王歡 劉洋 戚孟春 李靜怡 劉夢楠 孫紅

1.華北理工大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 唐山 063210；

2.華北理工大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 唐山 063210

鈦及其合金因優(yōu)越的機械性能以及生物相容性，被廣泛用作牙科種植體、整形外科骨組織修復(fù)替代材料等。但在生物環(huán)境中，鈦及其合金由于表面生物惰性，很難誘導(dǎo)快速的成骨和牢固的固定，影響種植體與骨周圍組織的骨性連接，從而影響種植體成功率[1]。此外，種植體植入后的細菌感染也是潛在的破壞性并發(fā)癥之一，最終導(dǎo)致種植失敗[2]。因此，各國學(xué)者嘗試采用多種表面修飾技術(shù)，例如噴砂酸蝕（sandblasted and acidetched）、選擇性激光熔覆、陰極氧化、磁控濺射等方法賦予種植體表面更好的生物學(xué)性能。在眾多表面修飾技術(shù)中，微弧氧化（micro-arc oxidation）技術(shù)因操作方便、成本低，能有效調(diào)整所制備表面涂層的微觀結(jié)構(gòu)和元素，提高種植體的成骨性和抗菌性，提高種植成功率，成為熱門的種植體表面改性技術(shù)。本文就微弧氧化技術(shù)制備鈦基種植體表面涂層及其成骨性和抗菌性的研究進展進行綜述。

1 微弧氧化

微弧氧化又被稱為等離子體氧化，是在陽極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的表面改性技術(shù)。以鈦作為陽極，通過高壓電源使陽極表面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓，在電解液中發(fā)生弧光放電，從而在陽極表面制備出多孔二氧化鈦（TiO2）生物活性陶瓷涂層。該TiO2涂層從基體內(nèi)部反應(yīng)，以冶金方式原位生長，涂層與基體結(jié)合緊密，有較好的結(jié)合力，不易脫落[3]。

在使用微弧氧化制備涂層的過程中，反應(yīng)電壓、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、電解液成分等因素均會影響涂層的表面形貌和成分，從而影響種植體表面性能[4-9]。

1.1 反應(yīng)電壓的影響

隨著反應(yīng)電壓的增加，涂層的微孔密度減小、尺寸增大，且呈現(xiàn)出促細胞增殖能力和堿性磷酸酶活性；但過高的電壓會導(dǎo)致氧化層輕微開裂，表面變得不規(guī)則和粗糙，甚至涂層剝落，從而導(dǎo)致涂層失去相應(yīng)功能。

1.2 反應(yīng)時間的影響

氧化反應(yīng)時間的增加可使微孔數(shù)量減少，而涂層的微孔尺寸和粗糙度顯著增加，從而促進了種植體表面細胞增殖、黏附，具備更高的生物活性。但過長的氧化反應(yīng)時間會導(dǎo)致涂層孔隙間產(chǎn)生裂紋，從而影響涂層與基體的結(jié)合強度。

1.3 反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度也會影響涂層形態(tài)，溶液溫度過低，可以導(dǎo)致TiO2涂層產(chǎn)生裂紋；溶液溫度過高，則會導(dǎo)致TiO2涂層形成液滴狀結(jié)構(gòu)，不能形成多孔結(jié)構(gòu)。

1.4 占空比的影響

在應(yīng)用微弧氧化技術(shù)時，占空比也可影響制備涂層的物理形貌。隨著占空比的增大，孔隙直徑也隨之增大，從而影響所制備涂層的生物學(xué)功能。

1.5 電解液成分的影響

在電解液中增加電解質(zhì)，可以顯著影響微弧氧化技術(shù)制備涂層時所需的氧化反應(yīng)時間及反應(yīng)電壓，證明電解質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)和性能之間具備相關(guān)性。

2 微弧氧化制備不同顯微物理形貌的種植體

微弧氧化技術(shù)可以相對簡單、高效地在鈦金屬表面制備具有較高生物活性和結(jié)合強度的多孔TiO2陶瓷涂層。多孔、粗糙的形態(tài)可產(chǎn)生更高的比表面積，提高種植體與宿主骨之間的接觸面積和增加種植體表面親水性，并為細胞生長和骨形態(tài)發(fā)生蛋白提供大量的附著點，從而為細胞的生長提供了一個合適的微環(huán)境[10]，促進成骨細胞在材料表面的黏附，從而促進新骨形成和種植體骨整合[11]。

通過微弧氧化技術(shù)可在種植體表面制備與天然骨結(jié)構(gòu)更為相似的分級混合微-納米結(jié)構(gòu)涂層，可以更好地模擬天然細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，為骨細胞的黏附提供更佳生物學(xué)性能的表面[12]。研究[13-14]發(fā)現(xiàn)，通過微弧氧化法在鈦基種植體表面制備直徑3～10μm的多孔形態(tài)具有更好的表面能，促進白蛋白附著，增強細胞黏附性，可以促進骨髓間充質(zhì)干細胞的黏附和成骨分化。有學(xué)者[15]提出與天然骨結(jié)構(gòu)更為相似的分級混合微-納米結(jié)構(gòu)，該雙尺度結(jié)構(gòu)對成骨細胞活性有協(xié)同作用，為骨組織的細胞功能提供更合適的表面環(huán)境，提高了骨傳導(dǎo)率。Zhang等[16]通過微弧氧化技術(shù)制備出孔徑0.5～3.0μm的大/中孔結(jié)構(gòu)TiO2涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層可能通過RhoA/ROCK通路影響成骨細胞樣細胞增殖和分化，基于該結(jié)構(gòu)的拓撲誘導(dǎo)反應(yīng)促進了細胞初始黏附、增殖和分化；該層次結(jié)構(gòu)的涂層在骨科和牙科種植體方面具有很大的應(yīng)用前景。

微弧氧化技術(shù)制備的“腦回型”TiO2涂層為微槽與納米顆粒結(jié)合在一起的雙尺度結(jié)構(gòu)，具有超親水性。Zhou等[17]也通過實驗證明該種“腦回型”涂層具有良好的微觀結(jié)構(gòu)和超親水性，具有良好的成骨性。Li等[18]也通過微弧氧化成功制備“腦回型”結(jié)構(gòu)的TiO2涂層，結(jié)果表明該涂層能顯著促進細胞黏附、擴散和分化，增加基質(zhì)礦化；用雜種狗進行的體內(nèi)實驗表明，“腦回型”涂層可促進骨整合，預(yù)示該涂層可能有助于更高水平的種植成功。

3 微弧氧化法固定功能離子改良種植體表面功能

含不同功能元素的表面改性種植體可以同時具有良好的骨整合性能以及抗菌性能，并在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微弧氧化法可通過放電的方式將電解液中的功能元素摻入種植體表面的氧化層中，而非僅僅沉積于氧化層表面；涂層與種植體基體結(jié)合緊密，摻入的功能元素可提高鈦種植體的微弧氧化膜層生物學(xué)活性，并賦予膜層促成骨活性及抗菌活性。而這一特點是其他傳統(tǒng)改性技術(shù)所不具備的，例如噴砂酸蝕技術(shù)通過表面減法僅能改變鈦基種植體的表面形貌[19]，而微弧氧化技術(shù)則能在表面改性的同時摻入不同元素。

3.1 鍶（Sr）

Sr是一種沉積在骨組織的微量元素[20]。研究[21]結(jié)果表明，Sr離子可抑制破骨細胞的吸收活性，減少骨吸收，增強骨膠原合成，影響骨重建吸收和骨形成。因此，采用微弧氧化將Sr載入涂層中，改善涂層的成骨性能。Yan等[22]制備的Sr-HA種植體表面涂層，可改善涂層周圍骨微結(jié)構(gòu)，加速骨-種植體的融合。Sato等[23]在微弧氧化電解液中加入乙酸鍶半水化合物，制備的摻Sr涂層可促進細胞成骨分化及鈣化，改善種植體骨整合。

3.2 銀（Ag）

Ag是一種強效非特異性廣譜抗菌劑，有主動抗菌和長期抗菌的性能，且不易產(chǎn)生耐藥性[24]。采取微弧氧化技術(shù)將適量的Ag或其衍生物摻入種植體表面，使TiO2多孔涂層在發(fā)揮良好的生物活性的同時具備優(yōu)異的抗菌效果。Song等[25]通過采用微弧氧化技術(shù)摻入低濃度的Ag，呈現(xiàn)出良好的抗菌活性，并且未展現(xiàn)出細胞毒性。有學(xué)者[26]進一步調(diào)整Ag的摻入量，使微弧氧化多孔涂層同時具備良好的生物活性以及優(yōu)異的抗菌效果。

3.3 銅（Cu）

Cu及納米Cu顆粒在一定濃度下具有抗菌性能和生物活性，并且不產(chǎn)生細菌耐藥性[27-28]，通過微弧氧化技術(shù)將Cu應(yīng)用于種植體的表面修飾，賦予種植體抗菌性能。Chang等[29]通過微弧氧化技術(shù)制備多孔納米級的含Cu離子的TiO2涂層，通過體外實驗證明該涂層對金黃色葡萄球菌有抑制作用，并且可以促進成骨細胞黏附、早期增殖和后期分化。同樣，Huang等[30]采用微弧氧化技術(shù)在鈦基板上制備了含Cu陶瓷涂層，研究發(fā)現(xiàn)該涂層表面可以調(diào)節(jié)成骨樣細胞分化的微環(huán)境，可增強巨噬細胞介導(dǎo)的成骨作用和殺菌能力，從而增加種植體表面的抗菌性能。Cu納米粒子在相對較低的濃度下具有較好的抗菌活性[31]，故通過微弧氧化技術(shù)將Cu納米粒子固定于種植體涂層，可賦予涂層良好的抗菌性能。Yao等[32]采用微弧氧化技術(shù)在不改變涂層微觀結(jié)構(gòu)和相組成的前提下，將Cu納米粒子成功融入多孔涂層的表面及內(nèi)部，制備了一種載Cu納米粒子的微弧氧化多孔抗菌涂層，并通過體外實驗證明該涂層具有雙重抗菌機制（接觸滅菌和釋放Cu離子滅菌），呈現(xiàn)出優(yōu)良的抗菌活性。

3.4 鋅（Zn）

Zn是骨代謝和骨生成的重要微量元素，并在核酸代謝、基因表達和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等諸多生理過程中起著至關(guān)重要的作用[33]。Yu等[34]采用微弧氧化技術(shù)在含葡萄糖酸鋅的電解液中制備了含Zn多孔TiO2涂層，通過研究證明該涂層有潛在的生物學(xué)活性和抗菌活性。Rokosz等[35]制備的含Zn涂層同樣能發(fā)揮良好的抗菌作用。

4 微弧氧化法聯(lián)合其他表面處理技術(shù)改良種植體表面性能

近年來，眾多學(xué)者通過微弧氧化技術(shù)與其他表面技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用對種植體進行表面改性，使種植體表面獲得多種生物學(xué)功能。不同技術(shù)與微弧氧化技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可分為2種類型：1）通過其他技術(shù)輔助微弧氧化技術(shù)，改善微弧氧化制備涂層的物理形貌，從而增強種植體生物學(xué)性能。Li等[36]研究通過超聲輔助微弧氧化技術(shù)，增加了制備涂層的厚度，使涂層厚度由76.22μm增長到81.64 μm，從而獲得更佳的表面物理形貌。2）通過微弧氧化技術(shù)制備多孔形貌，后聯(lián)合其他方法摻入功能性元素，賦予種植體表面多種生物學(xué)功能。Lee等[37]采用微弧氧化聯(lián)合陰極還原兩階段方法制備出含Ag多孔涂層，將Ag摻入涂層中，使涂層具有良好的抗菌性能，且由于微弧氧化技術(shù)所制備的多孔涂層具有促進細胞生長作用，從而可抵消摻入Ag所帶來的細胞毒性。He等[38]通過磁控濺射載Ag聯(lián)合微弧氧化載Sr，成功制備同時含有Sr和Ag的種植體涂層，并通過體外實驗證明該涂層具有良好的抗菌活性和良好的細胞相容性，增強成骨細胞的黏附和分化能力，使該種植體同時具備促成骨性能和抗菌性能。

5 微弧氧化一步法賦予種植體表面多種生物性能

隨著微弧氧化技術(shù)的不斷發(fā)展，有學(xué)者更熱衷于研發(fā)更加便捷有效的表面處理方法，微弧氧化一步法可將2種及以上不同功能的元素同時摻入多孔TiO2涂層中，使所制備的涂層同時具備相應(yīng)的功能，較聯(lián)合多種方法更為簡單方便，逐步成為當(dāng)今的研究趨勢。Zhao等[1]通過微弧氧化一步法，在電解液中同時加入葡萄糖酸鋅和葡萄糖酸鍶，均勻一致地將2種不同功能元素Zn和Sr同時固定于種植體表面的多孔TiO2膜層內(nèi)部，且分布均勻，實驗證明該涂層可促進成骨細胞的黏附、增殖、分化和礦化，提高涂層與骨組織的早期骨整合，具有良好的生物學(xué)活性；同時抑制了葡萄球菌的增殖，具有良好的抗菌活性。Liu等[39]采用微弧氧化技術(shù)在鈦表面制備了Zn和Ag納米粒子共摻雜的微孔TiO2涂層；實驗表明該涂層能顯著抑制金黃色葡萄球菌對該表面的黏附，減少培養(yǎng)基中浮游細菌的數(shù)量，證明Zn和Ag共摻雜的TiO2可以作為一種具有長期抗菌性能的生物活性涂層。

6 總結(jié)和展望

綜上所訴，微弧氧化可制備功能多樣的種植體表面涂層?？赏ㄟ^控制電壓、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等影響因素，制備具有不同表面形貌的TiO2涂層，從而改善種植體表面的生物學(xué)活性，也可以通過改變電解液成分，進而影響所制備涂層的功能；另外，微弧氧化技術(shù)的研究逐漸由單一技術(shù)向與其他多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，由一步法引入單一元素向引入多種不同功能元素發(fā)展；該技術(shù)研究的深入具有重要的理論意義和廣闊的臨床應(yīng)用前景。

盡管微弧氧化技術(shù)的發(fā)展前景是非?？捎^的，但通過微弧氧化法大規(guī)模快速制備穩(wěn)定的種植體涂層相關(guān)的影響因素還不確定。對于微弧氧化一步法制備含多種功能元素的研究仍存在不足，缺少研究理論和實驗數(shù)據(jù)。在制備表觀形貌、不同元素載入量以及所展現(xiàn)的實際功能活性等方面尚需要進一步探索。制備兼具良好促成骨活性和抗菌活性的種植體，既能促進種植體骨結(jié)合，又能防止種植體周圍炎，降低因細菌感染導(dǎo)致的種植體失敗率，提高種植體長期成功率的種植體表面多功能涂層，仍然是目前研究的主要目標(biāo)。