微弧氧化技術(shù)在骨科鈦植入體生物功能改性中的應(yīng)用進(jìn)展

梁鵬晨，李路易，常慶，史俊峰

1.上海中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，上海200120；2.上海健康醫(yī)學(xué)院附屬嘉定區(qū)中心醫(yī)院臨床科研中心，上海201800；3.上海健康醫(yī)學(xué)院分子影像學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200120

前言

醫(yī)用植入體對(duì)于臨床骨缺損修復(fù)非常重要。在過(guò)去的5年中，對(duì)植入體的需求急劇增加，其中，髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的數(shù)量增加了26%，預(yù)計(jì)到2030年增長(zhǎng)率將達(dá)到137%［1］。植入體相關(guān)感染是骨科手術(shù)常見(jiàn)的并發(fā)癥之一，易發(fā)生在開(kāi)放性傷口、內(nèi)固定或關(guān)節(jié)返修時(shí)。植入體相關(guān)感染能否解決，在很大程度上決定著手術(shù)的成敗。因此研發(fā)出具有抗菌性能且生物相容性好的植入體材料顯得尤為重要。鈦及其合金作為一種金屬材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和骨整合潛力而被廣泛應(yīng)用于骨科植入體領(lǐng)域［2］。然而鈦植入體在生理環(huán)境中，其表面容易被腐蝕，導(dǎo)致磨損碎片的增加以及金屬離子的釋放，從而對(duì)機(jī)體造成一定的損害，這導(dǎo)致鈦植入體的臨床運(yùn)用的局限性；同時(shí)，鈦植入體表面缺乏有效的抗菌能力，使得植入體容易被細(xì)菌感染，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的術(shù)后感染并發(fā)癥。此外，由于鈦植入體表面的生物相容性不好，降低了植入體的骨傳導(dǎo)性和骨整合性，導(dǎo)致植入體在體內(nèi)固定不良，增大二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。為了克服鈦植入體表面缺陷造成的相關(guān)問(wèn)題，可以對(duì)鈦植入體進(jìn)行各種類(lèi)型的表面改性（包括化學(xué)、物理和生物技術(shù)），從而提高鈦植入體表面的生物相容性和抗菌性，以促進(jìn)植入早期的骨愈合，并且減少植入感染的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)［3-4］。通常鈦植入體的表面與體內(nèi)生理環(huán)境會(huì)相互作用，因此鈦植入物表面特性將會(huì)直接影響植入體的生物相容性和抗菌性［5］。微弧氧化（Micro-Arc Oxidation,MAO）是在鈦、鋁、鎂及其合金等閥門(mén)金屬表面形成牢固附著的陶瓷涂層的一種經(jīng)濟(jì)、高效的表面處理技術(shù)。如圖1所示，通過(guò)MAO處理，可以將一些生物活性元素?fù)饺脞佒踩塍w表面，并且使得植入體表面呈納米多孔結(jié)構(gòu)，這些變化將會(huì)進(jìn)一步改善植入體的生物功能特性，使其更好地運(yùn)用在臨床中。本研究主要介紹MAO生物功能涂層的研究現(xiàn)狀，聚焦于探討鈣、磷、銀、銅、鋅和硅等生物活性元素以及它們?cè)贛AO涂層中的重要作用。

圖1 通過(guò)MAO技術(shù)在鈦植入體中添加生物功能元素Fig.1 Biological functional elements added in titanium implants by micro-arc oxidation technology

1 MAO生物功能涂層的研究現(xiàn)狀

1.1 鈦植入入體表面改性技術(shù)

鈦合金的表面改性方法主要有機(jī)械方法、物理方法和化學(xué)方法［6］。機(jī)械方法用于獲得特定的表面形貌并去除表面污染物。物理方法主要基于等離子體的技術(shù)，用于制備各種涂層并在涂層表面摻入生物活性元素?；瘜W(xué)方法相對(duì)更加多樣化，利用酸蝕刻去除污染物并產(chǎn)生清潔和均勻的表面；溶膠-凝膠和化學(xué)氣相沉積用于制造各種薄膜，可以將諸如蛋白質(zhì)、肽的生物分子固定在植入體表面上，從而誘導(dǎo)特定的組織反應(yīng)。

在上述表面改性技術(shù)中，電化學(xué)方法提供諸如溫和的加工條件、非視線(xiàn)操作、低成本以及大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。鈦及其合金的電化學(xué)改性主要有陽(yáng)極氧化、電沉積和MAO等方法。其中，當(dāng)傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化過(guò)程中施加的電壓高于生長(zhǎng)氧化層的介質(zhì)擊穿極限時(shí)，氣體釋放量增加，火花放電頻率增加，這種類(lèi)型的陽(yáng)極氧化通常被稱(chēng)為MAO、等離子體電解氧化或微等離子體氧化［7］。

MAO處理通常在由常規(guī)電解槽和高壓輸出電源組成的裝置中進(jìn)行（圖2），該工藝制備的涂層具有較寬的厚度范圍，為輕質(zhì)材料提供了有效的磨損和腐蝕防護(hù)。通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整，可以生產(chǎn)出具有保護(hù)性和多功能性的涂層。近10年來(lái)，MAO技術(shù)的發(fā)展為陶瓷涂層提供了與基體結(jié)合強(qiáng)度高、表面形貌和化學(xué)成分可控、耐磨耐腐蝕性能優(yōu)良的陶瓷涂層［8］。

對(duì)于鈦植入體，MAO處理使其表面具有更好的生物相容性和抗菌性［5］。通過(guò)MAO處理可以使得鈦植入體表面形成多孔和納米結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)特性將有助于成骨細(xì)胞快速粘附和增殖［9-11］。MAO技術(shù)可以描述為在電解液中的電化學(xué)氧化反應(yīng)，即等離子體化學(xué)反應(yīng)和熱擴(kuò)散的組合［12］。因此，MAO中的電解液配方對(duì)MAO涂層的化學(xué)組成具有很大的影響。鈣、磷、銀、銅、鋅和硅等生物活性元素，可以通過(guò)將其適當(dāng)添加在MAO電解液中，從而嵌入生長(zhǎng)在涂層氧化物中，允許對(duì)鈦植入體涂層組合物和性質(zhì)進(jìn)行廣泛的生物功能改性。通過(guò)把生物活性元素嵌入在MAO涂層中，從而改善鈦植入體表面的生物相容性和抗菌性，現(xiàn)已成為鈦植入體表面改性研究中的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

圖2 MAO裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of micro-arc oxidation device

1.2 含生物活性元素的MAO涂層

1.2.1 含鈣磷的MAO涂層羥基磷灰石是一種生物活性物質(zhì)，可以用來(lái)改善植入體與骨組織的生物相容性［13］。羥基磷灰石是由磷酸鈣組成，化學(xué)結(jié)構(gòu)為Ca10(PO4)6(OH)2，是骨組織的主要化學(xué)成分。在過(guò)去的10年中，羥基磷灰石涂層由于其骨整合性和生物相容性而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。通過(guò)在鈦植入體表面制備羥基磷灰石涂層，可以在鈦植入體和周?chē)墙M織之間形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵，有助于提高鈦植入體表面的骨整合性［14］。

在含有Ca-P的電解液中，利用MAO技術(shù)，可以在鈦植入體表面形成羥基磷灰石涂層，從而提高植入體的骨整合性［15］。Wang等［16］通過(guò)MAO技術(shù)在含有TiO2溶膠和甘油磷酸鈣的有機(jī)電解質(zhì)中，在鎳鈦合金上制備含Ca和P的TiO2涂層，涂層表面顯示出多孔且粗糙的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明由于Ca和P組合物的摻入，MAO涂層的生物活性顯著提高。在含鈣磷的電解液中制備MAO涂層，隨著Ca/P比的增加，涂層表面微孔的尺寸和深度也在增加，有利于人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的擴(kuò)散和增殖，從而提高植入體表面的生物相容性［17］。Dos Santos等［18］使用MAO技術(shù)和基于鈣磷的電解液在商業(yè)純鈦基板上制備多孔且均勻的羥基磷灰石涂層，并且進(jìn)行了成骨細(xì)胞培養(yǎng)以驗(yàn)證鈦材料表面的生物相容性，研究結(jié)果顯示該實(shí)驗(yàn)制備的羥基磷灰石涂層具有良好的細(xì)胞活性。

在乙酸鈣和甘油磷酸鈣組成的電解液中，利用MAO技術(shù)在鈦植入體表面制備羥基磷灰石涂層，結(jié)果顯示該涂層具有誘導(dǎo)成骨細(xì)胞系SAOS-2細(xì)胞產(chǎn)生更高的細(xì)胞活力和礦化的作用［19］。也有研究表明純鈦表面生成的粗糙多孔羥基磷灰石涂層能顯著促進(jìn)MC3T3-E1細(xì)胞的早期黏附、增殖及成骨活性［20］。Santos-Coquillat等［21］在含鈣和磷的電解質(zhì)中對(duì)純鈦植入物進(jìn)行MAO處理，細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示小鼠成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞在MAO涂層表面上具有良好的細(xì)胞粘附、擴(kuò)增和增殖，沒(méi)有細(xì)胞毒性跡象出現(xiàn)。

1.2.2 含銅的MAO涂層銅離子刺激人臍動(dòng)脈和靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的增殖［22］。銅可以降低間充質(zhì)細(xì)胞的增殖速率，增加它們分化為成骨譜系的能力［23］。據(jù)報(bào)道，銅對(duì)多種病原微生物具有抗菌能力［24］，鈦植入體上的銅涂層已被證明可以減少體內(nèi)細(xì)菌感染［25］；與抗菌活性更廣為人知的銀不同，銅是體內(nèi)的必需元素，因此可能更適合于體內(nèi)應(yīng)用［26］。將銅摻入生物材料中可以增強(qiáng)成骨和血管生成活性以及抗菌活性，從而減輕植入物相關(guān)感染［27］。

有研究報(bào)道，利用MAO技術(shù)在鈦植入體上制備含銅的陶瓷涂層時(shí)，銅的摻入不會(huì)顯著改變涂層的表面形貌和粗糙度，高濃度的Cu-MAO涂層還顯示出增強(qiáng)巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的成骨和殺菌能力［28］。Yao等［29］通過(guò)MAO技術(shù)將銅納米顆粒（CuNPs）成功摻入涂層中，該涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性，研究發(fā)現(xiàn)該涂層的抗菌能力可能是由兩種機(jī)制共同作用：涂層表面銅納米顆粒接觸殺滅細(xì)菌和涂層中銅離子釋放到溶液中殺滅細(xì)菌。Zhu等［30］利用MAO技術(shù)，在一種新型的含銅電解液中制備了多孔和納米結(jié)構(gòu)的銅摻雜TiO2涂層，結(jié)果表明銅元素的加入對(duì)TiO2涂層的形貌結(jié)構(gòu)和晶相組成沒(méi)有明顯的影響，摻銅的氧化鈦涂層對(duì)金黃色葡萄球菌的粘附有較好的抑制作用，并具有良好的促進(jìn)人骨肉瘤細(xì)胞（MG63）粘附、早期增殖和晚期分化的生物學(xué)活性。

上述研究說(shuō)明含銅的MAO涂層既有抗菌能力也具有一定的促成骨能力，但也有研究表明含銅涂層具有一定的細(xì)胞毒性。Zhang等［27］在不同濃度的銅納米粒子的電解液中，用MAO技術(shù)在鈦表面沉積了含有不同量的銅納米粒子的多孔TiO2涂層，研究表明由于釋放殺滅和接觸殺滅的綜合作用，銅納米粒子涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性，但是銅納米粒子含量較高時(shí)，涂層顯示出明顯的細(xì)胞毒性，此外CuNPs涂層可增加與血管生成相關(guān)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)和一氧化氮（NO）的產(chǎn)生。

1.2.3 含銀的MAO涂層臨床上為了對(duì)骨缺損疾病進(jìn)行修復(fù)，廣泛使用了幾種生物醫(yī)學(xué)材料，例如金屬材料、羥基磷灰石材料、可生物降解的聚合物材料和復(fù)合材料，盡管這些材料都具有較好的生物相容性，但通常不具備抗菌能力［26］。骨科植入手術(shù)后相關(guān)細(xì)菌的感染已成為目前臨床中亟需解決的問(wèn)題，臨床上需要抗菌性較好的植入體。銀以其優(yōu)良的抗菌性被廣泛應(yīng)用于抗菌涂層中。銀是一種廣譜的抗菌劑，以離子和金屬形式發(fā)揮抗菌作用［31］。細(xì)菌對(duì)Ag納米顆粒（AgNPs）的耐藥性較低［32］。

Song等［33］通過(guò)MAO技術(shù)在含低Ag的電解質(zhì)溶液中，成功制備了具有生物相容性和抗菌活性的含Ag磷酸鈣涂層。也有研究在含有銀納米顆粒的Ca/P基電解液中利用MAO技術(shù)，使得鈦植入體表面形成具有生物功能的含銀涂層，體外和離體測(cè)定顯示這些含AgNPs的新型植入體具有強(qiáng)抗菌活性，并且沒(méi)有任何細(xì)胞毒性跡象［34］。Teker Aydogan等［35］在含有Ca(CH3COO)2·H2O和Na2HPO4的基礎(chǔ)電解質(zhì)中，分別添加或不添加醋酸銀（AgC2H3O2），從而對(duì)商業(yè)純鈦進(jìn)行MAO處理，然后將樣品進(jìn)行抗菌活性和細(xì)胞活性檢測(cè)，結(jié)果顯示與無(wú)Ag的MAO涂層相比，摻入Ag的MAO涂層對(duì)金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌特性，并且在7 d的孵育時(shí)間內(nèi)不抑制肉瘤成骨細(xì)胞SAOS-2細(xì)胞的活力。利用MAO技術(shù)在鈦植入體上摻入Ag納米顆粒而開(kāi)發(fā)的新型涂層具有較好的抗菌性能，為解決臨床植入手術(shù)感染具有重要意義。

He等［36］采用磁控濺射和MAO相結(jié)合的復(fù)合處理方法，在鈦基種植體表面成功地制備了鍶和銀負(fù)載的多孔TiO2涂層，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)最佳銀、鍶含量的Sr/Ag復(fù)合TiO2涂層具有持久的抗菌活性、良好的細(xì)胞相容性（促進(jìn)成骨細(xì)胞的鋪展和分化）。Muhaffel等［37］將Ti6Al4V試樣在含有無(wú)水醋酸鈣和無(wú)水磷酸氫二鈉的基礎(chǔ)電解液中，分別加入或不加硝酸銀（AgNO3）進(jìn)行MAO制得試驗(yàn)樣品后進(jìn)行抗菌檢測(cè)，結(jié)果顯示與不含AgNO3的基礎(chǔ)電解液相比，添加AgNO3的基礎(chǔ)電解質(zhì)制備的涂層在模擬體液（SBF）中具有更好的生物活性，并且對(duì)大腸桿菌菌株具有更好的抗菌活性，且平板計(jì)數(shù)結(jié)果表明含銀涂層的抗菌效果是無(wú)銀涂層的4倍以上。鑒于Ag離子的摻入可以有效提升植入體表面抗菌能力，通過(guò)MAO技術(shù)將Ag納米離子嵌入鈦及鈦合金表面涂層而獲得更佳的骨修復(fù)材料已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1.2.4 含鋅的MAO涂層鋅是哺乳動(dòng)物體內(nèi)最重要的微量元素之一，其對(duì)成骨細(xì)胞的增殖具有激活作用，同時(shí)鋅還參與多種細(xì)胞分裂相關(guān)激素和酶的合成，促進(jìn)細(xì)胞分化［38］。

MAO摻鋅微孔納米涂層能有效促進(jìn)成骨細(xì)胞MG63的粘附、增殖與分化［39］。氧化鋅（ZnO）化學(xué)修飾的鈦表面也具有顯著的抗菌能力［40］。鋅不僅可以促進(jìn)骨形成，還可以抑制細(xì)菌粘附，因此含鋅涂層的鈦植入體可以較好地解決目前臨床上遇到的問(wèn)題。

含鋅植入材料在體內(nèi)可產(chǎn)生明顯的抗菌作用,抑制金黃色葡萄球菌或大腸桿菌引起的植入物相關(guān)感染［41］。劉宏銘等［39］發(fā)現(xiàn)MAO摻鋅微孔納米涂層具備良好的抗菌性能,對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌都具有明確的抗菌作用。因此含有MAO摻鋅涂層的生物材料有望開(kāi)發(fā)成新型的抗菌植入體。Zhang等［42］研究表明Zn2+和Ag納米顆粒共摻雜的MAO涂層對(duì)金黃色葡萄球菌具有持久的抗菌性能。雖然鋅具有廣泛的抗菌作用，但高濃度的鋅被認(rèn)為具有細(xì)胞毒性［43-44］。據(jù)報(bào)道鋅離子的毒性影響哺乳動(dòng)物細(xì)胞共有的基本代謝功能［45］。王丹寧等［46］研究表明低濃度MAO鋅涂層可以促進(jìn)成骨細(xì)胞（MG63）的生長(zhǎng)，而高濃度MAO鋅涂層則抑制MG63細(xì)胞的生長(zhǎng)。Zhao等［47］在鈦植入體上制備了不同鋅含量的MAO涂層，并評(píng)價(jià)了這些涂層對(duì)MG63細(xì)胞活性和變形鏈球菌抑菌作用的影響，結(jié)果表明鋅在電解液中0.199%～0.574%的濃度范圍內(nèi)對(duì)成骨細(xì)胞的細(xì)胞活性和對(duì)變形鏈球菌的抑菌作用均有促進(jìn)作用，而較高的鋅含量則可能對(duì)骨細(xì)胞的活性有不良影響，但鋅含量越高，對(duì)成骨細(xì)胞的抑制作用越強(qiáng)，對(duì)變形鏈球菌的抑菌作用也越強(qiáng)。

因此，謹(jǐn)慎的做法是在植入體表面摻入適量的鋅，以將鋅對(duì)組織細(xì)胞的毒性降至最低，并且也能達(dá)到所需抗菌目的。通過(guò)MAO技術(shù)，在鈦植入體表面制備含鋅涂層，有望提高植入體的抗菌能力和細(xì)胞相容性。但是，目前對(duì)鈦植入體含鋅涂層的毒性研究較為薄弱，這使得其臨床應(yīng)用受到局限。

1.2.5 含硅的MAO涂層硅是健康骨骼和結(jié)締組織所需的必需微量元素［48］。Si-TiO2納米管層可以有效促進(jìn)成骨細(xì)胞MC3T3-E1的粘附及分化［49］。Wang等［50］研究表明Si-TiO2涂層顯著促進(jìn)了MC3T3-E1細(xì)胞的早期增殖、后期分化和骨礦化能力；此外，Si-TiO2涂層可通過(guò)上調(diào)低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5的表達(dá)和下調(diào)Dickkopf-1（Dkk1）的表達(dá)來(lái)刺激成骨細(xì)胞增殖、分化和礦化，這可能使得Si-TiO2涂層具有進(jìn)一步應(yīng)用的巨大潛力。Hu等［51］采用MAO制備了含有多孔納米結(jié)構(gòu)表面的硅摻雜涂層，結(jié)果表明Si-MAO涂層顯示出比MAO涂層更高的MG63細(xì)胞增殖率和活力。楊小明等［52］研究表明鎂合金ZK60的含硅MAO涂層可促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、黏附及分化。因此利用MAO技術(shù)將硅元素?fù)饺脞佒踩塍w表面對(duì)改善鈦植入體的骨整合性具有較大意義。

2 結(jié)語(yǔ)

骨缺損是由損傷、病理性疾病或外科手術(shù)干預(yù)引起的。用于治療骨缺損的常規(guī)方法，即自體骨移植、同種異體骨移植和異種骨移植，遇到了諸如體內(nèi)排斥、細(xì)菌感染、供體不足和宿主的免疫反應(yīng)的限制。因此，能否通過(guò)人工合成植入骨材料規(guī)避自體骨和異體骨移植的缺陷是骨科臨床迫切需要解決的問(wèn)題。

生物醫(yī)用金屬鈦及其合金因其較好的生物力學(xué)性能及生物相容性，在臨床骨缺損修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是鈦植入體的骨整合性弱,植入體內(nèi)后只能與骨以機(jī)械鎖合的方式結(jié)合而非骨性結(jié)合，并且鈦本身不具有抗菌能力,容易引起細(xì)菌粘附,導(dǎo)致鈦植入體感染和松動(dòng)等一系列并發(fā)癥。

利用MAO技術(shù)，使得鈦植入體表面獲得納米多孔的形貌結(jié)構(gòu)以及多種生物活性元素的摻入，這對(duì)解決鈦植入體的臨床運(yùn)用局限性具有重要的意義。MAO的納米多孔形貌結(jié)構(gòu)有助于成骨細(xì)胞的粘附與增殖，使得鈦植入體的骨整合性提高。目前國(guó)內(nèi)外的研究中對(duì)植入體進(jìn)行MAO處理時(shí)，傾向于在基礎(chǔ)的鈣磷電解液中添加一種或多種生物活性元素，從而賦予植入體多種生物功能特性。在摻入幾種元素的生物功能涂層中，電解液中元素的配比對(duì)于涂層的性質(zhì)具有較大作用，通過(guò)研究不同元素配比的電解液制備的MAO涂層的特性，可以為開(kāi)發(fā)新型多功能的鈦植入體提供幫助，使得植入體兼有良好的生物相容性和抗菌性。但是某些功能元素在較大劑量時(shí)往往具有毒性，因此功能元素的添加劑量與植入體生理毒性的研究也應(yīng)該得到重視?？梢酝ㄟ^(guò)研究不同劑量的元素?fù)饺肓繉?duì)涂層的細(xì)胞學(xué)毒性實(shí)驗(yàn)影響，從而探究安全的電解液元素濃度范圍。

目前在研究MAO涂層的生物功能性時(shí)，多進(jìn)行體外細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)，但是細(xì)胞學(xué)層面往往不能全面地反映植入體在體內(nèi)的生理作用，因此利用動(dòng)物骨缺損模型研究植入體的體內(nèi)植入效果具有重要的意義。在以后研究中，可以增加體內(nèi)動(dòng)物骨缺損模型的實(shí)驗(yàn)，從而對(duì)植入體特性進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)。

總之，MAO技術(shù)已被證明是用于增強(qiáng)鈦植入體的骨整合性和抗菌性的有效表面處理，并且開(kāi)發(fā)多種化學(xué)組成的多孔涂層是MAO技術(shù)最具吸引力的特征。鑒于鈦植入體與周?chē)M織環(huán)境的相互作用主要發(fā)生在植入體的表面，對(duì)鈦植入體進(jìn)行適當(dāng)?shù)腗AO處理，提高其表面的生物活性，進(jìn)而促進(jìn)鈦植入體的骨整合和抗菌性，具有重要的臨床研究意義。