微弧氧化技術(shù)制備鈦基種植體表面涂層的研究進(jìn)展

王歡 劉洋 戚孟春 李靜怡 劉夢楠 孫紅

1.華北理工大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 唐山 063210；

2.華北理工大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 唐山 063210

鈦及其合金因優(yōu)越的機(jī)械性能以及生物相容性，被廣泛用作牙科種植體、整形外科骨組織修復(fù)替代材料等。但在生物環(huán)境中，鈦及其合金由于表面生物惰性，很難誘導(dǎo)快速的成骨和牢固的固定，影響種植體與骨周圍組織的骨性連接，從而影響種植體成功率[1]。此外，種植體植入后的細(xì)菌感染也是潛在的破壞性并發(fā)癥之一，最終導(dǎo)致種植失敗[2]。因此，各國學(xué)者嘗試采用多種表面修飾技術(shù)，例如噴砂酸蝕（sandblasted and acidetched）、選擇性激光熔覆、陰極氧化、磁控濺射等方法賦予種植體表面更好的生物學(xué)性能。在眾多表面修飾技術(shù)中，微弧氧化（micro-arc oxidation）技術(shù)因操作方便、成本低，能有效調(diào)整所制備表面涂層的微觀結(jié)構(gòu)和元素，提高種植體的成骨性和抗菌性，提高種植成功率，成為熱門的種植體表面改性技術(shù)。本文就微弧氧化技術(shù)制備鈦基種植體表面涂層及其成骨性和抗菌性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 微弧氧化

微弧氧化又被稱為等離子體氧化，是在陽極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的表面改性技術(shù)。以鈦?zhàn)鳛殛枠O，通過高壓電源使陽極表面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓，在電解液中發(fā)生弧光放電，從而在陽極表面制備出多孔二氧化鈦（TiO2）生物活性陶瓷涂層。該TiO2涂層從基體內(nèi)部反應(yīng)，以冶金方式原位生長，涂層與基體結(jié)合緊密，有較好的結(jié)合力，不易脫落[3]。

在使用微弧氧化制備涂層的過程中，反應(yīng)電壓、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、電解液成分等因素均會(huì)影響涂層的表面形貌和成分，從而影響種植體表面性能[4-9]。

1.1 反應(yīng)電壓的影響

隨著反應(yīng)電壓的增加，涂層的微孔密度減小、尺寸增大，且呈現(xiàn)出促細(xì)胞增殖能力和堿性磷酸酶活性；但過高的電壓會(huì)導(dǎo)致氧化層輕微開裂，表面變得不規(guī)則和粗糙，甚至涂層剝落，從而導(dǎo)致涂層失去相應(yīng)功能。

1.2 反應(yīng)時(shí)間的影響

氧化反應(yīng)時(shí)間的增加可使微孔數(shù)量減少，而涂層的微孔尺寸和粗糙度顯著增加，從而促進(jìn)了種植體表面細(xì)胞增殖、黏附，具備更高的生物活性。但過長的氧化反應(yīng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致涂層孔隙間產(chǎn)生裂紋，從而影響涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

1.3 反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度也會(huì)影響涂層形態(tài)，溶液溫度過低，可以導(dǎo)致TiO2涂層產(chǎn)生裂紋；溶液溫度過高，則會(huì)導(dǎo)致TiO2涂層形成液滴狀結(jié)構(gòu)，不能形成多孔結(jié)構(gòu)。

1.4 占空比的影響

在應(yīng)用微弧氧化技術(shù)時(shí)，占空比也可影響制備涂層的物理形貌。隨著占空比的增大，孔隙直徑也隨之增大，從而影響所制備涂層的生物學(xué)功能。

1.5 電解液成分的影響

在電解液中增加電解質(zhì)，可以顯著影響微弧氧化技術(shù)制備涂層時(shí)所需的氧化反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)電壓，證明電解質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間具備相關(guān)性。

2 微弧氧化制備不同顯微物理形貌的種植體

微弧氧化技術(shù)可以相對(duì)簡單、高效地在鈦金屬表面制備具有較高生物活性和結(jié)合強(qiáng)度的多孔TiO2陶瓷涂層。多孔、粗糙的形態(tài)可產(chǎn)生更高的比表面積，提高種植體與宿主骨之間的接觸面積和增加種植體表面親水性，并為細(xì)胞生長和骨形態(tài)發(fā)生蛋白提供大量的附著點(diǎn)，從而為細(xì)胞的生長提供了一個(gè)合適的微環(huán)境[10]，促進(jìn)成骨細(xì)胞在材料表面的黏附，從而促進(jìn)新骨形成和種植體骨整合[11]。

通過微弧氧化技術(shù)可在種植體表面制備與天然骨結(jié)構(gòu)更為相似的分級(jí)混合微-納米結(jié)構(gòu)涂層，可以更好地模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，為骨細(xì)胞的黏附提供更佳生物學(xué)性能的表面[12]。研究[13-14]發(fā)現(xiàn)，通過微弧氧化法在鈦基種植體表面制備直徑3～10μm的多孔形態(tài)具有更好的表面能，促進(jìn)白蛋白附著，增強(qiáng)細(xì)胞黏附性，可以促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附和成骨分化。有學(xué)者[15]提出與天然骨結(jié)構(gòu)更為相似的分級(jí)混合微-納米結(jié)構(gòu)，該雙尺度結(jié)構(gòu)對(duì)成骨細(xì)胞活性有協(xié)同作用，為骨組織的細(xì)胞功能提供更合適的表面環(huán)境，提高了骨傳導(dǎo)率。Zhang等[16]通過微弧氧化技術(shù)制備出孔徑0.5～3.0μm的大/中孔結(jié)構(gòu)TiO2涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層可能通過RhoA/ROCK通路影響成骨細(xì)胞樣細(xì)胞增殖和分化，基于該結(jié)構(gòu)的拓?fù)湔T導(dǎo)反應(yīng)促進(jìn)了細(xì)胞初始黏附、增殖和分化；該層次結(jié)構(gòu)的涂層在骨科和牙科種植體方面具有很大的應(yīng)用前景。

微弧氧化技術(shù)制備的“腦回型”TiO2涂層為微槽與納米顆粒結(jié)合在一起的雙尺度結(jié)構(gòu)，具有超親水性。Zhou等[17]也通過實(shí)驗(yàn)證明該種“腦回型”涂層具有良好的微觀結(jié)構(gòu)和超親水性，具有良好的成骨性。Li等[18]也通過微弧氧化成功制備“腦回型”結(jié)構(gòu)的TiO2涂層，結(jié)果表明該涂層能顯著促進(jìn)細(xì)胞黏附、擴(kuò)散和分化，增加基質(zhì)礦化；用雜種狗進(jìn)行的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，“腦回型”涂層可促進(jìn)骨整合，預(yù)示該涂層可能有助于更高水平的種植成功。

3 微弧氧化法固定功能離子改良種植體表面功能

含不同功能元素的表面改性種植體可以同時(shí)具有良好的骨整合性能以及抗菌性能，并在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微弧氧化法可通過放電的方式將電解液中的功能元素?fù)饺敕N植體表面的氧化層中，而非僅僅沉積于氧化層表面；涂層與種植體基體結(jié)合緊密，摻入的功能元素可提高鈦種植體的微弧氧化膜層生物學(xué)活性，并賦予膜層促成骨活性及抗菌活性。而這一特點(diǎn)是其他傳統(tǒng)改性技術(shù)所不具備的，例如噴砂酸蝕技術(shù)通過表面減法僅能改變鈦基種植體的表面形貌[19]，而微弧氧化技術(shù)則能在表面改性的同時(shí)摻入不同元素。

3.1 鍶（Sr）

Sr是一種沉積在骨組織的微量元素[20]。研究[21]結(jié)果表明，Sr離子可抑制破骨細(xì)胞的吸收活性，減少骨吸收，增強(qiáng)骨膠原合成，影響骨重建吸收和骨形成。因此，采用微弧氧化將Sr載入涂層中，改善涂層的成骨性能。Yan等[22]制備的Sr-HA種植體表面涂層，可改善涂層周圍骨微結(jié)構(gòu)，加速骨-種植體的融合。Sato等[23]在微弧氧化電解液中加入乙酸鍶半水化合物，制備的摻Sr涂層可促進(jìn)細(xì)胞成骨分化及鈣化，改善種植體骨整合。

3.2 銀（Ag）

Ag是一種強(qiáng)效非特異性廣譜抗菌劑，有主動(dòng)抗菌和長期抗菌的性能，且不易產(chǎn)生耐藥性[24]。采取微弧氧化技術(shù)將適量的Ag或其衍生物摻入種植體表面，使TiO2多孔涂層在發(fā)揮良好的生物活性的同時(shí)具備優(yōu)異的抗菌效果。Song等[25]通過采用微弧氧化技術(shù)摻入低濃度的Ag，呈現(xiàn)出良好的抗菌活性，并且未展現(xiàn)出細(xì)胞毒性。有學(xué)者[26]進(jìn)一步調(diào)整Ag的摻入量，使微弧氧化多孔涂層同時(shí)具備良好的生物活性以及優(yōu)異的抗菌效果。

3.3 銅（Cu）

Cu及納米Cu顆粒在一定濃度下具有抗菌性能和生物活性，并且不產(chǎn)生細(xì)菌耐藥性[27-28]，通過微弧氧化技術(shù)將Cu應(yīng)用于種植體的表面修飾，賦予種植體抗菌性能。Chang等[29]通過微弧氧化技術(shù)制備多孔納米級(jí)的含Cu離子的TiO2涂層，通過體外實(shí)驗(yàn)證明該涂層對(duì)金黃色葡萄球菌有抑制作用，并且可以促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附、早期增殖和后期分化。同樣，Huang等[30]采用微弧氧化技術(shù)在鈦基板上制備了含Cu陶瓷涂層，研究發(fā)現(xiàn)該涂層表面可以調(diào)節(jié)成骨樣細(xì)胞分化的微環(huán)境，可增強(qiáng)巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的成骨作用和殺菌能力，從而增加種植體表面的抗菌性能。Cu納米粒子在相對(duì)較低的濃度下具有較好的抗菌活性[31]，故通過微弧氧化技術(shù)將Cu納米粒子固定于種植體涂層，可賦予涂層良好的抗菌性能。Yao等[32]采用微弧氧化技術(shù)在不改變涂層微觀結(jié)構(gòu)和相組成的前提下，將Cu納米粒子成功融入多孔涂層的表面及內(nèi)部，制備了一種載Cu納米粒子的微弧氧化多孔抗菌涂層，并通過體外實(shí)驗(yàn)證明該涂層具有雙重抗菌機(jī)制（接觸滅菌和釋放Cu離子滅菌），呈現(xiàn)出優(yōu)良的抗菌活性。

3.4 鋅（Zn）

Zn是骨代謝和骨生成的重要微量元素，并在核酸代謝、基因表達(dá)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等諸多生理過程中起著至關(guān)重要的作用[33]。Yu等[34]采用微弧氧化技術(shù)在含葡萄糖酸鋅的電解液中制備了含Zn多孔TiO2涂層，通過研究證明該涂層有潛在的生物學(xué)活性和抗菌活性。Rokosz等[35]制備的含Zn涂層同樣能發(fā)揮良好的抗菌作用。

4 微弧氧化法聯(lián)合其他表面處理技術(shù)改良種植體表面性能

近年來，眾多學(xué)者通過微弧氧化技術(shù)與其他表面技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用對(duì)種植體進(jìn)行表面改性，使種植體表面獲得多種生物學(xué)功能。不同技術(shù)與微弧氧化技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可分為2種類型：1）通過其他技術(shù)輔助微弧氧化技術(shù)，改善微弧氧化制備涂層的物理形貌，從而增強(qiáng)種植體生物學(xué)性能。Li等[36]研究通過超聲輔助微弧氧化技術(shù)，增加了制備涂層的厚度，使涂層厚度由76.22μm增長到81.64 μm，從而獲得更佳的表面物理形貌。2）通過微弧氧化技術(shù)制備多孔形貌，后聯(lián)合其他方法摻入功能性元素，賦予種植體表面多種生物學(xué)功能。Lee等[37]采用微弧氧化聯(lián)合陰極還原兩階段方法制備出含Ag多孔涂層，將Ag摻入涂層中，使涂層具有良好的抗菌性能，且由于微弧氧化技術(shù)所制備的多孔涂層具有促進(jìn)細(xì)胞生長作用，從而可抵消摻入Ag所帶來的細(xì)胞毒性。He等[38]通過磁控濺射載Ag聯(lián)合微弧氧化載Sr，成功制備同時(shí)含有Sr和Ag的種植體涂層，并通過體外實(shí)驗(yàn)證明該涂層具有良好的抗菌活性和良好的細(xì)胞相容性，增強(qiáng)成骨細(xì)胞的黏附和分化能力，使該種植體同時(shí)具備促成骨性能和抗菌性能。

5 微弧氧化一步法賦予種植體表面多種生物性能

隨著微弧氧化技術(shù)的不斷發(fā)展，有學(xué)者更熱衷于研發(fā)更加便捷有效的表面處理方法，微弧氧化一步法可將2種及以上不同功能的元素同時(shí)摻入多孔TiO2涂層中，使所制備的涂層同時(shí)具備相應(yīng)的功能，較聯(lián)合多種方法更為簡單方便，逐步成為當(dāng)今的研究趨勢。Zhao等[1]通過微弧氧化一步法，在電解液中同時(shí)加入葡萄糖酸鋅和葡萄糖酸鍶，均勻一致地將2種不同功能元素Zn和Sr同時(shí)固定于種植體表面的多孔TiO2膜層內(nèi)部，且分布均勻，實(shí)驗(yàn)證明該涂層可促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附、增殖、分化和礦化，提高涂層與骨組織的早期骨整合，具有良好的生物學(xué)活性；同時(shí)抑制了葡萄球菌的增殖，具有良好的抗菌活性。Liu等[39]采用微弧氧化技術(shù)在鈦表面制備了Zn和Ag納米粒子共摻雜的微孔TiO2涂層；實(shí)驗(yàn)表明該涂層能顯著抑制金黃色葡萄球菌對(duì)該表面的黏附，減少培養(yǎng)基中浮游細(xì)菌的數(shù)量，證明Zn和Ag共摻雜的TiO2可以作為一種具有長期抗菌性能的生物活性涂層。

6 總結(jié)和展望

綜上所訴，微弧氧化可制備功能多樣的種植體表面涂層?？赏ㄟ^控制電壓、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等影響因素，制備具有不同表面形貌的TiO2涂層，從而改善種植體表面的生物學(xué)活性，也可以通過改變電解液成分，進(jìn)而影響所制備涂層的功能；另外，微弧氧化技術(shù)的研究逐漸由單一技術(shù)向與其他多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，由一步法引入單一元素向引入多種不同功能元素發(fā)展；該技術(shù)研究的深入具有重要的理論意義和廣闊的臨床應(yīng)用前景。

盡管微弧氧化技術(shù)的發(fā)展前景是非?？捎^的，但通過微弧氧化法大規(guī)?？焖僦苽浞€(wěn)定的種植體涂層相關(guān)的影響因素還不確定。對(duì)于微弧氧化一步法制備含多種功能元素的研究仍存在不足，缺少研究理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在制備表觀形貌、不同元素載入量以及所展現(xiàn)的實(shí)際功能活性等方面尚需要進(jìn)一步探索。制備兼具良好促成骨活性和抗菌活性的種植體，既能促進(jìn)種植體骨結(jié)合，又能防止種植體周圍炎，降低因細(xì)菌感染導(dǎo)致的種植體失敗率，提高種植體長期成功率的種植體表面多功能涂層，仍然是目前研究的主要目標(biāo)。