生物醫(yī)用多孔鈦及鈦合金表面改性的研究進(jìn)展

何喜，馮威, *

（1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.四川省粉末冶金工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610106）

鈦及鈦合金因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性而常常作為牙科植入物和骨骼損傷修復(fù)材料[1]。但鈦合金材料與骨組織的彈性模量不匹配，以及骨細(xì)胞在材料內(nèi)部生長(zhǎng)的空間較小等限制了其作為植入物材料使用[2]。為解決彈性模量不匹配的問(wèn)題，有學(xué)者提出用多孔鈦代替實(shí)心鈦?zhàn)鳛楣侵踩胛锊牧蟍3]。盡管多孔鈦及鈦合金可以改善材料彈性模量的不匹配問(wèn)題，但其生物惰性、細(xì)菌感染和耐磨性差等問(wèn)題仍不可忽視。為了克服上述問(wèn)題，學(xué)者們對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行改性處理。植入體若耐磨性差，摩擦產(chǎn)生的磨屑會(huì)引起炎癥并對(duì)人體有毒，而植入體表面無(wú)抗菌性能則會(huì)造成細(xì)菌生長(zhǎng)，甚至植入體失效。如果能使鈦合金材料表面轉(zhuǎn)變成生物活性材料，那么鈦及鈦合金與骨的結(jié)合界面會(huì)由機(jī)械嵌合向生物結(jié)合轉(zhuǎn)變，這會(huì)更符合生理力學(xué)情況的需要，結(jié)合變得更加穩(wěn)定，而且有利于力的傳導(dǎo)。理想的醫(yī)用鈦合金材料與骨組織結(jié)合的方式是骨鍵合，其結(jié)合性質(zhì)為分子水平的化學(xué)鍵合，將提高表面生物活性作為增強(qiáng)結(jié)合的措施，以達(dá)到應(yīng)力傳導(dǎo)穩(wěn)定。本文簡(jiǎn)要介紹了多孔鈦及鈦合金材料在成骨、抗菌和耐磨幾個(gè)方面的表面改性，并探討了針對(duì)其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的表面改性在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 生物醫(yī)用多孔鈦及鈦合金誘導(dǎo)成骨改性

1.1 改變表面形貌

鈦植入體表面變得粗糙可以增大植入物的比表面積，有利于生物礦化過(guò)程，同時(shí)增強(qiáng)成骨細(xì)胞的附著、增殖和分化。植入體表面合適的微米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為具有積極作用，可以很好地促進(jìn)骨整合。有研究者發(fā)現(xiàn)材料表面組織會(huì)影響成骨細(xì)胞的取向，而表面形貌會(huì)影響成骨細(xì)胞的形態(tài)[4]。

徐廣勝等人[5]用鈦網(wǎng)燒結(jié)制備了孔隙率45%的多孔鈦，發(fā)現(xiàn)酸洗后多孔鈦表面形成階梯型層狀表面，在模擬體液浸泡時(shí)多孔鈦表面能形成均勻的羥基磷灰石層。 酸蝕表面種植體在8 ~ 10 a后的存活率和成功率很高[6]。有學(xué)者[7]將酸蝕后的鈦植入物浸泡在氯化鈣溶液中進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)酸處理讓材料表面變得更粗糙，而鈣改性并沒(méi)有對(duì)表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。這樣改性后的鈦具有較高的成骨活性和體內(nèi)穩(wěn)定性，促進(jìn)了新骨形成和骨整合。為獲得更高粗糙度的表面結(jié)構(gòu)，有研究者[8]通過(guò)噴丸和酸蝕后激光改性，在鈦表面獲得有規(guī)律的表面結(jié)構(gòu)(凹槽和孔隙)，從而加速了仿生磷灰石層的形成，誘導(dǎo)更均勻和直接的細(xì)胞生長(zhǎng)。

除了上述表面改性方法，還有一種方法也可以在鈦表面形成多級(jí)孔表面結(jié)構(gòu)，那就是使用造孔劑。該法制備的多孔鈦會(huì)在材料中留下因去除造孔劑所留下的大孔和由堆積的金屬粉末之間形成的小孔。然而表面缺陷和微觀粗糙的區(qū)域被發(fā)現(xiàn)是細(xì)菌存在最多的地方，表面均勻、缺陷小的種植材料才可降低細(xì)菌附著在種植體上的能力[9]，粗糙的表面在供骨細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)也為細(xì)菌生長(zhǎng)提供了一個(gè)良好的環(huán)境。另外，酸處理會(huì)減弱多孔鈦的力學(xué)性能，因此應(yīng)該注意酸處理后的鈦合金是否還滿足植入物材料的力學(xué)性能要求。鑒于以上缺點(diǎn)，研究者逐漸轉(zhuǎn)而研究其他方法。

1.2 表面氧化

改變材料的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有讓材料獲得生物活性。想實(shí)現(xiàn)材料表面生物活性，可以通過(guò)陽(yáng)極氧化、水熱處理等方式對(duì)其進(jìn)行改性，在其表面形成TiO2、NaTiO等生物活性物質(zhì)。W.F.Wei等人[10]以15 ~ 25 V的電壓讓鈦在NaOH電解液中陽(yáng)極氧化，令鈦表面形成一層NaTiO納米薄膜，它能促進(jìn)成骨細(xì)胞的擴(kuò)散、增殖和分化。有研究者發(fā)現(xiàn)高糖環(huán)境會(huì)抑制不同改性鈦表面的細(xì)胞粘附、增殖和成骨能力，而TiO2納米管能減輕高糖狀態(tài)對(duì)誘導(dǎo)成骨的抑制，在糖尿病大鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)TiO2納米管表面成骨能力良好[11]。另外，二氧化鈦納米管可以改善骨整合，縮短植入體周圍骨形成所需的時(shí)間[12]，而且其表面與水的接觸角接近0°，表現(xiàn)出超親水性。還有研究者[13]發(fā)現(xiàn)采用等離子體處理Ti表面也可以顯著提高其親水性。多孔鈦親水性的提高不僅有利于細(xì)胞培養(yǎng)液進(jìn)入多孔鈦孔內(nèi)，還具有調(diào)控蛋白吸附和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞黏附的作用。

徐廣勝等人[5]采用堿熱處理在多孔鈦表面形成了厚度大約2 μm的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦酸鈉。L.Qian等人[14]則采用堿熱處理于不同溫度(60、100和140 °C)在多孔鈦表面制備了TiO2納米結(jié)構(gòu)(包括納米網(wǎng)絡(luò)、納米片和納米針)。有學(xué)者[15]證明，與其他多孔鈦相比，具有納米針結(jié)構(gòu)的多孔鈦吸附蛋白的能力顯著增強(qiáng)，能促進(jìn)細(xì)胞在納米針功能化支架上的黏附和擴(kuò)散。但有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在堿熱處理中改性層易產(chǎn)生裂紋，這將與堿熱處理后產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)共同作用而令材料整體的力學(xué)性能降低。另外，裂紋還會(huì)影響材料的活化效果，對(duì)羥基磷灰石的沉積、細(xì)胞的黏附和增殖都將產(chǎn)生不良影響。為此，王曉花等人[16]采用堿熱處理和熱處理獲得了由大小約200 nm的微孔所組成的網(wǎng)狀無(wú)裂紋鈦酸鈉生物活化層，發(fā)現(xiàn)它能很快誘導(dǎo)磷灰石的沉積，并推斷裂口是由材料過(guò)度腐蝕后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被溶斷而形成的。

1.3 外加涂層

表面涂層可以將金屬的機(jī)械強(qiáng)度與涂層優(yōu)異的生物性能相結(jié)合，陶瓷涂層常常被用來(lái)提高鈦植入體的生物活性。常見(jiàn)的陶瓷涂層有羥基磷灰石(HA)、磷酸鈣等。羥基磷灰石是骨骼組織的主要無(wú)機(jī)成分，具有優(yōu)良的生物相容性、生物活性和骨傳導(dǎo)性，可讓改性材料與組織形成化學(xué)鍵，增強(qiáng)組織與植入材料的作用力，HA處理后的植入物表面的細(xì)胞黏附和培養(yǎng)的成骨細(xì)胞存活率將會(huì)變得更好[17]。磷酸鈣涂層多孔鈦具有明顯的促進(jìn)組織生長(zhǎng)的作用，令新骨形成增加和礦化加速，并通過(guò)促進(jìn)體內(nèi)早期骨整合而縮短愈合時(shí)間[18]。然而有研究者發(fā)現(xiàn)對(duì)于羥基磷灰石而言，當(dāng)載荷達(dá)到其屈服點(diǎn)以后就會(huì)發(fā)生脆性崩坍，鈦則繼續(xù)發(fā)生彎曲屈服。這也是陶瓷涂層的缺點(diǎn)──與金屬基體的變形不匹配。因此有研究者選擇用金屬鍍層。

有研究表明，鎂在體內(nèi)的降解產(chǎn)物沒(méi)有細(xì)胞毒性，同時(shí)生成的鎂離子可促進(jìn)新骨形成，增強(qiáng)骨和植入物的整合[19]，并且鎂降解形成的堿性環(huán)境具有促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)和抗菌的雙重功效[20]。因此，于曉明等人[21]利用離子鍍?cè)赥i6Al4V合金表面沉積了顆粒均勻、致密而無(wú)明顯缺陷的Mg鍍層，并發(fā)現(xiàn)Mg不僅對(duì)金黃色葡萄球菌具有殺滅作用，還可促進(jìn)細(xì)胞的增殖。裴軼豐等人[22]也采用離子鍍?cè)诙嗫租伜辖鸨砻嬷苽淞随V鍍層，發(fā)現(xiàn)多孔材料內(nèi)部的骨長(zhǎng)入和骨修復(fù)同樣明顯受到了促進(jìn)。X.K.Li等人[23]采用離子鍍?cè)诙嗫譚i6Al4V合金上制備了晶粒尺寸細(xì)小的鎂鍍層，膜/基結(jié)合力較高，且試驗(yàn)表明鎂包覆多孔Ti6Al4V合金具有良好的降解性和生物相容性。Mg作為改性層的優(yōu)勢(shì)在于既能發(fā)揮基體材料的力學(xué)性能，又可以發(fā)揮Mg的多重生物功能。有Mg鍍層的多孔鈦合金可促進(jìn)新骨的生成，令更多的新生骨長(zhǎng)入材料多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

2 生物醫(yī)用多孔鈦與鈦合金的抗菌改性

植入體感染是骨科手術(shù)后的一種并發(fā)癥，在植入體上構(gòu)建抗菌涂層是應(yīng)對(duì)感染的有效策略?？股卦谝种贫喾N細(xì)菌感染方面效果有限，還會(huì)產(chǎn)生抗藥性。有研究表明，銅具有良好的抗菌性能，X.M.Yu等人[24]通過(guò)離子鍍將MgCu鍍層沉積在Ti6Al4V合金上，提高了植入物的生物活性和抗菌性能。MgCu鍍層釋放的銅在中性環(huán)境下對(duì)金黃色葡萄球菌有抑制作用[25]，再加上MgCu降解產(chǎn)生的堿性環(huán)境，使MgCu鍍層的抗菌作用能持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間[26]。另外，Ag 和納米Ag[27]由于其優(yōu)異的抗菌性也常被用作植入體的抗菌改性材料。納米針能穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁，在不影響動(dòng)物細(xì)胞行為的情況下發(fā)揮殺菌作用[28]，并且細(xì)菌很難抵御[29]。王國(guó)慧等人[30-31]通過(guò)冷凍鑄造和熱氧化法制備了一種表面具有納米針的多孔鈦，它表現(xiàn)出良好的抗菌和骨整合能力。

3 生物醫(yī)用多孔鈦與鈦合金的耐磨改性

植入后的生物醫(yī)用鈦合金在磨損后會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)小碎片，從而引發(fā)無(wú)菌性松動(dòng)或骨溶解。特別是常用的植入物Ti6Al4V合金，它在磨損條件下會(huì)產(chǎn)生有細(xì)胞毒性的Al和V，尤其是Al，易引起老年癡呆癥。通過(guò)對(duì)其表面改性，減少材料在使用過(guò)程中的磨損，是延長(zhǎng)其使用壽命的關(guān)鍵。為此，W.F.Cui等人[32]在Ti6Al4V合金上通過(guò)磁控濺射沉積了摩擦因數(shù)低、結(jié)合力強(qiáng)和生物相容性好的TiN涂層。由于TiN在基體/涂層界面上的力學(xué)性能匹配和增強(qiáng)增韌作用，因此該涂層具有良好的結(jié)合性能和耐磨性。為解決Al和V溶解的問(wèn)題，P.Y.Yi等人[33]采用磁控濺射離子鍍?cè)赥i6Al4V合金上沉積了TiAlN涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層不僅提高了Ti6Al4V合金的耐磨性，而且改善了其耐腐蝕性能?？v觀文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，為改善多孔鈦及鈦合金的耐磨性能，研究者們都是在材料表面制備摩擦因數(shù)更低的陶瓷類材料作為涂層。

4 展望

多孔鈦及鈦合金是用于生物醫(yī)學(xué)替代骨的生物材料，盡管具有一些優(yōu)異性能，特別是耐蝕性和生物相容性，但它們是生物惰性材料，并且耐磨性差、無(wú)抗菌性，因此對(duì)其表面進(jìn)行改性是非常有必要的。從總體上講，生物醫(yī)用多孔鈦及鈦合金表面改性已經(jīng)取得一些進(jìn)展，但人體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境對(duì)其性能要求很高，現(xiàn)在的表面改性方法還不能完全滿足臨床應(yīng)用的要求。鑒于此，對(duì)未來(lái)鈦基植入體表面改性研究展望如下：

(1) 對(duì)方便快捷，能獲得均勻且不易脫落的涂層，具有生物活性、抗菌性等綜合性能優(yōu)良的生物醫(yī)用材料改性方法的研究應(yīng)該被重視。

(2) 在研究生物醫(yī)用材料時(shí)既要考慮多孔鈦及鈦合金的綜合性能，還應(yīng)考慮每個(gè)個(gè)體之間的差異性(如是否有糖尿病)對(duì)材料植入后的影響。

(3) 復(fù)合改性，也就是將2種及以上的改性方法相結(jié)合，同時(shí)或依次對(duì)生物醫(yī)用多孔鈦及鈦合金進(jìn)行改性，取長(zhǎng)補(bǔ)短，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，應(yīng)被研究者重視，以便使醫(yī)用多孔鈦及鈦合金的應(yīng)用更為廣泛。