湯 騰, 黨新安, 張 仟

(陜西科技大學機電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

人工骨支架的研究一直是骨組織工程研究的主要問題之一.鈦和鈦合金作為首選金屬種植體材料具有良好的生物相容性、耐腐蝕性、組織相容性[1].它跟常用的不銹鋼以及鈷鉻合金相比，質(zhì)量更輕、機械性能和彈性模量更接近于自然骨[2].但長期臨床研究觀察發(fā)現(xiàn)：鈦和鈦合金表面能夠自發(fā)形成一層二氧化鈦鈍化層，導致其引導磷酸鹽沉積的能力較差，與周圍組織結(jié)合不牢；未經(jīng)處理的鈦表面無抗菌性能,鈦植入體摩擦產(chǎn)生的磨屑可導致炎癥發(fā)生.表面改性是將金屬材料應(yīng)用于組織工程最基本的技術(shù)[3].利用表面改性技術(shù)提高鈦和鈦合金的生物相容性、耐磨性、耐腐蝕性，提高與人體細胞的結(jié)合強度，促進骨性結(jié)合的快速形成是目前鈦基人工骨材料研究的重點[4].本文從化學處理改性、鈦表面生成鈣磷陶瓷涂層改性、生物化學方法改性三個方面總結(jié)了目前鈦基人工骨表面改性技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展，為今后研究和設(shè)計鈦基人工骨支架提供了參考.

1 化學處理改性

1.1 酸蝕處理法

對于鈦種植體來說，骨組織要充分生長則要求種植體表面多孔結(jié)構(gòu)的孔徑達到100 μm，酸蝕處理的目的在于使其表面粗糙多孔化，增大種植體與成骨細胞培養(yǎng)液的接觸面積，以利于成骨細胞的初期附著和生長.Mangano C等[5]的研究發(fā)現(xiàn)酸蝕處理后純鈦種植體表面具有微米級的多孔結(jié)構(gòu)，其表面自由能更高，能夠使細胞更好地與種植體結(jié)合，并且能夠刺激結(jié)締組織與血管組織的形成與附著.酸蝕時酸種類的選擇及使用的順序?qū)Υ植阝伇砻娴闹苽溆兄匾绊懀芯勘砻飨扔昧蛩嵩儆名}酸處理得到的粗糙鈦表面最佳.

1.2 堿熱處理法

堿熱處理能在鈦種植體表面形成銳鈦礦晶體多孔結(jié)構(gòu)及富含羥基的氧化層，該表面結(jié)構(gòu)具有很大的比表面積，可以提供更多的結(jié)合Ca2+的位點，能夠提高骨樣磷灰石在鈦基材表面的形成速度.陳卓凡等[6]等將晶像砂紙打磨后的純鈦片用7.5 mol/L堿液處理48 h后浸泡在模擬體液中進行觀察，其表面在7天內(nèi)即有不均勻沉積物出現(xiàn)，而未經(jīng)堿液處理的試樣表面無礦化物沉積.Y Zhou等[7]將通過堿熱表面處理的Ti-27Nb合金進行模擬體液浸泡試驗，其ICP分析獲得的SBF浸泡結(jié)果表明，堿熱預處理獲得的弱堿性鈦酸鈉晶態(tài)涂層使得基體表面周圍溶液的pH值升高，提高了磷灰石的離子活性，促進了磷灰石的異相成核.

1.3 陽極氧化法

陽極氧化法又稱硬質(zhì)陽極氧化，即將鈦等金屬制件作為陽極在一定的電解液中進行電解，使其表面形成一層具有某種功能氧化膜的表面改性方法.陽極氧化法成本低廉，效果明顯，它能夠明顯增強鈦種植體的耐磨性和耐腐蝕性能.Xinyu CUI等[8]的研究還發(fā)現(xiàn)陽極氧化處理的鈦合金基板的表面形態(tài)為一種立體、開放的多孔結(jié)構(gòu)，這種表面結(jié)構(gòu)能夠給磷灰石層和基板之間提供很強的粘接力，從而使鈦和鈦合金更適于作為生物活性植入材料，甚至能夠作為承力骨的理想替換材料.

1.4 微弧氧化法

微弧氧化(MAO)是一種新型的鈦表面處理技術(shù)，又稱等離子液相氧化，是通過電解液與相應(yīng)電參數(shù)的組合，在鈦等金屬及其合金表面依靠弧光放電產(chǎn)生瞬時高溫高壓作用，生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層的表面改性方法.微弧氧化工藝將工作區(qū)域由普通陽極氧化的法拉第區(qū)域引入到高壓放電區(qū)域，能在種植體表面形成具有特征性的火山口樣結(jié)構(gòu)形態(tài)以利于細胞的粘附生長，同時厚的氧化膜更好地屏蔽了金屬離子的析出，從而提高了種植體的耐腐蝕性能.SU-HEE LEE等[9]通過微弧氧化的方法在鈦種植體的HA預沉積層之下形成了一層二氧化鈦層，并使得HA涂層產(chǎn)生局部溶解，形成混合涂層，其研究表明該混合涂層使鈦種植體上的細胞活性得到了改善.井文森等[10]以新型β型鈦合金(TLM)材料為基體的微孔涂層組(PCI)為對照，通過對比觀察經(jīng)微弧氧化技術(shù)處理后的HA復合涂層試件(PCI/HA)置入動物體內(nèi)后骨組織界面新骨的形成情況，證明微弧氧化PCI/HA復合涂層較PCI置入物有更好的骨誘導性.但在微弧氧化過程中，化學氧化、電化學氧化、等離子體氧化同時存在,因此陶瓷層的形成過程非常復雜,至今還沒有一個合理的模型能全面描述陶瓷層的形成.微弧氧化電壓較常規(guī)陽極氧化電壓高得多，電解液溫度上升較快，需配備較大容量的制冷和熱交換設(shè)備.

1.5 大氣加熱法

鈦在加熱條件下與大氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，能夠在其表面形成種類和結(jié)構(gòu)多樣的二氧化鈦膜，這層致密的氧化膜可以防止鈦在生理環(huán)境下受到進一步的腐蝕，避免在體內(nèi)產(chǎn)生游離鈦，可以增加植入體的化學穩(wěn)定性和使用壽命.Chung SH[11]等將鈦種植體置于800 ℃的純氧中，在其表面形成致密較厚的二氧化鈦膜層，然后利用酸堿處理等手段使其表面多孔化活性化，進一步提升了種植體的組織相容性.

2 鈦表面生成鈣磷陶瓷涂層改性

天然骨由寬約5～20 nm，長60 nm的針狀磷酸鈣組成.人工合成的磷酸鈣非常接近天然骨組分的尺寸，能夠加強成骨細胞的粘附和吸收能力，促進骨結(jié)合和骨組織的形成[12].但是純羥基磷灰石材料的抗折強度和斷裂韌性指標均低于人體致密骨，力學性能較差，當其直接應(yīng)用于人體承力骨時存在易脆裂、結(jié)合不牢等問題.近十多年來，國內(nèi)外材料和醫(yī)學工作者的研究發(fā)現(xiàn)將納米級的磷灰石結(jié)構(gòu)包繞鈦基人工骨種植體表面，則其既具備鈦合金優(yōu)越的機械性能又具有羥基磷灰石良好的生物活性，能夠達到改善鈦基人工骨種植體生物活性的目的，使植入體與骨組織的結(jié)合更為順利[13].在鈦表面生成羥基磷灰石陶瓷涂層的方法有電化學法、噴涂法、仿生法、氣相沉積法和涂覆熔覆法等[14]，其原理、特點和應(yīng)用歸納如表1所示.

電泳沉積(EPD)是利用電場作用使懸浮液中荷電的固體微粒發(fā)生定向移動并在電極表面形成沉積層的一種涂層方法.采用EPD方法能制備具有較高強度的致密HA涂層，但是該HA涂層僅能與人體組織在界面上化學鍵合，新生骨組織與涂層的生理結(jié)合能力較低且單次沉積易出現(xiàn)裂紋.Ma等[15]用重復電泳沉積的方法克服了單次沉積熱處理后出現(xiàn)表面裂紋的缺點，制得了亞微米級的羥基磷灰石涂層，從而提高了基底與涂層的結(jié)合強度.

表1 鈦合金表面生物陶瓷涂層制備方法及其特點

等離子噴涂是利用直流電弧放電，把離子狀態(tài)的氮氣、氫氣高速噴出，經(jīng)過高溫將HA粉料熔融或半熔融后噴射于金屬基底形成表面陶瓷涂層的工藝.該技術(shù)可以制備50～400 μm不等的HA涂層，可實現(xiàn)對植入體的局部或整體噴涂.Meirelles L等[16]發(fā)現(xiàn)通過等離子噴涂技術(shù)將羥基磷灰石涂于鈦種植體表面還可以促進早期的骨形成.等離子噴涂存在的缺點有：涂層與鈦基體的熱膨脹系數(shù)相差較大(13.3×10-6℃-1和8.4×10-6～8.8×10-6℃-1)致使殘余應(yīng)力偏高，鈦與基體不能形成牢固的結(jié)合，在體液中容易發(fā)生降解和片層狀脫落.

仿生礦化法是一種新型的制備羥基磷灰石涂層材料的方法，該法模仿自然界生理磷灰石的礦化機制，在礦化液中，以生物高分子材料為基質(zhì)或模板，在其表面沉積無機鹽晶體生產(chǎn)膜層.因為仿生礦化層的形成條件類似人體組織內(nèi)環(huán)境，其組織成分和結(jié)構(gòu)更接近于人體骨無機質(zhì)，可望具有更高的細胞親和性和骨結(jié)合能力.Masatoshi TAKAHASHI等[17]利用模擬體液浸泡的方法在用碳化硅砂紙拋光的鈦銀合金表面獲得了磷酸鈣涂層.褚振華[18]等將鈦片浸入到添加有牛血清蛋白的模擬體液中，制得了均勻的片狀網(wǎng)絡(luò)復合涂層.目前國內(nèi)外學者對仿生礦化的了解還僅僅是在很低的水平上，仍有許多問題沒有解決，如什么因素影響晶體的成核和生長，又是什么因素決定礦物的最終結(jié)構(gòu)、形貌、大小、取向、形態(tài)，如何用生物環(huán)境進行仿生合成的研究.這些問題的解決有賴于我們實驗手段的不斷改進和更多的實驗數(shù)據(jù)的積累.

3 生物化學方法改性

鈦基人工骨種植體表面的生物化學改性即是通過將特定的蛋白、酶或肽等生物大分子引入到種植體界面來誘導特殊細胞分化和控制骨整合.用于改性的生物大分子主要包括促骨生長因子和細胞黏附分子兩類.促骨生長因子主要包括纖維生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子β1、骨形成蛋白2及類胰島素生長因子1等.Schuler M等[19]的研究表明這些促骨生長因子具有促進細胞增殖、分化以及膠原合成的功能，將其加載于種植體表面可以促進骨整合.細胞黏附分子主要為細胞外基質(zhì)蛋白，包括纖維粘連蛋白、玻璃粘連蛋白、骨橋蛋白及骨涎腺蛋白等.Marco Morra等[20]的研究認為利用細胞外基質(zhì)蛋白對鈦進行表面改性是在鈦種植體和受體骨的結(jié)合界面增強骨再生能力最有效的辦法.生物化學改性方法主要包括自組裝法、鍵結(jié)合法、復合涂層法3種.

3.1 自組裝法

自組裝法又稱吸附法，即利用超分子靜電組裝原理，通過靜電力的作用依次吸附上帶異種電荷的生物大分子.陳佳龍等[21]通過層層自組裝法將帶負電的肝素與帶正電的膠原交替結(jié)合到純鈦表面，使鈦基體的抗凝血性得到了改善.Yu Xiang Ni等[22]通過自組裝技術(shù)利用癸雙膦酸鹽(DBP)和I型交替膠原修飾Ti-6Al-4V合金表面，其掃描電鏡圖片和X射線衍射分析數(shù)據(jù)表明Ti-6Al-4V/DBP/Collagen樣品在引導HA形成方面具有很好的生物活性.自組裝法是目前應(yīng)用于鈦基人工骨種植體表面生物化學改性最多的方法，但是該法吸附效果受種植體表面結(jié)構(gòu)的限制，目前不能作為理想的方法.

3.2 鍵結(jié)合法

鍵結(jié)合法一般通過特定的化學反應(yīng)，將生物活性大分子以共價鍵的方式嫁接到種植體表面以達到改性的目的.Baohong Zhao等[23]利用羰基二咪唑(CDI)將RGD序列鍵合到鈦試樣表面，體外和體內(nèi)培養(yǎng)實驗結(jié)果表明該法有效地增加了鈦試樣表面HGFs細胞的粘附和增殖數(shù)量，并促進了肌動蛋白細胞骨架的重組.鍵結(jié)合法的不足之處在于由于活性分子與鈦基金屬表面通過化學鍵結(jié)合，被固定的分子不能直接釋放至種植體周圍，從而限制了被固定大分子的生物活性.

3.3 復合涂層法

天然動物骨組織、貝殼、珍珠等是通過無機物和有機物之間的相互作用而形成的具有優(yōu)異力學性能的生物復合體,其中的無機相呈納米狀態(tài)分散在有機相中,起彌散增強的作用.復合涂層法即是得益于這方面的啟發(fā),把膠原蛋白、牛血清蛋白、殼聚糖等有機物質(zhì)作為添加劑加入到鈦種植體表面涂層中,形成良好的生物活性界面，達到改善其生物活性的目的.王英波等[24]通過原位水熱合成法和溶膠-凝膠法在鈦表面制備了HA和殼聚糖的復合涂層，Alamar Blue的檢測結(jié)果表明復合涂層表面細胞的分化能力明顯高于純鈦樣品.復合涂層法是改善基體材料生物活性的有效手段，但是大分子顆粒在涂層中的行為與作用機制還有待進一步研究，涂層與基體之間的結(jié)合強度還有待進一步提高,許多科研成果還停留在實驗室水平,在提高科研成果的轉(zhuǎn)化率方面還應(yīng)加大力度.

4 結(jié)束語

鈦及鈦合金是骨組織的良好替代品，通過表面改性提高鈦基人工骨的種植體性能是很有實用價值的課題.鈦基人工骨種植體表面處理技術(shù)的發(fā)展趨勢是：將多種表面處理方法有機組合，建立相對規(guī)則的表面多級納米微結(jié)構(gòu)；將多種生物活性材料進行復合，使微結(jié)構(gòu)的功能性與相應(yīng)的生物化學特性結(jié)合，以提高鈦基人工骨種植體的綜合性能.但是，鈦及鈦合金作為不可降解的骨替代品必須長期服役于受植者體內(nèi)，特別是當其作為大段承力骨替代品時，經(jīng)過長時間的界面摩擦和受壓，用于表面改性的活性涂層易發(fā)生剝落，在合金與骨的界面結(jié)合處易產(chǎn)生強度破壞.所以，如何既能提高材料的界面結(jié)合強度和涂層的厚度，又能夠保證涂層的穩(wěn)定性和生物活性也是目前研究亟待解決的問題.

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