钛基人工骨种植体表面改性研究进展

汤 腾, 党新安, 张 仟

(陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引 言

人工骨支架的研究一直是骨组织工程研究的主要问题之一.钛和钛合金作为首选金属种植体材料具有良好的生物相容性、耐腐蚀性、组织相容性[1].它跟常用的不锈钢以及钴铬合金相比，质量更轻、机械性能和弹性模量更接近于自然骨[2].但长期临床研究观察发现：钛和钛合金表面能够自发形成一层二氧化钛钝化层，导致其引导磷酸盐沉积的能力较差，与周围组织结合不牢；未经处理的钛表面无抗菌性能,钛植入体摩擦产生的磨屑可导致炎症发生.表面改性是将金属材料应用于组织工程最基本的技术[3].利用表面改性技术提高钛和钛合金的生物相容性、耐磨性、耐腐蚀性，提高与人体细胞的结合强度，促进骨性结合的快速形成是目前钛基人工骨材料研究的重点[4].本文从化学处理改性、钛表面生成钙磷陶瓷涂层改性、生物化学方法改性三个方面总结了目前钛基人工骨表面改性技术的研究现状及进展，为今后研究和设计钛基人工骨支架提供了参考.

1 化学处理改性

1.1 酸蚀处理法

对于钛种植体来说，骨组织要充分生长则要求种植体表面多孔结构的孔径达到100 μm，酸蚀处理的目的在于使其表面粗糙多孔化，增大种植体与成骨细胞培养液的接触面积，以利于成骨细胞的初期附着和生长.Mangano C等[5]的研究发现酸蚀处理后纯钛种植体表面具有微米级的多孔结构，其表面自由能更高，能够使细胞更好地与种植体结合，并且能够刺激结缔组织与血管组织的形成与附着.酸蚀时酸种类的选择及使用的顺序对粗糙钛表面的制备有重要影响，研究表明先用硫酸再用盐酸处理得到的粗糙钛表面最佳.

1.2 碱热处理法

碱热处理能在钛种植体表面形成锐钛矿晶体多孔结构及富含羟基的氧化层，该表面结构具有很大的比表面积，可以提供更多的结合Ca2+的位点，能够提高骨样磷灰石在钛基材表面的形成速度.陈卓凡等[6]等将晶像砂纸打磨后的纯钛片用7.5 mol/L碱液处理48 h后浸泡在模拟体液中进行观察，其表面在7天内即有不均匀沉积物出现，而未经碱液处理的试样表面无矿化物沉积.Y Zhou等[7]将通过碱热表面处理的Ti-27Nb合金进行模拟体液浸泡试验，其ICP分析获得的SBF浸泡结果表明，碱热预处理获得的弱碱性钛酸钠晶态涂层使得基体表面周围溶液的pH值升高，提高了磷灰石的离子活性，促进了磷灰石的异相成核.

1.3 阳极氧化法

阳极氧化法又称硬质阳极氧化，即将钛等金属制件作为阳极在一定的电解液中进行电解，使其表面形成一层具有某种功能氧化膜的表面改性方法.阳极氧化法成本低廉，效果明显，它能够明显增强钛种植体的耐磨性和耐腐蚀性能.Xinyu CUI等[8]的研究还发现阳极氧化处理的钛合金基板的表面形态为一种立体、开放的多孔结构，这种表面结构能够给磷灰石层和基板之间提供很强的粘接力，从而使钛和钛合金更适于作为生物活性植入材料，甚至能够作为承力骨的理想替换材料.

1.4 微弧氧化法

微弧氧化(MAO)是一种新型的钛表面处理技术，又称等离子液相氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，在钛等金属及其合金表面依靠弧光放电产生瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层的表面改性方法.微弧氧化工艺将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域，能在种植体表面形成具有特征性的火山口样结构形态以利于细胞的粘附生长，同时厚的氧化膜更好地屏蔽了金属离子的析出，从而提高了种植体的耐腐蚀性能.SU-HEE LEE等[9]通过微弧氧化的方法在钛种植体的HA预沉积层之下形成了一层二氧化钛层，并使得HA涂层产生局部溶解，形成混合涂层，其研究表明该混合涂层使钛种植体上的细胞活性得到了改善.井文森等[10]以新型β型钛合金(TLM)材料为基体的微孔涂层组(PCI)为对照，通过对比观察经微弧氧化技术处理后的HA复合涂层试件(PCI/HA)置入动物体内后骨组织界面新骨的形成情况，证明微弧氧化PCI/HA复合涂层较PCI置入物有更好的骨诱导性.但在微弧氧化过程中，化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化同时存在,因此陶瓷层的形成过程非常复杂,至今还没有一个合理的模型能全面描述陶瓷层的形成.微弧氧化电压较常规阳极氧化电压高得多，电解液温度上升较快，需配备较大容量的制冷和热交换设备.

1.5 大气加热法

钛在加热条件下与大气中的氧气发生反应，能够在其表面形成种类和结构多样的二氧化钛膜，这层致密的氧化膜可以防止钛在生理环境下受到进一步的腐蚀，避免在体内产生游离钛，可以增加植入体的化学稳定性和使用寿命.Chung SH[11]等将钛种植体置于800 ℃的纯氧中，在其表面形成致密较厚的二氧化钛膜层，然后利用酸碱处理等手段使其表面多孔化活性化，进一步提升了种植体的组织相容性.

2 钛表面生成钙磷陶瓷涂层改性

天然骨由宽约5～20 nm，长60 nm的针状磷酸钙组成.人工合成的磷酸钙非常接近天然骨组分的尺寸，能够加强成骨细胞的粘附和吸收能力，促进骨结合和骨组织的形成[12].但是纯羟基磷灰石材料的抗折强度和断裂韧性指标均低于人体致密骨，力学性能较差，当其直接应用于人体承力骨时存在易脆裂、结合不牢等问题.近十多年来，国内外材料和医学工作者的研究发现将纳米级的磷灰石结构包绕钛基人工骨种植体表面，则其既具备钛合金优越的机械性能又具有羟基磷灰石良好的生物活性，能够达到改善钛基人工骨种植体生物活性的目的，使植入体与骨组织的结合更为顺利[13].在钛表面生成羟基磷灰石陶瓷涂层的方法有电化学法、喷涂法、仿生法、气相沉积法和涂覆熔覆法等[14]，其原理、特点和应用归纳如表1所示.

电泳沉积(EPD)是利用电场作用使悬浮液中荷电的固体微粒发生定向移动并在电极表面形成沉积层的一种涂层方法.采用EPD方法能制备具有较高强度的致密HA涂层，但是该HA涂层仅能与人体组织在界面上化学键合，新生骨组织与涂层的生理结合能力较低且单次沉积易出现裂纹.Ma等[15]用重复电泳沉积的方法克服了单次沉积热处理后出现表面裂纹的缺点，制得了亚微米级的羟基磷灰石涂层，从而提高了基底与涂层的结合强度.

表1 钛合金表面生物陶瓷涂层制备方法及其特点

等离子喷涂是利用直流电弧放电，把离子状态的氮气、氢气高速喷出，经过高温将HA粉料熔融或半熔融后喷射于金属基底形成表面陶瓷涂层的工艺.该技术可以制备50～400 μm不等的HA涂层，可实现对植入体的局部或整体喷涂.Meirelles L等[16]发现通过等离子喷涂技术将羟基磷灰石涂于钛种植体表面还可以促进早期的骨形成.等离子喷涂存在的缺点有：涂层与钛基体的热膨胀系数相差较大(13.3×10-6℃-1和8.4×10-6～8.8×10-6℃-1)致使残余应力偏高，钛与基体不能形成牢固的结合，在体液中容易发生降解和片层状脱落.

仿生矿化法是一种新型的制备羟基磷灰石涂层材料的方法，该法模仿自然界生理磷灰石的矿化机制，在矿化液中，以生物高分子材料为基质或模板，在其表面沉积无机盐晶体生产膜层.因为仿生矿化层的形成条件类似人体组织内环境，其组织成分和结构更接近于人体骨无机质，可望具有更高的细胞亲和性和骨结合能力.Masatoshi TAKAHASHI等[17]利用模拟体液浸泡的方法在用碳化硅砂纸抛光的钛银合金表面获得了磷酸钙涂层.褚振华[18]等将钛片浸入到添加有牛血清蛋白的模拟体液中，制得了均匀的片状网络复合涂层.目前国内外学者对仿生矿化的了解还仅仅是在很低的水平上，仍有许多问题没有解决，如什么因素影响晶体的成核和生长，又是什么因素决定矿物的最终结构、形貌、大小、取向、形态，如何用生物环境进行仿生合成的研究.这些问题的解决有赖于我们实验手段的不断改进和更多的实验数据的积累.

3 生物化学方法改性

钛基人工骨种植体表面的生物化学改性即是通过将特定的蛋白、酶或肽等生物大分子引入到种植体界面来诱导特殊细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长因子和细胞黏附分子两类.促骨生长因子主要包括纤维生长因子、转化生长因子β1、骨形成蛋白2及类胰岛素生长因子1等.Schuler M等[19]的研究表明这些促骨生长因子具有促进细胞增殖、分化以及胶原合成的功能，将其加载于种植体表面可以促进骨整合.细胞黏附分子主要为细胞外基质蛋白，包括纤维粘连蛋白、玻璃粘连蛋白、骨桥蛋白及骨涎腺蛋白等.Marco Morra等[20]的研究认为利用细胞外基质蛋白对钛进行表面改性是在钛种植体和受体骨的结合界面增强骨再生能力最有效的办法.生物化学改性方法主要包括自组装法、键结合法、复合涂层法3种.

3.1 自组装法

自组装法又称吸附法，即利用超分子静电组装原理，通过静电力的作用依次吸附上带异种电荷的生物大分子.陈佳龙等[21]通过层层自组装法将带负电的肝素与带正电的胶原交替结合到纯钛表面，使钛基体的抗凝血性得到了改善.Yu Xiang Ni等[22]通过自组装技术利用癸双膦酸盐(DBP)和I型交替胶原修饰Ti-6Al-4V合金表面，其扫描电镜图片和X射线衍射分析数据表明Ti-6Al-4V/DBP/Collagen样品在引导HA形成方面具有很好的生物活性.自组装法是目前应用于钛基人工骨种植体表面生物化学改性最多的方法，但是该法吸附效果受种植体表面结构的限制，目前不能作为理想的方法.

3.2 键结合法

键结合法一般通过特定的化学反应，将生物活性大分子以共价键的方式嫁接到种植体表面以达到改性的目的.Baohong Zhao等[23]利用羰基二咪唑(CDI)将RGD序列键合到钛试样表面，体外和体内培养实验结果表明该法有效地增加了钛试样表面HGFs细胞的粘附和增殖数量，并促进了肌动蛋白细胞骨架的重组.键结合法的不足之处在于由于活性分子与钛基金属表面通过化学键结合，被固定的分子不能直接释放至种植体周围，从而限制了被固定大分子的生物活性.

3.3 复合涂层法

天然动物骨组织、贝壳、珍珠等是通过无机物和有机物之间的相互作用而形成的具有优异力学性能的生物复合体,其中的无机相呈纳米状态分散在有机相中,起弥散增强的作用.复合涂层法即是得益于这方面的启发,把胶原蛋白、牛血清蛋白、壳聚糖等有机物质作为添加剂加入到钛种植体表面涂层中,形成良好的生物活性界面，达到改善其生物活性的目的.王英波等[24]通过原位水热合成法和溶胶-凝胶法在钛表面制备了HA和壳聚糖的复合涂层，Alamar Blue的检测结果表明复合涂层表面细胞的分化能力明显高于纯钛样品.复合涂层法是改善基体材料生物活性的有效手段，但是大分子颗粒在涂层中的行为与作用机制还有待进一步研究，涂层与基体之间的结合强度还有待进一步提高,许多科研成果还停留在实验室水平,在提高科研成果的转化率方面还应加大力度.

4 结束语

钛及钛合金是骨组织的良好替代品，通过表面改性提高钛基人工骨的种植体性能是很有实用价值的课题.钛基人工骨种植体表面处理技术的发展趋势是：将多种表面处理方法有机组合，建立相对规则的表面多级纳米微结构；将多种生物活性材料进行复合，使微结构的功能性与相应的生物化学特性结合，以提高钛基人工骨种植体的综合性能.但是，钛及钛合金作为不可降解的骨替代品必须长期服役于受植者体内，特别是当其作为大段承力骨替代品时，经过长时间的界面摩擦和受压，用于表面改性的活性涂层易发生剥落，在合金与骨的界面结合处易产生强度破坏.所以，如何既能提高材料的界面结合强度和涂层的厚度，又能够保证涂层的稳定性和生物活性也是目前研究亟待解决的问题.

参考文献

[1] Shi Z，Neoh K G，Kang E T，etal．Surface functionalization of titanium with carboxym ethyl chitosan and immobilized bone morphogenetic protein-2 for enhanced osseointegration[J]．Biomacromolecules，2009,(10):1 601-1 611.

[2] A．Gupta，P．Majumdar，J．Amit，etal．Cell viability and growth on metallic surfaces：in vitro studies[J]．Trends Biomater．Artif．Organs，2006，20(1)：84-89.

[3] Takao Hanawa．Roles of metals on regenerative medicine[J]．J.Hard Tissue Biology，2005，14(2)：140-142.

[4] Le Guehennec L，Soueidan A，Layrolle P，etal．Surface treatments of titanium dental implants for rapid osseointegration[J]．Dental Materials，2007，23(7)：844-854.

[5] Mangano C，Perrotti V，Iezzi G，etal．Bone response to modified titanium surface implants in nonhuman primates(papio ursinus) and humans：histological evaluation[J]．J Oral Implantol,2008，34(1)：17-24.

[6] 陈卓凡，朱文军，宁成云,等．纯钛表面酸碱处理及生物矿化的初步研究[J]．中国口腔种植学杂志，2007，12(3)：155-158.

[7] Y Zhou，Y B Wang，E W Zhang，etal．Alkali-heat treatment of a low modulus biomedical Ti-27Nb alloy[J]．Biomedical Materials，2009,(4)：1-4.

[8] Xinyu CUI，Hyun-Min KIM，etal．Preparation of bioactive Ti and its alloys via electrochemical treatment in sulfuric acid solution[J]．Journal of the Ceramic Society of Japan，2008，116(2)：329-333.

[9] Su-Hee LEE，Hae-Won KIM．Hydroxyapatite-TiO2hybrid coating on Ti implants[J]．Journal of Bilmaterials Applications，2006,(20)：195-208.

[10] 井文森，张明华，于振涛,等．微弧氧化法制备微孔假体表面HA涂层的动物实验研究[J]．中国骨与关节损伤杂志，2011，26(4)：319-321.

[11] Chung SH，Heo SJ，Koak JY，etal．Effects of implant geometry and surface treatment on osseointegration after functional loading：a dog study[J]．J Oral Rehabil,2008，35(3)：229-236.

[12] Willi Paul，Chandra P．Sharma．Nanoceramic matrices：biomedical applications[J]．American Journal of Biochemistry and Biotechnology，2006，2(2)：41-48.

[13] 孔丽丽，林龙翔，胡融刚,等．医用钛表面TiO2纳米管/HA复合膜层于Tyrode′s生理溶液中电化学腐蚀行为[J]．电化学，2010，16(1)：74-78.

[14] 全琳卡，马凤仓，刘 平．钛生物种植体表面羟基磷灰石生成技术发展现状[J]．热加工工艺，2010，39(22)：106-110.

[15] Ma J，Wang C，Peng K M．Electrophoretic deposition of porous hydroxyapatite scaffold[J]．Biomaterials，2003(24)：3 505-3 510.

[16] Meirelles L，Arvidsson A，Andersson M，etal．Nano hydroxyapatite structures influence early bone formation[J]．J Biomed Mater Res A，2008，87(2)：299-307.

[17] Masatoshi TAKAHASHI，Masafumi KIKUCHI，Kouki HATORI，etal．Calcium phosphate formation on Ti-Ag alloys in simulated body fluid[J]．Journal of Biomechanical，2009，4(3)：318-325.

[18] 褚振华，崔振铎，魏 强,等．Ti合金表面沉积羟基磷灰石-牛血清蛋白生物活性涂层[J]．功能材料，2007，38(11)：1 881-1 883.

[19] Schuler M，Owen GR，Hamilton DW，etal．Biomimetic modification of titanium dental implant model surfaces using the RGDSP-peptide sequence：a cell morphology study[J]．Biomaterials，2006，27(21)：4 003-4 015.

[20] Marco Morra．Biochemical modieication of titanium surfaces:peptides and ECM proteins[J]．European Cells and Materials，2006,(12)：1-15.

[21] 陈佳龙，李全利，陈俊英,等．利用胶原-肝素自组装多层膜改善纯钛表面血液相容性的研究[J]．功能材料，2008，39(8)：1 363-1 369.

[22] Yu Xiang Ni，Bo Feng，Jianxin Wang，etal．Decyl bis phosphonate-protein surface modification of Ti-6Al-4V via a layer-by-layer technique[J]．J Mater Sci.，2009,(44)：4 031-4 039.

[23] Bao-hong Zhao，Zhe Yi，Zhen-fu Lu，etal．Improvement of adhesion and spreading of human gingival fibroblasts to RGD-grafted titanium surface[J]．Journal of Hard Tissue Biology，2006,15(2)：65-68.

[24] 王英波，鲁 雄，冯 波,等．钛表面制备羟基磷灰石/壳聚糖复合涂层[J]．无机材料学报，2008，23(16)：1 241-1 245.