表面改性技術(shù)降低生長棒臨床并發(fā)癥發(fā)生率研究進(jìn)展

張悅，邊焱焱，馬東林，黃楠，仉建國，冷永祥

（1.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2.北京協(xié)和醫(yī)院，北京 100730）

早發(fā)性脊柱側(cè)凸（early-onset scoliosis，EOS）一般指發(fā)生于10 歲以下兒童的脊柱側(cè)凸畸形[1]，也泛指發(fā)生于低齡兒童具有極大畸形加重和呼吸功能不全風(fēng)險(xiǎn)的脊柱側(cè)彎畸形，具有畸形重和進(jìn)展快的特點(diǎn)[2]。根據(jù)脊柱側(cè)彎的角度，臨床上具有相應(yīng)的治療方案。對于不超過20°的脊柱側(cè)彎，可以通過康復(fù)訓(xùn)練（包括改變呼吸方式，改善不良姿勢，改善肌力平衡等）來進(jìn)行矯正。對于20°～30°的脊柱側(cè)彎，多采用佩戴外部支具[3]并結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練的方式進(jìn)行治療。對于超過30°的脊柱側(cè)彎，現(xiàn)階段多采用植入脊柱矯形內(nèi)固定物的手段進(jìn)行矯正。臨床應(yīng)用的脊柱矯形內(nèi)固定物主要包括生長棒系統(tǒng)和人工假體鈦肋。其中，生長棒系統(tǒng)能拉伸脊柱畸形部分，具有不破壞脊柱生長潛能、保留脊柱節(jié)段運(yùn)動(dòng)功能、有效延緩側(cè)凸進(jìn)展、保留脊柱的部分生長能力[4]、可降低臨近節(jié)段退變（adjacent level degeneration，ALD）的發(fā)生率[5]、矯形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是目前治療早發(fā)性脊柱側(cè)凸應(yīng)用較多的方法。

1 生長棒的臨床應(yīng)用

生長棒是一種植入人體內(nèi)的脊柱矯形內(nèi)固定物，如圖 1 所示[6]。生長棒系統(tǒng)主要由金屬棒（Metal Rod）、固定物（一般選用椎板鉤（Hook）或者椎弓根螺釘（Pedicle Screw））和連接器（Connector）組成。其中，金屬棒是整個(gè)生長棒系統(tǒng)的主要構(gòu)件，用于給畸形脊柱提供矯正力，椎板鉤和椎弓根螺釘將其固定在脊柱上。連接器是B. A. AKBARNIA 和R. E.MCCARTHY 在1998 年為了便于生長棒延長所使用的一種設(shè)計(jì)[7]，它用于連接兩段獨(dú)立的金屬棒，在做生長棒延長手術(shù)時(shí)，只需要在連接器處開刀，而不需要切開整個(gè)生長棒區(qū)域。

圖1 （a）生長棒系統(tǒng)在脊柱側(cè)凸治療中的臨床應(yīng)用[6]及（b）生長棒系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 (a) The clinical application of growing rod system in early-onset scoliosis treatment[6] and (b) the schematic diagram of growing rod system composition

生長棒系統(tǒng)的臨床應(yīng)用主要經(jīng)歷了單生長棒（single growing rod）、雙生長棒（dual growing rod）、Shilla生長棒（Shilla growing rod）等階段。早期臨床上應(yīng)用的是如圖1 所示的單生長棒系統(tǒng)，手術(shù)時(shí)先將金屬棒放在脊柱曲線的凹陷處，再使用椎板鉤或者椎弓根螺釘將其固定。單生長棒有一定的矯正作用，但其固定效果的穩(wěn)定性不高，應(yīng)用過程中，斷棒及固定椎板骨折發(fā)生率較高[8]。為了解決這些問題，在單生長棒系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)出了雙生長棒系統(tǒng)。雙生長棒系統(tǒng)使用了兩根金屬棒，其矯形原理與單生長棒基本一致，減少了單根金屬棒的機(jī)械應(yīng)力，具有較低的斷棒率、更高的畸形矯正率，且對脊柱生長速度的影響更小[9]。但是，在單生長棒和雙生長棒的臨床應(yīng)用中，都需要根據(jù)脊柱的生長速度，定期通過手術(shù)來對金屬棒進(jìn)行延長。然而，每增加一次手術(shù)，發(fā)生并發(fā)癥的可能性就增加24%[9-10]。為了避免生長棒植入后進(jìn)行多次手術(shù)延長金屬棒，降低臨床并發(fā)癥的發(fā)生[11-12]，R. E. MCCARTHY 等人[13]設(shè)計(jì)開發(fā)了可滑動(dòng)固定方式的Shilla 生長棒，并于2015 年9 月獲得FDA 的批準(zhǔn)[14]。

與傳統(tǒng)的單生長棒和雙生長棒不同，Shilla 生長棒的金屬棒可以在其兩端的螺釘中滑動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，中部的固定螺釘把生長棒和脊柱鎖定在一起，兩端的可滑動(dòng)式螺釘固定在脊柱上，并在滑動(dòng)式螺釘?shù)膬啥祟A(yù)留一段金屬棒。隨著脊柱的生長，固定在脊柱上的可滑動(dòng)式螺釘可以在螺帽孔的引導(dǎo)下沿著金屬棒滑動(dòng)。因此，Shilla 生長棒不會(huì)限制脊柱的生長，解決了普通單生長棒和雙生長棒限制脊柱生長、必須進(jìn)行多次手術(shù)的問題。

圖2 （a）Shilla 生長棒在脊柱側(cè)凸治療中的臨床應(yīng)用[15]及（b）Shilla 生長棒組成示意圖Fig.2 (a) The clinical application of Shilla growing rods in early-onset scoliosis treatment[15] and (b) the schematic diagram of Shilla growing rod composition

2 生長棒在臨床應(yīng)用中存在的問題

雖然生長棒在治療早發(fā)性脊柱側(cè)凸方面具有良好的矯正效果，但其在臨床應(yīng)用過程中，還存在斷棒（17/538，發(fā)生率為3.2%）、椎弓根螺釘松動(dòng)（69/538，發(fā)生率為12.8%）等生長棒失效的問題[16]，并且生長棒的磨損和腐蝕會(huì)引起一系列并發(fā)癥，如過敏反應(yīng)[17]、炎癥反應(yīng)[18]、骨溶解[19]、神經(jīng)功能受損[20]等。

2.1 生長棒斷裂

生長棒在矯正患者的脊柱側(cè)凸時(shí)，要跨過后凸頂椎區(qū)域，需要較大的預(yù)彎及牽引力，在患者術(shù)后的日常活動(dòng)中，脊柱有一定幅度的活動(dòng)，用于矯正脊柱的金屬棒會(huì)隨之移動(dòng)，使得彎曲的金屬棒可能由于金屬疲勞而斷裂，尤其是頂端融合處[21]和連接器兩端的金屬棒，最易發(fā)生斷裂[22]。M. DAVID 等[22]發(fā)現(xiàn)生長棒植入患者體內(nèi)后，如圖3a 所示，連接器上端的金屬棒發(fā)生了斷裂。W. N. SANKAR 等[23]也發(fā)現(xiàn)了生長棒在人體內(nèi)服役一定時(shí)間后，如圖3b 所示，連接器下端的金屬棒發(fā)生斷裂。為了避免金屬棒斷裂，臨床手術(shù)過程中，應(yīng)根據(jù)患者的體重和體型，盡量選擇直徑較大的生長棒[24-25]。

2.2 固定物（椎弓根螺釘）失效

患者在日常生活中，上半身移動(dòng)時(shí)，脊柱隨之有一定幅度的運(yùn)動(dòng)，金屬棒也會(huì)隨之移動(dòng)，導(dǎo)致固定金屬棒的椎弓根螺釘可能發(fā)生松動(dòng)或被拔出[26]，從而引起固定物-椎弓根螺釘失效。另外，對于同時(shí)患有骨質(zhì)疏松癥的兒童，他們的骨密度較低，骨小梁較薄，椎弓根螺釘?shù)妮S向抗拔出力會(huì)直線下降[27-28]，螺釘會(huì)因?yàn)榍懈罟琴|(zhì)而造成微動(dòng)，微動(dòng)導(dǎo)致螺釘松動(dòng)，甚至疲勞斷裂[28]。

在防止椎弓根螺釘松動(dòng)或被拔出方面，適當(dāng)增大螺釘直徑有助于螺釘?shù)墓潭?。R. H. WITTENBERG 等人[29]研究發(fā)現(xiàn)，在相同的骨質(zhì)密度下，直徑為6 mm的椎弓根螺釘?shù)钠骄S向拉力比直徑為5 mm 的椎弓根螺釘大500 N 左右。加用橫向連接裝置（cross-link device，CLD）[28-30]、強(qiáng)化骨水泥以及在椎弓根螺釘表面制備涂層[31]等手段，也有助于螺釘?shù)墓潭ā５@些措施也存在一些弊端，如增大螺釘直徑、增加骨水泥可能會(huì)導(dǎo)致椎弓根骨折、神經(jīng)損傷、血管或內(nèi)臟損傷、骨水泥滲漏等[32]。使用橫向連接桿可能會(huì)導(dǎo)致術(shù)后腦脊液漏及遲發(fā)感染發(fā)生率增加[28]，故在臨床實(shí)踐中，對于這些措施的使用與否應(yīng)權(quán)衡利弊后謹(jǐn)慎決定，尤其是對于早發(fā)性脊柱側(cè)凸患兒，由于他們年齡較小，脊柱骨骼發(fā)育尚未完成，產(chǎn)生的后果也可能更為嚴(yán)重。

2.3 生長棒磨損和腐蝕導(dǎo)致并發(fā)癥

生長棒在患者體內(nèi)長期服役過程中，由于患者的脊柱生長和日?；顒?dòng)，金屬棒會(huì)和兩端的椎弓根螺釘摩擦，導(dǎo)致椎弓根螺釘及金屬棒的磨損，產(chǎn)生大量金屬磨屑，進(jìn)而激活人體局部巨噬細(xì)胞，出現(xiàn)壞死區(qū)域，并導(dǎo)致血清腫（seroma）、竇道（sinuses）等臨床并發(fā)癥的發(fā)生[33]。此外，在生長棒與生理溶液環(huán)境接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生金屬材料的腐蝕，產(chǎn)生的金屬離子會(huì)隨著體液循環(huán)到達(dá)各個(gè)臟器，造成臟器功能受損，特別是對發(fā)育階段的患兒以及育齡期的女性，影響尤為嚴(yán)重。

R. E. MCCARTHY 等人[34]在11 只山羊體內(nèi)植入Shilla 生長棒，6 個(gè)月后對生長棒的磨損情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4a 所示，椎弓根螺釘?shù)穆菝鄙嫌袃蓚€(gè)明顯的凹坑，與金屬棒的形狀吻合，應(yīng)為生長棒在反復(fù)滑動(dòng)摩擦過程中所形成的。而如圖4b 所示，在S. M. MORELL 與R. E. MCCARTHY 的另一項(xiàng)研究中，金屬棒上的磨痕情況也佐證了這個(gè)觀點(diǎn)[25]。R. E.MCCARTHY 等人[34]進(jìn)一步分析了椎弓根螺釘?shù)哪p情況，研究發(fā)現(xiàn)，螺釘和螺帽間、螺釘與金屬棒間都存在磨損現(xiàn)象，且兩端可滑動(dòng)式螺釘與金屬棒的磨損比中間固定螺釘嚴(yán)重。R. E. MCCARTHY 等人[34]還發(fā)現(xiàn)，在螺釘附近的軟組織中及鄰近的腹主動(dòng)脈旁淋巴結(jié)中都可觀察到金屬磨屑，顆粒粒徑最大可達(dá)45 μm。由于金屬磨屑的存在，人體局部巨噬細(xì)胞被激活，將引起金屬病，在局部組織出現(xiàn)中度至重度的炎癥反應(yīng)，如圖5 所示，臨床表現(xiàn)為脊柱前方與Shilla螺釘相鄰的腹主動(dòng)脈旁淋巴結(jié)顏色變深[18,25,34]。另外，金屬磨屑還會(huì)增加骨溶解[19]和螺釘松動(dòng)[35]發(fā)生的概率。

圖5 局部組織出現(xiàn)炎癥反應(yīng)[34]Fig.5 Inflammatory reaction of local tissue[34]

生長棒在服役過程中，除了磨損會(huì)引發(fā)相關(guān)并發(fā)癥，腐蝕也會(huì)導(dǎo)致相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生[20]。由金屬材料制成的生物醫(yī)用植入體與生理溶液環(huán)境接觸時(shí)，植入體經(jīng)常會(huì)被腐蝕，并且這種多部件且可活動(dòng)的脊柱植入器械，一般還伴隨著微動(dòng)腐蝕的發(fā)生[36]。對于生長棒而言，椎弓根螺釘與椎骨、椎弓根螺釘與金屬棒之間都存在微動(dòng)摩擦[37]，材料表面所形成的鈍化膜因微動(dòng)摩擦的機(jī)械作用而被破壞，金屬離子釋放。從金屬脊柱植入物表面釋放出的金屬離子會(huì)擴(kuò)散到周圍組織、血液、淋巴系統(tǒng)中，患者血液中金屬離子濃度明顯升高[38-39]，從而引起局部巨噬細(xì)胞被激活，導(dǎo)致炎癥、過敏反應(yīng)等相關(guān)并發(fā)癥，甚至引發(fā)癌癥。

3 表面改性降低生長棒的失效率及臨床并發(fā)癥的發(fā)生率

生長棒在患者體內(nèi)服役的過程中，會(huì)出現(xiàn)金屬棒斷裂、椎弓根螺釘松動(dòng)、金屬棒與椎弓根螺釘摩擦、植入物在生理溶液環(huán)境中易被腐蝕等問題。目前主要有兩種途徑來解決生長棒所存在的這些問題：一是從材料本身入手，選用性能更為優(yōu)良的金屬材料或?qū)辖鸪煞诌M(jìn)行改良；二是對生長棒進(jìn)行表面改性。

在材料選擇方面，早期的生長棒主要采用不銹鋼材料制造，但是不銹鋼材料容易腐蝕，會(huì)導(dǎo)致深部傷口感染、疼痛或植入物失敗等問題[40]。鈦合金具有耐腐蝕性好、比強(qiáng)度高、磁共振成像兼容性好等優(yōu)良性質(zhì)，為現(xiàn)階段生長棒等脊柱矯形內(nèi)固定物的主要材料[37,41]。與鈦合金相比，鈷鉻合金同樣具有優(yōu)異的磁共振成像兼容性，同時(shí)具有良好的生物相容性、更高的強(qiáng)度以及更好的矯正率，使得鈷鉻合金生長棒替代鈦合金生長棒的臨床應(yīng)用實(shí)例逐漸增加[42-44]。

除此之外，由于患者在日常生活中上半身移動(dòng)時(shí)，金屬棒承受著循環(huán)彎曲應(yīng)力，為避免斷棒，金屬棒還應(yīng)該具有良好的抗彎疲勞強(qiáng)度[45]以及合適的楊氏模量。楊氏模量過高，容易出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)；楊氏模量過低，抗彎疲勞強(qiáng)度較差，金屬棒在體內(nèi)服役時(shí)易回彈變形、易斷裂[46]。因此，對合金成分改良，開發(fā)抗彎疲勞特性優(yōu)異、楊氏模量合適的新型合金也是一個(gè)新的研究方向。近年來，研究者在開發(fā)應(yīng)用于脊柱矯形等醫(yī)用金屬植入物的新型合金方面做了大量研究工作[47-48]，以提高材料的疲勞強(qiáng)度，降低應(yīng)力屏蔽。

表面改性方法是提高生長棒質(zhì)量的另外一種方法。表面改性方法既能保持金屬材料（鈦合金或者鈷鉻合金）作為生長棒材料具有的比強(qiáng)度高、磁共振成像兼容性好、與人皮質(zhì)骨彈性模量接近的優(yōu)勢，又可以使金屬材料的耐磨性、耐腐蝕性、生物相容性等性能獲得大幅度的改善。常見的表面改性方法有噴丸、微弧氧化、等離子噴涂、物理氣相沉積等。大量研究表明：表面改性可以增強(qiáng)椎弓根螺釘-骨組織結(jié)合強(qiáng)度，提高植入物的耐磨、耐腐蝕性，減少植入物的磨損和斷裂，降低金屬離子釋放量，最終提高生長棒的可靠性和生物相容性，降低過敏反應(yīng)、炎癥反應(yīng)、骨溶解等并發(fā)癥的發(fā)生率。

3.1 表面改性降低生長棒系統(tǒng)中金屬棒斷裂率

生長棒在體內(nèi)服役過程中，易遭受微動(dòng)疲勞，萌生裂紋并在交變應(yīng)力下擴(kuò)張，導(dǎo)致斷裂。S. R. MANNAVA[49]和O. TAKAKUWA[50]分別采用激光沖擊強(qiáng)化（laser shock peening，LSP）和水空化噴丸（cavitation peening，CP），對應(yīng)用于脊柱矯形的金屬棒進(jìn)行表面處理，處理后材料的表面硬度提高且產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力有效地延遲了疲勞源區(qū)的裂紋萌生，減緩了疲勞裂紋的擴(kuò)展速率[51-52]，大幅度提高了金屬棒的微動(dòng)疲勞壽命，防止了微動(dòng)磨損引起的裂紋萌生和擴(kuò)展[50]，有效地避免了生長棒在患者體內(nèi)服役過程中，在彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生疲勞失效和斷裂[53]，降低了斷棒率。

3.2 表面改性增強(qiáng)生長棒系統(tǒng)中椎弓根螺釘-骨組織結(jié)合強(qiáng)度

臨床研究表明，在椎弓根螺釘-骨組織結(jié)合不好的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)椎弓根螺釘松動(dòng)或被拔出的現(xiàn)象[37]?，F(xiàn)階段，椎弓根螺釘新的重點(diǎn)發(fā)展方向并不集中在螺釘本身，而是對其進(jìn)行表面處理，以提高其固定性和拔出強(qiáng)度[54]。在椎弓根螺釘表面制作粗糙或多孔表面，有利于刺激成骨細(xì)胞活性來促進(jìn)成骨結(jié)合，并使骨-種植體接觸面積更大，從而促使椎弓根螺釘和天然骨在界面處長合，顯著降低螺釘松動(dòng)或被拔出的可能[55-57]。噴丸處理、微弧氧化和等離子噴涂技術(shù)等表面改性手段，均可促進(jìn)椎弓根螺釘和天然骨界面長合，有利于增強(qiáng)椎弓根螺釘-骨組織的結(jié)合強(qiáng)度。

對椎弓根螺釘進(jìn)行噴丸處理可以使其表面產(chǎn)生納米或微米級(jí)凹坑，獲得一定的表面粗糙度，這種納米或微米級(jí)的多孔表面形貌有利于Ca、P 沉積，促進(jìn)成骨細(xì)胞在植入體表面粘附、增殖和生長，使骨組織和種植體表面形成機(jī)械鎖結(jié)，增加植入體和骨組織的結(jié)合力[58-60]。另外，在噴丸處理的基礎(chǔ)上，將噴丸和酸蝕相結(jié)合，對椎弓根螺釘進(jìn)行表面處理，可以形成微粗糙度和微紋理化的復(fù)雜表面，進(jìn)一步促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖及椎弓根螺釘-骨組織界面處骨形成，從而提高椎弓根螺釘?shù)目估瓘?qiáng)度[61]。

采用微弧氧化（micro arc oxidation，MAO）在脊柱植入物表面生成的羥基磷灰石涂層，有利于提高脊柱植入物-天然骨界面的生物力學(xué)性能，降低其發(fā)生松動(dòng)或被拔出的可能性[62]。L. SHI 等[32]比較了經(jīng)微弧氧化處理和未經(jīng)處理的鈦合金制椎弓根螺釘在綿羊體內(nèi)的固定強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)微弧氧化處理可以顯著改善椎弓根螺釘-骨界面的機(jī)械連鎖和生物化學(xué)結(jié)合性能。

通過等離子噴涂技術(shù)在椎弓根螺釘表面制備羥基磷灰石[56]、鈦[63]等涂層，也可以增強(qiáng)椎弓根螺釘-骨組織的結(jié)合強(qiáng)度。羥基磷灰石與人體骨骼的化學(xué)成分（Ca/P 比值）相似[64]，能使醫(yī)用植入物周圍骨組織的生長加快，具有良好的生物相容性和結(jié)合性。等離子噴涂過程中，等離子體火焰的高溫使羥基磷灰石和鈦基體形成化學(xué)鍵，增加了涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度[56]，而羥基磷灰石涂層可以改善植入物的附著和固定，消除與微動(dòng)相關(guān)的問題，如植入物的松動(dòng)，降低螺釘松動(dòng)的發(fā)生率[65]。并且，在羥基磷灰石涂層和金屬基體中加入硅酸二鈣（Ca2SiO4）粘結(jié)層[64]，或加入Ti、ZrO2等形成HA-Ti 和HA-ZrO2復(fù)合涂層[66]，可降低基體和涂層的熱膨脹系數(shù)失配程度，進(jìn)一步提高涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度，降低植入物松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。除了在椎弓根螺釘上噴涂羥基磷灰石涂層外，噴涂鈦涂層也能提高椎弓根螺釘-骨組織的結(jié)合強(qiáng)度。D. Y. Kim 等[63]嘗試了在鈦合金制椎弓根螺釘上噴涂鈦涂層，并進(jìn)行了體外模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)噴涂鈦涂層可以提高椎弓根螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度，且由于鈦涂層椎弓根螺釘-骨組織界面形成的骨多于羥基磷灰石涂層椎弓根螺釘-骨組織界面，鈦涂層具有更好的骨整合性能，其固定效果要好于噴涂羥基磷灰石涂層。

3.3 表面改性提高生長棒的耐磨耐腐蝕性能

生長棒在患者體內(nèi)服役時(shí)，金屬棒與椎弓根螺釘之間的摩擦磨損會(huì)產(chǎn)生大量的金屬磨屑，從而造成離子釋放。此外，生長棒在生理溶液環(huán)境中被腐蝕，也會(huì)造成離子釋放。金屬離子釋放使局部金屬離子濃度升高，引起巨噬細(xì)胞被激活，最終導(dǎo)致炎癥反應(yīng)、過敏反應(yīng)、骨溶解等相關(guān)并發(fā)癥的產(chǎn)生。物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）技術(shù)可用于提高生長棒的耐磨性、耐蝕性，進(jìn)而降低其離子釋放量。

E. LUKINA[67]發(fā)現(xiàn)，采用物理氣相沉積技術(shù)，在用于脊柱矯形的鈦合金制椎弓根螺釘上沉積一層TiN薄膜和類金剛石（diamond-like carbon，DLC）薄膜，可以提高螺釘?shù)哪湍バ?，減少金屬磨屑的產(chǎn)生。Y. P.PAN[68]在生長棒表面制備了一層DLC 薄膜。ApiFix公司在一種脊柱矯形內(nèi)固定物表面也制備了DLC 薄膜[69-70]，如圖6 所示。他們發(fā)現(xiàn)該涂層不僅有效減少了脊柱矯形內(nèi)固定物的摩擦和磨損，還可以提高其疲勞壽命，抑制細(xì)菌的生長潛力，降低術(shù)后深部傷口感染的發(fā)生率。

圖6 臨床使用的DLC 薄膜改性脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)[69-70]Fig.6 DLC film modified spinal orthopedic internal fixation system in clinic[69-70]

在提高生長棒耐磨損、耐腐蝕性能方面，通過沉積薄膜對生長棒進(jìn)行表面改性的研究相對較少，但在人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域[71-73]，薄膜技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。人們發(fā)現(xiàn)，在金屬植入物表面沉積DLC 薄膜[74]、TiN薄膜[75]、TiAlN 薄膜[76]等陶瓷薄膜，可改善其耐腐蝕性能，減少金屬離子的釋放，從而延長其在人體內(nèi)的服役壽命。

盡管上述薄膜可以提高醫(yī)用金屬植入物的耐磨、耐腐蝕性，但在體外試驗(yàn)和體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，薄膜中存在殘余應(yīng)力及薄膜致密度不足，可能會(huì)導(dǎo)致薄膜在服役過程中發(fā)生剝落失效[77]。薄膜剝落后還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的三體磨損，影響植入物的服役壽命[75]。在硬質(zhì)薄膜中摻雜少量的Cu（5.2%）[78]、Ag（0.8%）[79]等金屬元素，可以提高薄膜的硬度、耐磨性，降低薄膜的孔隙率[80]。另外，由于Cu 和Ag 可以抑制革蘭氏陽性/陰性細(xì)菌活性，Cu 和Ag 的引入還可以提高抗菌性[81]。

本團(tuán)隊(duì)研究證明，在DLC 薄膜中摻雜Ag（0.40%～2.99%）[82]、Cu（3.19%～11.28%）[83]，可以提高其耐磨性能。使用高功率脈沖磁控濺射沉積方法，通過調(diào)控C2H2/Ar 氣體流量比，制備了具有不同Ag 含量（0.40%～2.99%）的DLC 薄膜。在摩擦過程中，Ag原子向磨損區(qū)域遷移，加速了薄膜摩擦界面處的石墨化過程，而高石墨化結(jié)構(gòu)的界面更易發(fā)生塑性變形，并產(chǎn)生富Ag 的棒狀磨屑。這種棒狀磨屑可以減少摩擦副之間的接觸，并使得摩擦方式由滑動(dòng)狀態(tài)變?yōu)闈L動(dòng)狀態(tài)，從而提高了DLC 薄膜的耐磨性能。另外，采用反應(yīng)高功率脈沖磁控濺射技術(shù)，通過調(diào)整Cu-石墨鑲嵌靶中 Cu 棒的數(shù)量，沉積了不同 Cu 含量（3.19%～11.28%）的DLC 薄膜。在摩擦磨損過程中，摩擦界面產(chǎn)生了棒狀磨屑，并且摻Cu 薄膜的磨屑中產(chǎn)生了更明顯的石墨化轉(zhuǎn)變，這種石墨化的磨屑可以作為一種固體潤滑劑，從而降低摩擦系數(shù)和磨損率。

Y. LIAO[84]及M. A. WIMMER[85]等人研究發(fā)現(xiàn)，金屬離子與蛋白質(zhì)之間的摩擦及化學(xué)反應(yīng)能使得金屬-金屬人工關(guān)節(jié)表面形成“類石墨碳潤滑層”，從而提高其摩擦磨損性能，減少腐蝕性離子的運(yùn)輸，降低腐蝕速率。本團(tuán)隊(duì)研究證明了在人工關(guān)節(jié)、生長棒等服役于特殊生理環(huán)境（存在蛋白質(zhì)等生物分子）的醫(yī)用金屬植入物的表面沉積一層摻雜金屬Cu 的薄膜，可以有效改善其摩擦磨損性能，且Cu 離子可通過特定的結(jié)合位點(diǎn)與白蛋白配位結(jié)合，促進(jìn)白蛋白構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，催化白蛋白在摩擦界面吸附、變性、分解，并形成“類石墨碳潤滑層”，從而進(jìn)一步改善其潤滑性和耐腐蝕性能[86]?！邦愂紳櫥瑢印钡男纬蓹C(jī)理如圖7 所示，在摩擦磨損過程中，薄膜中釋放出的Cu離子與溶液中的BSA 分子結(jié)合，促進(jìn)BSA 分子吸附于磨痕處，形成一層蛋白生物膜。該蛋白生物膜在摩擦配副剪切力和金屬離子的共同作用下轉(zhuǎn)化為“類石墨碳潤滑層”，有效降低了摩擦配副之間的磨損。

圖7 摻Cu 薄膜表面形成“類石墨碳潤滑層”示意圖[87]Fig.7 The schematic diagram of formation of a carbonaceous film on the surface of Cu doped film[87]

通過氣相沉積對生長棒進(jìn)行表面處理，可以提高生長棒耐磨損、耐腐蝕性能，減少離子釋放，降低炎癥反應(yīng)、過敏反應(yīng)及骨溶解等相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率，從而明顯改善生長棒的使用安全性和延長使用壽命，推動(dòng)生長棒的發(fā)展。

4 結(jié)語

植入生長棒對早發(fā)性脊柱側(cè)凸具有良好的矯正作用，然而，生長棒臨床應(yīng)用中仍然存在金屬棒斷裂、椎弓根螺釘松動(dòng)和被拔出等并發(fā)癥。生長棒在體內(nèi)服役過程中，由于摩擦和腐蝕會(huì)導(dǎo)致周圍組織中金屬磨屑堆積、金屬離子富集，激活局部巨噬細(xì)胞，引起炎癥反應(yīng)，增加骨溶解和螺釘松動(dòng)的發(fā)生概率，導(dǎo)致過敏反應(yīng)、組織壞死等相關(guān)并發(fā)癥。

采用噴丸、微弧氧化、等離子噴涂、物理氣相沉積等表面改性技術(shù)，可以有效提高生長棒系統(tǒng)的疲勞特性、生物相容性、耐磨性和耐腐蝕性。經(jīng)過改性后的生長棒系統(tǒng)，其斷棒率降低，椎弓根螺釘-骨組織的結(jié)合強(qiáng)度增大，耐磨性和耐腐蝕性提高，過敏反應(yīng)、炎癥反應(yīng)、骨溶解等相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率降低。