(jìn)行加速，進(jìn)而形成高能離子束, 使其高速撞擊并嵌入到基體表面, 從而形成一個具有特殊性質(zhì)的表面層。離子注入過程中不會改變基體材料原有的性能，但可以改善材料表面的耐腐蝕性、耐磨損性和抗疲勞性等，近年來已經(jīng)成為一種應(yīng)用較為廣泛的新穎表面改性技術(shù)。蔡振兵等人[13]在小牛血清溶液潤滑的條件下，對經(jīng)過氮離子注入處理的Ti6Al7Nb合金表面開展了扭動微動摩擦磨損行為研究。結(jié)果表明，氮離子的注入促使Ti6Al7Nb合金表面生成氮化層，硬度和表面粗糙度隨之增大，耐磨性也因此得到增強(qiáng)。鄭新穎等人[28]通過往復(fù)滑動微動磨損實驗研究了經(jīng)氮離子注入的Ti6Al7Nb合金及具有類金剛石(DLC)涂層的Ti6Al7Nb合金在人工唾液環(huán)境下的磨損性能。研究發(fā)現(xiàn)，Ti6Al7Nb合金的抗微動磨損性能隨著氮離子濃度的增加而提高，不過在人工唾液的環(huán)境下，DLC涂層的Ti6Al7Nb合金組相比于其他氮離子注入合金組具有更好的抗磨損性能。

1.6 其他表面改性技術(shù)

除了上述表面改性技術(shù)外，還有電泳沉積法、溶膠-凝膠法、氣相沉積法等，這些表面改性技術(shù)相對來說也較為成熟，近些年也有不少學(xué)者對其在Ti6Al7Nb合金表面改性方面做了大量的研究工作。

電泳沉積法與陽極氧化法類似，也是基于電場作用的原理使懸浮液中帶電的顆粒發(fā)生定向移動，從而在電極表面形成涂膜的工藝過程。Rafieerad等人[29]在50 V的恒定電壓下，利用電泳沉積技術(shù)于Ti6Al7Nb合金種植體表面制備了羥基磷灰石-氧化鋯(HA-ZrO2)的納米復(fù)合涂層，并對該涂層的性能進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，復(fù)合涂層具有超親水性，且培養(yǎng)在模擬體液中的種植體表面復(fù)合層能夠在5 d內(nèi)誘導(dǎo)形成磷灰石，即生物活性得到了顯著提高。Hamad等人[30]在Ti6Al7Nb合金基體上對使用不同參數(shù)下的電泳沉積法制備氧化鋯涂層展開了一系列的性能研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著施加電壓的增加和涂覆時間的延長，所沉積的納米氧化鋯涂層的厚度和重量也隨之增大，表明選擇合適的電泳沉積條件，可以在Ti6Al7Nb合金樣品表面制備厚度均勻、薄且連續(xù)的納米氧化鋯涂層，這對增強(qiáng)合金表面的生物活性具有重大意義。

溶膠-凝膠法是基于原料水解、聚合反應(yīng)形成溶膠，再進(jìn)一步生成具有三維空間結(jié)構(gòu)的凝膠，最后經(jīng)過熱處理制備出所需要的涂層材料。Wozniak等人[31]通過溶膠-凝膠法在Ti6Al7Nb合金表面沉積了氧化鋯的涂層，并對其進(jìn)行了電化學(xué)腐蝕試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，溶膠-凝膠法獲得的致密氧化鋯涂層可以有效改善Ti6Al7Nb合金的耐腐蝕性。

氣相沉積法是指涂層材料在氣相狀態(tài)下，經(jīng)過物理或者化學(xué)過程在基材表面形成涂層的方法。根據(jù)成膜過程不同，可分為物理氣相沉積法(PVD)和化學(xué)氣相沉積法(CVD)。郭愛紅等人[32]在眾多的物理氣相沉積法中選取了沉積效果較好的磁控濺射技術(shù)，在Ti6Al7Nb合金的表面制備了TiN涂層，并進(jìn)行了相關(guān)性能測試。研究發(fā)現(xiàn)，濺射3 h后TiN層的硬度相較于未處理合金提高了3倍，即硬度和耐磨損性得到了明顯的改善。Pd作為貴金屬元素，在一些潮濕的環(huán)境中有著極佳的耐腐蝕性，Rafieerad等人[33]通過磁控濺射在Ti6Al7Nb合金表面制備了一層具有Pd/PdO的涂層，并對其進(jìn)行了不同溫度的退火處理。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過表面處理后的Ti6Al7Nb合金的耐腐蝕性和親水性均得到明顯增強(qiáng)，且經(jīng)過650 ℃退火處理后合金具有最大的硬度和彈性模量,如圖4所示。

圖4 未經(jīng)處理的、經(jīng)濺射處理并在不同溫度下退火的Ti6Al7Nb合金的彈性模量和硬度值Fig.4 Elastic modulus and hardness values of untreated, sputtered and annealed Ti6Al7Nb alloy at different temperatures

2 結(jié)束語

綜上所述，近年來針對醫(yī)用Ti6Al7Nb合金的表面改性技術(shù)發(fā)展迅速，如陽極氧化法、微弧氧化法和電泳沉積法皆是基于電化學(xué)原理所進(jìn)行的表面改性技術(shù)，均可在Ti6Al7Nb合金表面制備出性能極為優(yōu)異的涂層，其中微弧氧化法的工藝過程更為簡單，且廢液排放量少，是一種較為環(huán)保的表面處理工藝；熱氧化法工藝步驟少，可操作性高，經(jīng)濟(jì)實惠，但存在耗能高、不環(huán)保的缺點；離子注入法和氣相沉積法成本高昂，制約了二者的發(fā)展；溶膠凝膠法和噴砂酸蝕法成本低廉、操作簡單，應(yīng)用較為廣泛，但前者涂層與基材粘結(jié)不牢，后者的酸蝕會破壞Ti6Al7Nb合金原有的鈍化層，進(jìn)而影響其耐腐蝕性。從涂層性能、工藝流程及環(huán)保等方面綜合考慮，目前的微弧氧化技術(shù)實用性較好，在未來一段時間會有著廣泛的應(yīng)用前景。

另外，現(xiàn)行的表面改性技術(shù)雖然在提高涂層耐磨耐蝕性、生物活性及生物相容性等方面不斷進(jìn)步，但涂層與基體結(jié)合力較差、涂層與基體間物理化學(xué)性能突變引起的植入物性能缺陷及耗能排污等方面問題仍未解決。隨著表面改性技術(shù)的不斷發(fā)展，梯度涂層制備成為近些年材料表面改性的研究熱點，通過多種表面改性技術(shù)復(fù)合，制備多功能梯度涂層[34]不僅能夠?qū)崿F(xiàn)涂層成分和結(jié)構(gòu)的梯度化，還可以增強(qiáng)涂層與基體的粘合度，并抑制基體和涂層之間的性能突變；而針對氧化法所造成的耗能高、污染大等問題，正交試驗設(shè)計、時間參數(shù)優(yōu)化是必要的解決途徑，同時電解質(zhì)溶液的不斷改性是解決污染大的最有效方法。隨著材料科學(xué)、化學(xué)及表面改性技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來一定能夠在環(huán)保的基礎(chǔ)上基于Ti6Al7Nb合金基體制備出性能更加優(yōu)異的涂層，這對Ti6Al7Nb合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義。