表面修飾技術(shù)在鈦合金人工關(guān)節(jié)承載表面的應(yīng)用

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215009

1 引言

關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療嚴(yán)重關(guān)節(jié)疾病最有效的手段之一，隨著老齡化人口的逐年增長，關(guān)節(jié)置換術(shù)的需求也日益增多。雖然在過去的數(shù)十年中，關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)得到充分的肯定并已發(fā)展成為一種可靠的治療手段，但其自身仍然存在許多難題需要解決，其中最突出的問題是人工關(guān)節(jié)的使用壽命。通常情況下，人工關(guān)節(jié)的服役壽命只有15年，甚至更短，而對于年齡低于60歲的患者(占比約44%)，預(yù)期的使用壽命則要求超過20-25年。然而，假體表面的摩擦磨損嚴(yán)重影響了人工關(guān)節(jié)的服役壽命和治療效果。由超高分子量聚乙烯髖臼杯組成的人工髖關(guān)節(jié)植入人體后，約有20%的病患在施行置換手術(shù)后的10年內(nèi)遭遇磨屑聚積導(dǎo)致的假體松動(dòng)，其中一半的病人因疼痛和功能缺損而無法行走。該數(shù)字還在逐年攀升，至2026年，經(jīng)歷此種情況的病患人數(shù)將翻倍。因此，改善人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)性能將成為延長其使用壽命的有效途徑。

人工關(guān)節(jié)承載表面在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)承受多種沖擊載荷以及長時(shí)間的摩擦作用，因此，需根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行承載表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證其長期可靠的使用要求。在眾多人工關(guān)節(jié)材料中，鈦合金因其優(yōu)異的耐腐蝕、力學(xué)性能以及生物相容性等特點(diǎn)，展現(xiàn)出了巨大潛力。但是，鈦合金具有摩擦性能差的典型缺點(diǎn)，鑒于此，合適的表面修飾技術(shù)以提高其摩擦性能成為了鈦合金表面改性的關(guān)鍵。目前，相關(guān)研究已報(bào)道了多種表面修飾方法來提高鈦合金表面的摩擦性能，本文將對該領(lǐng)域近幾年的研究進(jìn)展進(jìn)行簡要闡述。

2 人工關(guān)節(jié)用鈦合金表面修飾技術(shù)

(1)表面織構(gòu)化處理

表面織構(gòu)是一種類似于高爾夫球表面凹孔的微結(jié)構(gòu)。經(jīng)表面織構(gòu)化處理后，基底表面的摩擦性能將得到有效改善，本質(zhì)上表面織構(gòu)的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)儲(chǔ)存潤滑液；(2)在摩擦過程中提供流體動(dòng)壓力；(3)減小對磨表面的接觸面積；(4)捕獲摩擦過程產(chǎn)生的磨屑?；谝陨咸攸c(diǎn)，鈦合金表面經(jīng)織構(gòu)化處理后能有效改善其摩擦學(xué)性能。Patra等[1]在Ti6Al4V合金表面利用機(jī)械加工的方式，構(gòu)建了末端形狀為平面、半圓形和錐形等多種結(jié)構(gòu)的微孔織構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)半圓形的織構(gòu)結(jié)構(gòu)能有效改善鈦合金表面的潤濕性，并在水潤滑條件下展現(xiàn)出相對較低的摩擦系數(shù)。Pratap等[2]在Ti6Al4V合金表面構(gòu)建了多種陣列類型的微孔織構(gòu)，擬用于改善表面的摩擦學(xué)性能。其中，網(wǎng)格排列的方式能最大程度地降低摩擦系數(shù)，并在陣列織構(gòu)疊加的情況下進(jìn)一步降低了摩擦系數(shù)(見圖1)。

圖1 (a)Ti6Al4V合金表面多種陣列織構(gòu)的構(gòu)建及(b)性能表征[2]

(2)表面涂層化處理。表面涂層化處理是一種提高人工植入材料耐磨損性能的有效方式。一般而言，表面涂層可以調(diào)節(jié)基底材料的表面形貌、物化組成以及生物相容性。典型地，經(jīng)表面修飾的金屬基底可以減少因磨屑導(dǎo)致的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，從而有效延長植入材料的使用壽命。目前，人工植入材料的表面涂層主要包括金屬氮化物、金屬碳化物、金屬碳氮化物和類金剛石涂層等。通過合理的表面涂層修飾，基底材料表面的硬度、彈性變形能力和潤濕性都將得到有效改善。相似地，鈦合金經(jīng)合理的表面涂層化處理也能獲得良好的摩擦學(xué)性能。Khanna等[3，4]在Ti6Al4V合金表面通過冷噴涂、熱處理和微弧氧化相結(jié)合的方式制備了結(jié)構(gòu)致密且與基底緊密結(jié)合的氧化鋁涂層，利用該涂層有望在人工髖關(guān)節(jié)上得到可靠的耐磨表面(如圖2所示)。

圖2 鈦合金人工髖關(guān)節(jié)表面修飾氧化鋁涂層的示意圖[3]

(3)表面接枝處理。為了避免生物植入材料表面的蛋白吸附，表面接枝處理作為一種切實(shí)可行的技術(shù)受到了極大的關(guān)注。此外，經(jīng)接枝處理后，基底表面所獲得的刷狀親水性聚合物層，其在結(jié)構(gòu)上與人體關(guān)節(jié)軟骨類似，可起到降低摩擦系數(shù)和提高潤滑性能的作用。特別地，對于一些具有極佳親水性的兩性離子聚合物，基底材料經(jīng)其接枝修飾后，改性表面在水潤滑條件下可獲得極為優(yōu)異的摩擦特性。鑒于此，越來越多的研究者在鈦合金表面接枝兩性離子聚合物，模擬關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)和功能，以提高人工關(guān)節(jié)用鈦合金表面的摩擦學(xué)性能。張等[5]利用自由基聚合合成了共聚物DMA-MPC，并將其修飾到Ti6Al4V合金表面(如圖3所示)。在摩擦測試過程中，DMA-MPC涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑性能，摩擦系數(shù)極低。劉等[6]將親水性聚合物聚乙烯基磷酸修飾到Ti6Al4V合金表面，改性表面在摩擦測試中展現(xiàn)出了極低的摩擦系數(shù)和極小的磨損，該聚合物刷層具有與天然關(guān)節(jié)軟骨相似的超潤滑特性。

圖3 Ti6Al4V合金表面修飾共聚物DMA-MPC的示意圖[5]

3 總結(jié)與展望

目前針對人工關(guān)節(jié)用鈦合金的表面修飾已發(fā)展了多種技術(shù)手段，主要包括表面織構(gòu)化，表面涂層化和表面接枝改性等，并在改善鈦合金的摩擦學(xué)性能上取得了良好效果。但是現(xiàn)有方法距離人工關(guān)節(jié)的長壽命使用需求還有一定差距，后續(xù)研究需拓展新的表面修飾技術(shù)或者有效協(xié)同多種表面修飾方法，以獲得更為優(yōu)異可靠的摩擦學(xué)性能，從而進(jìn)一步推進(jìn)鈦合金材料在人工關(guān)節(jié)承載表面的應(yīng)用。

致謝：感謝蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(YJ-QN1904)為本研究提供資助。