狄玉麗，黃海燕，焦 鈺，靳必強，羅 茜

(西昌學(xué)院理學(xué)院，四川 西昌 615000)

0 前 言

鈦及鈦合金因具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐腐蝕性能及生物相容性而被認(rèn)為是目前最有吸引力的金屬生物材料之一，目前鈦及鈦合金已作為人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、牙種植體、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)等醫(yī)用植入材料廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中[1，2]。多孔鈦及鈦合金材料因三維貫通孔隙的存在不僅有利于體液的傳輸及成骨細(xì)胞的分化生長以使骨組織長入孔隙中，還可調(diào)節(jié)多孔鈦及鈦合金的強度及楊氏模量與骨組織相匹配，達(dá)到最佳機械嵌合，提高植入材料的使用壽命。目前來看，多孔鈦及鈦合金是較為理想的生物醫(yī)學(xué)植入材料[3，4]。

1 醫(yī)用多孔鈦及鈦合金的成型

目前多孔鈦及鈦合金材料的主要基本制備方法有粉末冶金法、金屬沉積法和鑄造法3大類，除此之外還有自蔓延高溫合成法、熔煉法、腐蝕造孔法等[5，6]。粉末冶金法[7，8]是用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經(jīng)成型和燒結(jié)制造出多孔金屬材料、復(fù)合材料及各種類型制品的工藝過程。粉末冶金法包括漿料發(fā)泡法、纖維冶金法、混合燒結(jié)法、添加造孔劑法、成型粉末燒結(jié)法等方法。鑄造法[9，10]是利用液態(tài)金屬獲得多孔金屬結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法具有生產(chǎn)工藝簡單、成本較低的優(yōu)點，此方法適合熔點較低的金屬或合金。鑄造法主要包括熔體發(fā)泡法、滲流鑄造法、包鑄法等。金屬沉積法中最常用的方法是利用等離子噴涂技術(shù)[11，12]制備多孔金屬材料、具有粗糙多孔表面結(jié)構(gòu)的金屬材料以及金屬涂層，也可在液態(tài)或氣態(tài)環(huán)境中使用濺射、化學(xué)鍍與電鍍、蒸鍍等方法將金屬材料沉積于多孔基體材料上，金屬沉積法也可用于對多孔材料進行表面改性。近幾年，3D打印在多孔鈦的制備方法上也得到了較多的研究與應(yīng)用[13,14]。

2 醫(yī)用多孔鈦及鈦合金的表面改性方法

醫(yī)用多孔鈦及鈦合金雖然已獲得了良好的臨床應(yīng)用，但為了推進多孔鈦及鈦合金材料在體內(nèi)骨組織形成良好的骨性愈合和骨整合，有必要對其表面進行改性處理。目前國內(nèi)外對醫(yī)用多孔鈦及鈦合金進行表面改性常用制備表面生物活性涂層和表面化學(xué)改性2種方法[15]。

2.1 表面生物活性涂層

目前制備最多的生物活性涂層為類骨磷灰石涂層，該涂層與人體硬骨組織有非常相似的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，通過生物實驗發(fā)現(xiàn)該涂層植入人體后可誘導(dǎo)骨組織形成且能與骨形成良好的骨鍵結(jié)合，表現(xiàn)出優(yōu)異的生物活性和相容性。

Doi等[16]將具有85%孔隙率的多孔鈦放置于5 mol/L NaOH溶液中，在60 ℃下處理24 h后，用水和丙酮進行清洗，然后在37 ℃下干燥。為了評估多孔鈦的生物活性，將樣品在模擬體液中浸泡7 d后進行相應(yīng)的分析檢測，另外，還將其植入兔股骨中進行生物實驗；結(jié)果表明：經(jīng)過堿處理后的多孔鈦表面生成了具有高含量Ca和P的類骨磷灰石，類骨磷灰石呈針狀的小孔結(jié)構(gòu)(見圖1b)，生物實驗表明此表面具有良好的生物活性能，有效誘導(dǎo)骨骼重建。

Xiong等[17]通過選擇性激光熔覆法將粒徑為15～45 μm的Ti6Al4V粉末在氮氣氛圍中成功制備出孔隙尺寸為500 μm的多孔鈦合金材料，再將多孔材料置于60 ℃下的5 mol/L NaOH溶液中堿處理24 h，去離子水清洗后風(fēng)干24 h，再在600 ℃下熱處理1 h。經(jīng)過堿熱處理后的多孔鈦合金材料具有良好的抗壓強度(715 MPa)、相對較低的剛度(26 GPa)和較好的孔隙率，堿熱處理后的微納米結(jié)構(gòu)提高了多孔鈦合金的生物活性。Yao等[18]將多孔鈦放置于70 ℃的混合酸[48%(體積分?jǐn)?shù)，下同)H2SO4+18%HCl]中處理15 min后再在70 ℃下的6 mol/L NaOH溶液中浸泡12 h，得到多孔鈦(AA12PT)試樣，該試樣表面形成了微納米級別的浮雕狀表面，通過模擬體液浸泡后發(fā)現(xiàn)酸堿聯(lián)合處理后的多孔鈦表面具有骨誘導(dǎo)效果，是由于在其表面形成了羥基磷灰石和鈣鈦礦層(見圖2)；且隨著在模擬體液中浸泡時間的延長，其表面形成的羥基磷灰石越來越厚且表面形貌也隨之變化。此外，還對酸堿處理后的多孔鈦試樣進行了細(xì)胞培養(yǎng)(增殖和礦化)實驗，結(jié)果表明多孔鈦的微孔結(jié)構(gòu)有利于骨與植入物的接觸，而納米結(jié)構(gòu)更有利于蛋白質(zhì)的吸附和滲透。

2.2 表面化學(xué)改性

對多孔鈦及鈦合金表面進行化學(xué)改性可以采用物理或化學(xué)的方法，如吸附法、鍵結(jié)合法和復(fù)合涂層法，使生物分子附著在其表面，以促進成骨細(xì)胞的增殖分化，進而提高骨植入材料的成功率。

Liang等[19]使用CAD軟件設(shè)計了與人骨彈性模量一致的多孔鈦材料，并使用粒徑為15～53 μm的Ti6Al4V粉末顆粒成功3D打印出多孔鈦合金材料，分別在33%(體積分?jǐn)?shù)，下同)HF、67%HNO3中酸浸處理10 s后，再分別在10、15、20、25 V電壓下陽極氧化處理40 min；結(jié)果表明，隨著電壓的增加，多孔鈦合金的內(nèi)外層的表面形貌由最初的明顯有區(qū)別到當(dāng)電壓為20 V時內(nèi)外形貌趨于一致，都存在凹槽和納米結(jié)構(gòu)，再增加電壓則多孔鈦表面的納米管尺寸增加至40～45 nm。將多孔鈦合金材料浸泡于模擬體液中14 d后發(fā)現(xiàn)經(jīng)過陽極氧化處理后的多孔鈦合金材料在表面形成磷灰石的能力增強，材料的生物活性提高。陽極氧化處理過程中在各電壓下表面結(jié)構(gòu)均與電流密度有密切關(guān)系，通過控制電流密度范圍以控制形成的微納米結(jié)構(gòu)有利于提高材料的生物活性。Zhu等[20]對鈦合金Ti-6Al-4V切后進行拋光處理，再清洗去油，放置于30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)H2O2和98%H2SO4摩爾比為1∶1的溶液中浸泡1 h后進行化學(xué)沉積，化學(xué)沉積液中含有制備的平均粒徑為1.453 μm的FHA[Ca10(PO4)6OH2-xFx,x=0～2]顆粒，以石墨為陽極，鈦合金材料為陰極，兩次沉積FHA顆粒。通過在沉積過程中控制懸浮液的濃度，制備的梯度涂層具有密集的內(nèi)層(F12HA)和多孔的外層結(jié)構(gòu)(F8HA)，內(nèi)層的高氟含量可以提高涂層的熱穩(wěn)定性以及涂層和基底之間的黏合強度，而具有適當(dāng)氟含量的外層(F8HA)提高了梯度涂層的生物活性。多孔鈦在不同氟含量的模擬體液中浸泡6 d后HA涂層表面、斷面SEM形貌見圖3。

Li等[21]使用純度為99.99%的鎂粉在電流50 A，PAr=3.5×10-2MPa，電流密度為0.12～0.16 A/cm2工作條件下使用BULAT6型電弧離子鍍設(shè)備在多孔鈦合金Ti6Al4V材料表面成功制備出與基體材料黏著力很高的Mg涂層；并對材料進行了體外模擬體液實驗、體外小鼠前成骨細(xì)胞MC3T3-E1培養(yǎng)、細(xì)胞毒性及增殖研究，體內(nèi)研究包括熒光標(biāo)記、微計算機斷層掃描分析、掃描組織學(xué)切片的范吉森染色等；結(jié)果表明鎂涂層多孔Ti6Al4V具有適當(dāng)?shù)慕到庑院蜕锵嗳菪?，鎂涂層多孔Ti6Al4V植入兔股骨髁缺陷處再生8周后，可以顯著促進兔股骨骨再生，比祼多孔Ti6Al4V有更好的成骨形成和骨整合。Todeat等[22]使用激光熔覆法成功制備出具有25%孔隙率和25%開孔率，小孔尺寸為70～100 μm，大孔尺寸為200～400 μm的多孔Ti6Al7Nb合金材料，并對其進行了5種不同條件下的處理，具體為：(1)熱處理組：在400 ℃下熱處理1 h；(2)化學(xué)處理：先置于60 ℃下的10 mL 5 mol/L NaOH溶液中浸泡24 h后，干燥樣品再置于40 ℃下10 mL 50 mmol/L HCl溶液中浸泡24 h后干燥；(3)Si-Ti凝膠浸泡：在用異丙醇鈦[TIP,Ti(OCH(CH3)2)4]和四氧化硅酸鹽[Si(OC2H5)4]制得的Si-Ti凝膠中真空浸泡15 min后60 ℃干燥，然后在400 ℃下熱處理1 h取出；(4)磷酸鈣溶液浸泡1：在使用Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4化學(xué)沉淀法合成的磷酸鈣溶液(pH=4.5)中真空浸泡15 min后60 ℃干燥，然后在600 ℃下熱處理1 h后取出；(5) 磷酸鈣溶液浸泡2:方法同(4)，但調(diào)節(jié)磷酸鈣溶液pH=10。另外，還有未經(jīng)任何處理的空白組多孔Ti6Al7Nb材料，共6組樣品，為了觀察其表面形貌及生活物性，分別將這6組樣品浸泡于模擬體液中14 d后取出進行相應(yīng)的掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射儀(XRD)檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不同處理后的樣品的表面形貌不同，且該6組樣品在經(jīng)過模擬體液浸泡后表面均生成了類骨磷灰石，但空白組的Ca/P摩爾比為0.65 ，而其他5組樣品的Ca/P摩爾比在1.10 ～1.80之間，且Ca/P摩爾比大小順序為熱處理 >CaPpH=10.0>CaPpH=4.5>化學(xué)處理 >Si-Ti凝膠?？芍獙Χ嗫租伜辖鸨砻孢M行相應(yīng)的處理后均可增強其表面的生物活性，能促進磷灰石的快速生長。

3 結(jié) 語

醫(yī)用多孔鈦及鈦合金材料是一種前景良好的人體硬組織修復(fù)與替換材料，其進一步的研究趨勢為[23-25]:

(1)對多孔鈦合金的孔隙率及孔隙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精確控制，不僅能達(dá)到與骨具有相近彈性模量的要求，同時提高其力學(xué)性能，如制備梯度多孔鈦、3D打印內(nèi)外梯度多孔鈦等。

(2)在多孔鈦及鈦合金的內(nèi)外表面同時得到高結(jié)合強度、良好表面形貌、磷灰石誘導(dǎo)能力強的活性涂層，進一步提高生物活性，如梯度涂層、復(fù)合涂層等。

(3)通過體內(nèi)植入實驗的研究結(jié)果對多孔鈦及鈦合金的孔隙率、力學(xué)性能及內(nèi)外表面形貌等參數(shù)進行調(diào)整，加快其在臨床植入方面的應(yīng)用進程。