鈦種植體表面五氧化二鉭涂層的制備及其促成骨研究進(jìn)展*

王非凡 劉洪臣

鈦及鈦合金生物相容性及機(jī)械性能較好，已成為種植植入的首選材料[1-3]。然而，鈦具有生物惰性，不易于蛋白的的黏附及骨細(xì)胞發(fā)揮成骨作用[4]，導(dǎo)致骨結(jié)合速度較慢，成骨周期較長(zhǎng)。因此對(duì)鈦進(jìn)行表面改性以提高骨結(jié)合是目前研究的熱點(diǎn)。

鉭(Ta)相比于鈦，耐腐蝕性及生物相容性較優(yōu)，有利于成骨細(xì)胞及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖、分化、礦化，促進(jìn)動(dòng)物模型的骨結(jié)合形成，有“親生物金屬”之稱[5-8]。由于鉭彈性模量及成本較高，可作為涂層應(yīng)用于種植體表面改性中[9,10]。此外，Ta 涂層極佳耐磨性及耐腐蝕性可避免種植體釋放鈦顆粒、離子，降低對(duì)身體產(chǎn)生的潛在毒性[11]。

Ta 優(yōu)良的生物、耐腐蝕性能可歸功于其表面致密的氧化物，主要成分為穩(wěn)定的五氧化二鉭(Ta2O5)。研究顯示，Ta2O5涂層具有較高的粗糙度、親水性及表面羥基，可顯著促進(jìn)羥基磷灰石沉積、成骨蛋白表達(dá)(ALP、Col-I、OCN、OPN)和骨細(xì)胞的黏附、增殖、分化及礦化[12-14]。此外，相比于單純Ta涂層，Ta2O5涂層有利于鈣磷沉積及巨噬細(xì)胞的黏附、存活，炎性因子釋放較低，具有較強(qiáng)的生物活性及較低的炎性反應(yīng)[15,16]。因此，越來(lái)越多的學(xué)者將鈦表面改性研究轉(zhuǎn)移至Ta2O5涂層之中。本文對(duì)Ta2O5涂層的制備、促成骨研究作一綜述，為制備具有優(yōu)良成骨性能的鈦植入材料提供參考。

1.Ta2O5 涂層制備方法

Ta 其氧化物硬度及熔點(diǎn)較高，且Ta 極易氧化成Ta2O5，因此Ta2O5涂層的制備需要獨(dú)特的工藝[17]，目前Ta2O5涂層的制備方法主要分為磁控濺射法、電離法、等離子體電解氧化(PEO)及溶膠-凝膠法。

1.1 磁控濺射法制備Ta2O5涂層 磁控濺射法是通過(guò)電場(chǎng)作用使Ta 靶材濺射原子，隨后與氧反應(yīng)后沉積到基材表面形成Ta2O5涂層，是一種較常用的工藝。B.Rahmati 等[18-20]通過(guò)調(diào)控氧化鉭涂層的工藝參數(shù)(基體溫度、流量、氧流量和直流功率)，獲得了具有優(yōu)化結(jié)合強(qiáng)度、表面硬度、厚度、表面粗糙度性能的氧化鉭涂層。此外，還通過(guò)涂層熱處理(300℃～500℃)及在涂層與基底間引入Ta過(guò)渡層，進(jìn)一步增強(qiáng)了Ta2O5涂層的結(jié)合強(qiáng)度及硬度。磁控濺射法工藝可控，涂層較致密且均勻、結(jié)合強(qiáng)度較高。然而此方法制備的Ta2O5涂層較薄，降低了Ta的利用率。

1.2 電離法制備Ta2O5涂層 電離法即將Ta電離后與氧氣反應(yīng)，制備出Ta2O5涂層，主要有雙極輝光放電及脈沖真空電弧源沉積法。電離法制備出Ta2O5涂層不僅較為均勻致密，還具有較高厚度。Hu W 等[21]采用雙輝光放電等離子體技術(shù)使稀薄氣體發(fā)生輝光放電，使Ta 電離后與氧氣反應(yīng)后沉積在Ti-6Al-4V 基底形成致密均勻的Ta2O5涂層，檢測(cè)顯示該涂層可顯著提高Ti-6Al-4V的耐磨性和耐腐蝕性。然而電離法弊端為設(shè)備及流程較復(fù)雜，不易控制。

1.3 等離子體電解氧化(PEO)制備Ta2O5涂層等離子體電解氧化(PEO)并通過(guò)等離子放電產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，使Ta的氟絡(luò)合物電解質(zhì)在基材表面反應(yīng)生成Ta2O5陶瓷涂層。PEO 不僅工藝可控，還可同時(shí)制備鈣磷化合物及二氧化鈦等多種化合物，因此PEO 技術(shù)多用于制備復(fù)合Ta2O5涂層。Rudnev VS等[22]通過(guò)等離子電解氧化法(PEO)獲得了鈣、鍶磷酸鹽/ Ta2O5/ 二氧化鈦(TiO2)復(fù)合涂層。涂層表面部分含有磷酸鈣和磷酸鍶，而涂層主體中含有Ta2O5，基底為TiO2層，可協(xié)同改善鈦材料的生物相容性及生物惰性。

1.4 溶膠-凝膠法制備Ta2O5涂層 磁控濺射法、電離法、PEO 法均需要特定的儀器，而溶膠-凝膠法操作條件較為簡(jiǎn)單，可控性較好，在基底表面涂覆液相鉭醇鹽后進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)后即可形成Ta2O5凝膠涂層。此外，溶膠-凝膠法還可通過(guò)引入功能活性物進(jìn)一步改良Ta2O5涂層活性，因此溶膠-凝膠法是目前較為簡(jiǎn)單有效的Ta2O5涂層制備方法。Tran PA 等[23]通過(guò)溶膠-凝膠引入功能性活性聚二甲基硅氧烷(PDMS)制備出不同微米、亞微米、納米微納結(jié)構(gòu)Ta2O5-PDMS 涂層，并探討了其對(duì)成纖維細(xì)胞的活性的影響。

水解-縮聚反應(yīng)是由溶膠-凝膠改良而來(lái)的Ta2O5涂層制備技術(shù)，其簡(jiǎn)化了溶膠-凝膠的操作過(guò)程，耗時(shí)較短[24]。此外，聚合物輔助沉積也是從溶膠凝膠法發(fā)展而來(lái)的涂層制備技術(shù)。Xu GQ 等[25]將可溶性聚乙烯亞胺和TaCl5螯合液沉積到鈦基底上，在氧氣條件下進(jìn)行高溫退火處理，去除聚合物并形成Ta2O5涂層。聚合物輔助沉積技術(shù)不僅通過(guò)TaCl5降低了生產(chǎn)成本，還通過(guò)熱處理提高了涂層的致密度及結(jié)合強(qiáng)度，是一種優(yōu)良的Ta2O5涂層制備方法。

2.鈦種植體表面Ta2O5 涂層促成骨改性研究

2.1 鈦種植體表面Ta2O5涂層促成骨改性目前Ta2O5涂層成骨改性研究主要集中在細(xì)胞學(xué)研究階段。Xu J 等[26]通過(guò)雙極輝光放電法在Ti-6Al-4V 制備出Ta2O5涂層，相比于未涂層的Ti-6Al-4V 具有更高的親水性，體外細(xì)胞及電化學(xué)檢測(cè)表明，Ta2O5涂層可促進(jìn)小鼠成纖維細(xì)胞的黏附、增殖及類骨磷灰石層形成，生物相容性較好。Ying-Sui Sun 等[25]研究得出水解-冷凝法制備的Ta2O5涂層表面的羥基及亞微孔形貌可顯著促進(jìn)鈦對(duì)成骨蛋白的吸附及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附及增殖，有較大的骨應(yīng)用潛力。Xu GQ 等[24]采用聚合物輔助沉積技術(shù)在鈦基板表面制備了Ta2O5涂層，細(xì)胞學(xué)結(jié)果顯示，此涂層顯著提高了鈦生物相容性，可促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附、增殖、分化、礦化及成骨基因的表達(dá)。

2.2 鈦種植體表面Ta2O5涂層復(fù)合處理促成骨改性 Ta2O5化學(xué)及物理穩(wěn)定性較強(qiáng)，免疫反應(yīng)較低，是一種生物惰性化合物。然而生物惰性材料表面易呈現(xiàn)較低的蛋白吸附及細(xì)胞粘附，成骨能力相對(duì)較弱，因此對(duì)Ta2O5涂層的復(fù)合處理以增強(qiáng)其成骨作用是目前重要的研究方向[27-29]。

2.2.1 Ta2O5涂層與鈣磷化學(xué)涂層聯(lián)用 鈣磷化學(xué)涂層生物相容性較好，可誘導(dǎo)、促進(jìn)骨生長(zhǎng)并與周圍骨組織形成化學(xué)性結(jié)合。然而鈣磷化學(xué)涂層機(jī)械性能、結(jié)合強(qiáng)度及穩(wěn)定性較差，因此將其與Ta2O5聯(lián)用可形成具有優(yōu)化成骨、機(jī)械性能、結(jié)合強(qiáng)度及耐腐蝕性的改性涂層[30]。Sun YS 等[31]采用溶膠-凝膠法在鈦制備出Ta2O5層，隨后通過(guò)電化學(xué)陰極沉積工藝在其表面制備了雙相磷酸鈣(BCPS)層。BCPS/ Ta2O5雜化層可提高鈦表面的耐腐蝕性和生物相容性，有利于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附。

2.2.2 Ta2O5涂層磷酸化修飾 對(duì)Ta2O5涂層進(jìn)行有機(jī)磷酸化修飾，磷酸基團(tuán)可作為端基促進(jìn)鈣離子沉積，進(jìn)而顯著增強(qiáng)Ta2O5涂層與羥基磷灰石的結(jié)合[32]。Arnould C 等[33]在鈦表面通過(guò)溶膠-凝膠法沉積Ta2O5涂層，在其表面通過(guò)自組裝1,4-丁二膦酸進(jìn)行修飾，表征檢測(cè)顯示此復(fù)合涂層可顯著改善羥基磷灰石的生成。

2.2.3 Ta2O5涂層與生物納米管聯(lián)用 二氧化鈦(TiO2)納米管與碳納米管為成骨性能較佳的生物納米管結(jié)構(gòu)。其具有一定仿生學(xué)，尺寸與骨組織的有機(jī)、無(wú)機(jī)成分相近，納米孔結(jié)構(gòu)與基底膜相似。因此將Ta2O5與生物納米管相結(jié)合可協(xié)同增強(qiáng)涂層的成骨作用[34]。

鈦通過(guò)電化學(xué)法可形成TiO2納米結(jié)構(gòu)，研究表明，TiO2納米結(jié)構(gòu)可促進(jìn)骨細(xì)胞成骨作用的發(fā)揮及成骨相關(guān)基因的表達(dá)[35,36]。Rudnev VS 等[22]采用萃取-熱解法與PEO 法制備出Ta2O5、鈣磷化合物和TiO2納米孔結(jié)構(gòu)的段交替的涂層，以提升鈦生物相容性及化學(xué)穩(wěn)定性。

碳納米管不僅可促進(jìn)羥基磷灰石的沉積，促進(jìn)骨生成、抑制骨吸收，其表面羥基還可與Ta2O5形成緊密的化學(xué)鍵結(jié)合[30,37]。Maho A 等[38]通過(guò)溶膠-凝膠法，在鈦基底形成磷酸化修飾的Ta2O5/ 碳納米管復(fù)合涂層，磷酸化修飾的碳納米管不僅可緊密、均勻地結(jié)合Ta2O5，還可協(xié)同增強(qiáng)羥基磷灰石沉積，提高鈦生物活性。

3.結(jié)語(yǔ)

Ta2O5涂層的制備方法較為獨(dú)特，主要可分為磁控濺射法、電離法、等離子體電解氧化(PEO)及溶膠-凝膠法。其中，溶膠-凝膠法不需要特定的設(shè)備支持，操作較為簡(jiǎn)便且可控較好，可通過(guò)引入功能基團(tuán)進(jìn)一步改良Ta2O5涂層活性，是較為簡(jiǎn)單有效的Ta2O5涂層制備方法。研究表明Ta2O5涂層可提高鈦生物相容性，促進(jìn)羥基磷灰石沉積、成骨蛋白表達(dá)和骨細(xì)胞的黏附、增殖、分化及礦化。而Ta2O5仍具有一定生物惰性，對(duì)其進(jìn)行鈣磷、磷酸化及生物納米管修飾以增強(qiáng)其成骨作用是未來(lái)研究的重要方向。目前Ta2O5涂層促進(jìn)鈦種植體成骨改性研究主要在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)階段，動(dòng)物學(xué)及臨床效果還需進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。