鈦及鈦合金植入物表面載銅微弧氧化涂層研究進(jìn)展

劉晉琿

（西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，四川 瀘州 646000）

20世紀(jì)70年代初，鈦及其合金因其高比強(qiáng)度、耐蝕性和生物相容性，開始取代不銹鋼作為醫(yī)用植入材料。然而鈦及其合金本身是惰性的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的抗菌和促進(jìn)成骨，這可能導(dǎo)致植入物失敗，給患者帶來極大的痛苦和沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。通過對(duì)鈦及其合金表面進(jìn)行表面改性可以解決以上難題。

目前，鈦及其合金的表面改性包括多種技術(shù)：離子注入、等離子體噴涂、物理氣相沉積和微弧氧化等。其中，微弧氧化是在鈦基基底上制備多孔TiO2陶瓷涂層的一種有效且相對(duì)方便的方法。通過在氧化過程中將促進(jìn)抗菌和成骨的元素添加到電解液中，可以將抗菌元素?fù)诫s到生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的氧化物涂層中。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外鈦及鈦合金載銅微弧氧化涂層在抗菌性和成骨活性方面的研究進(jìn)展進(jìn)行調(diào)研和綜述。

1 銅的抗菌性和成骨活性

銅（Cu）及其離子是公認(rèn)的廣譜抗菌劑，能夠克服細(xì)菌耐藥性。早在公元前2000多年的艾德溫·史密斯紙草文稿就詳細(xì)描述了古埃及人如何使用銅來消毒水和直接治療傷口。而且銅是人體必需的微量元素之一，主要以含銅蛋白的形式存在，對(duì)維持人體正常造血功能、促進(jìn)結(jié)締組織生成及維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)健康等有重要作用，銅還具有多種生物功能，如刺激血管生成和成骨。因此，具有抗菌和成骨活性的銅元素在醫(yī)療領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注和研究。

1.1 銅的抗菌活性

Kalaivani等人研究了摻銅硅酸鈣（CaSiO3）涂層，并評(píng)估了其對(duì)大腸桿菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureus）的抗菌性能。結(jié)果表明，純粉末沒有表現(xiàn)出抗菌性能，而隨著摻雜涂層中銅含量的增加，抗菌活性逐漸增強(qiáng)[1]。Akhtar等人用銅/殼聚糖復(fù)合物涂覆不銹鋼316L，并評(píng)估其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果。發(fā)現(xiàn)銅/殼聚糖復(fù)合物對(duì)這兩種菌株在3h后都有很強(qiáng)的抑制作用,沒有細(xì)菌生長(zhǎng)，24h后仍有這種作用[2]。Ren等人使用317L銅不銹鋼對(duì)抗大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，其材料在2h后顯示出一定的抗菌效果：對(duì)金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)抑制率為20%，對(duì)大腸桿菌的生長(zhǎng)抑制率為40%，12h后這一比例分別增加到80%和90%。24小時(shí)后，這種材料殺死了99%的細(xì)菌[3]。

1.2 銅成骨活性

體外研究表明，銅可以促進(jìn)成骨分化。在細(xì)胞培養(yǎng)基中加入銅可以減少骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，盡管它可以增加成骨分化的能力，誘導(dǎo)堿性磷酸酶（ALP）的早期表達(dá)和礦化[4]。Ren等人證明，含銅鋼釋放的微量銅具有明顯的降低支架內(nèi)再狹窄（ISR）、抗菌感染、抑制炎癥細(xì)胞甚至促進(jìn)早期成骨的生物學(xué)功能。與未摻雜的317L鋼相比，317L銅鋼在培養(yǎng)3天后，成骨細(xì)胞的ALP活性和成骨基因的表達(dá)，如I型膠原（COL-1）、骨橋蛋白（OPN）和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（RUNX2）顯著增加[5]。Burghardt等人在鈦合金上制備了一種含銅鍍層的復(fù)合材料。當(dāng)Cu2+濃度為0.1mM時(shí)，MSC增殖受到刺激，ALP活性增加，大腸桿菌、骨保護(hù)素、骨橋蛋白表達(dá)增加，細(xì)胞礦化[6]。Wu等人制備了含銅的介孔生物活性玻璃支架，并在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hBMSC）上測(cè)試了這些材料及其提取物。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中骨相關(guān)基因ALP、OPN和骨鈣素的表達(dá)顯著增加[7]。

2 微弧氧化

微弧氧化（Micro arc oxidation，MAO）也稱為等離子體電解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation，PEO），是一種電化學(xué)表面處理工藝，可在某些金屬上產(chǎn)生保護(hù)性氧化物涂層。微弧氧化設(shè)備主要由電解槽和氧化電源組成。以閥金屬（鈦、鋯、鉭等）及其合金作為陽(yáng)極放入電解槽中，通電后在低電壓下金屬表面生成很薄一層氧化物絕緣層，當(dāng)施加的電壓超過某一臨界值，電壓從陽(yáng)極氧化的法拉第區(qū)域進(jìn)入高壓放電區(qū)，這時(shí)絕緣膜上某些薄弱部位被擊穿，浸在溶液里的金屬表面可以看到無(wú)數(shù)個(gè)游動(dòng)的弧光或火花，每個(gè)弧點(diǎn)存在時(shí)間很短，但等離子體放電區(qū)域瞬間溫度很高，一般認(rèn)為在2000℃以上。在此區(qū)域內(nèi)金屬及其氧化物發(fā)生不斷的熔融凝固形成以基體金屬氧化物為主、電解液成分為輔的改性陶瓷涂層。影響微弧氧化涂層屬性的電參數(shù)主要有電流密度、電壓強(qiáng)度、脈沖振蕩和正負(fù)占空比等。通過改變這些電參數(shù)，影響微弧氧化工藝過程，如發(fā)生的電壓擊穿、基底的局部熔化和氧化、淬火和再結(jié)晶過程，進(jìn)而顯著影響涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能。形成的微弧氧化膜層與基體結(jié)合牢固，具有良好的耐腐蝕和電絕緣等特性。該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)膜層功能調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，而且工藝不復(fù)雜，不造成環(huán)境污染，是一項(xiàng)全新的綠色環(huán)保型材料表面處理技術(shù)，在航空航天、汽車、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

通過向電解液中添加金屬納米顆?；蚪饘倩衔铮⒗梦⒒⊙趸夹g(shù)可以將無(wú)機(jī)抗菌金屬元素（如銀、銅、鋅）引入植入物表面。亦可以通過物理氣相沉積、濺射、電沉積等手段結(jié)合微弧氧化技術(shù)，將無(wú)機(jī)抗菌金屬元素引入植入物表面。把銀、銅、鋅等金屬元素?fù)饺胛⒒⊙趸繉又校瑥亩纳柒伡捌浜辖鹬踩胛锟咕院统晒腔钚?，現(xiàn)已成為植入物表面改性研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

3 載銅微弧氧化涂層研究進(jìn)展

利用微弧氧化技術(shù)，通過向電解液中添加銅離子，可以獲得載銅微弧氧化涂層。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，涂層顯示出良好的抗菌性能和成骨活性。Zhu等人研究了通過在微弧氧化電解液中添加Cu(CH3COO)2·H2O制備的含銅TiO2層的抗菌和生物行為。含銅的TiO2涂層可以顯著抑制金黃色葡萄球菌的粘附。體外生物學(xué)評(píng)價(jià)顯示，與無(wú)銅涂層和鈦板相比，含銅涂層上MG63細(xì)胞的粘附、增殖和分化能力增強(qiáng)[8]。Zhang等人同樣通過在電解液添加Cu(CH3COO)2制備了不同銅含量的TiO2層。Cu摻雜TiO2涂層對(duì)金黃色葡萄球菌具有良好的接觸殺滅和釋放殺滅作用，抗菌活性與涂層中Cu2+的用量呈正相關(guān)。Cu2+可增加細(xì)胞內(nèi)特異性蛋白質(zhì)（如CTGF、a-SMA和Col I）的合成，表明對(duì)成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榧±w維化表型和分化為肌成纖維細(xì)胞有積極作用。在低濃度的銅（0.67 wt%）下，生成的TiO2層顯示出成纖維細(xì)胞的粘附和增殖，而在高濃度下，由于細(xì)胞毒性，其顯著降低[9]。Liang等通過含乙二胺四乙酸銅鈉的電解液向微弧氧化層中摻雜1.92 wt%的銅，涂層沒有細(xì)胞毒性。MAO樣品在Hanks'S溶液中浸泡14天后，對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率仍保持在100%，而對(duì)大腸桿菌的抗菌率在浸泡8天后下降到92%，浸泡14天后下降到12%，顯示出長(zhǎng)期的抗菌能力[10]。Shimabukuro等在含有氯化銅的電解液中，通過MAO處理，在鈦表面成功地制備含銅的多孔氧化涂層。從氧化涂層釋放的銅離子量小于ICP-AES的檢測(cè)限，對(duì)成骨樣細(xì)胞的增殖和鈣化沒有有害影響。使用革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性兼性厭氧菌評(píng)估抗菌性能，證實(shí)了含銅氧化涂層抗菌性能。在生理鹽水中浸泡28天后，仍存在抗菌性能[11]。Rokosz等在四種含有Cu(NO3)2·3H2O的電解質(zhì)中進(jìn)行微弧氧化。發(fā)現(xiàn)電解液中Cu(NO3)2·3H2O濃度越高，涂層的粗糙度越高。涂層中的銅導(dǎo)致所制備的涂層具有抗菌和殺菌性能，可用于生物相容性應(yīng)用[12]。

部分研究是通過在電解液加入含銅納米粒子（CuNPs），制備載銅微弧氧化涂層。Yao等通過在含有CuNPs的電解液中對(duì)鈦進(jìn)行微弧氧化，制備了摻銅抗菌TiO2涂層。結(jié)果表明，CuNPs不僅分布在涂層表面和孔隙內(nèi)部，而且還嵌入到涂層中。Cu主要以Cu2+狀態(tài)存在于TiO2涂層中。Cu摻雜涂層對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有優(yōu)異的抗菌活性[13]。同樣的，Zhang等人通過微弧氧化在鈦表面沉積了摻有不同量CuNPs（指定為0Cu、0.3 Cu和3.0 Cu）的多孔涂層。CuNPs涂層樣品對(duì)金黃色葡萄球菌具有優(yōu)異的抗菌活性。體外細(xì)胞相容性評(píng)價(jià)顯示，銅和0.3Cu對(duì)成骨細(xì)胞沒有毒性，但3.0Cu具有細(xì)胞毒性。0.3Cu促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和粘附，增強(qiáng)細(xì)胞外基質(zhì)礦化，但對(duì)堿性磷酸酶活性（ALP）和膠原分泌影響不大。0.3Cu和3.0Cu對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞均無(wú)細(xì)胞毒性，促進(jìn)細(xì)胞增殖。從CuNPs摻雜的TiO2涂層中觀察到內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生一氧化氮（NO）和分泌血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）[14]。

通過結(jié)合其他表面改性技術(shù)，也可將銅摻雜進(jìn)微弧氧化涂層里。Huang等人通過將微弧氧化和水熱處理相結(jié)合來制備摻銅TiO2涂層，研究其對(duì)巨噬細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用。Cu2+釋放和材料表面可激活巨噬細(xì)胞內(nèi)不同的信號(hào)通路。涂層表面Cu2+的釋放可通過銅轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)激活促炎性M1巨噬細(xì)胞。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了銅誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)與增強(qiáng)成骨之間的正相關(guān)關(guān)系[15]。Durdu將微弧氧化和物理氣相沉積-熱蒸發(fā)技術(shù)結(jié)合起來，在純鈦表面制備了一種新型的銅基TiO2涂層。研究了涂層的體外生物活性和體外抗菌性能。在模擬體液（SBF）中浸泡28天后，與MAO表面相比，含銅MAO涂層的體外生物活性增加。分別對(duì)革蘭氏陽(yáng)性（金黃色葡萄球菌）和革蘭氏陰性（大腸桿菌）細(xì)菌進(jìn)行28天的細(xì)菌粘附試驗(yàn)。結(jié)果表面，與MAO表面相比，含銅MAO涂層的抗菌性能顯著提高[16]。Burghardt等人通過電鍍銅到微弧氧化層上，并通過噴砂減薄涂層到合適厚度。發(fā)現(xiàn)釋放銅離子的鈦植入物在植入物表面附近較高濃度的銅可以有效地對(duì)抗細(xì)菌感染，并且當(dāng)銅離子濃度因擴(kuò)散而降低時(shí)，可以促進(jìn)骨再生。銅在0.1mM左右的窄濃度范圍內(nèi)刺激間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）的增殖。當(dāng)細(xì)胞在成骨分化培養(yǎng)基中培養(yǎng)時(shí)，相似的銅濃度可促進(jìn)MSC的成骨分化。我們觀察到堿性磷酸酶（ALP）活性增加，I型膠原、骨保護(hù)素、骨橋蛋白表達(dá)增加，最終細(xì)胞礦化[17]。Wu等人采用微弧氧化法在預(yù)濺射的CuTi薄膜上制備了不同銅濃度的抗菌TiO2涂層。研究了CuTi膜中Cu濃度對(duì)微弧氧化過程的影響。Cu主要以CuO的形式存在于TiO2涂層中。Cu-TiO2涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性，并且隨著MAO涂層中Cu濃度的增加，抗菌率逐漸上升。微弧氧化涂層的耐蝕性也略有提高[18]。

4 總結(jié)

微弧氧化技術(shù)應(yīng)用廣泛的一個(gè)重要原因是能夠通過該技術(shù)開發(fā)出具有多種化學(xué)成分的多孔涂層。微弧氧化技術(shù)將銅有效地引入到植入物表面，成功地解決了鈦及其合金植入物存在的感染和成骨活性差的問題。大部分研究是有關(guān)載銅微弧氧化涂層的體外抗菌性能和成骨活性。

雖然在體外實(shí)驗(yàn)中取得一些成果，但相關(guān)動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)研究相對(duì)較少。未來應(yīng)該對(duì)載銅微弧氧化涂層的短期及長(zhǎng)期抗菌活性、成骨活性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，并通過大量的動(dòng)物和臨床實(shí)驗(yàn)去證實(shí)，只有這樣載銅微弧氧化涂層才能進(jìn)入臨床應(yīng)用，具備實(shí)用價(jià)值?？傮w上，目前載銅微弧氧化涂層研究仍處于初級(jí)階段，許多技術(shù)上的難題還需進(jìn)一步研究解決。