医用钛合金材料表面改性对骨整合影响的研究进展

王杰 李浩鹏*

近年来，随着骨科植入物手术的快速发展，使得从前极为棘手的脊柱外科疾病（如寰枢椎脱位和各种病因导致的脊柱侧凸）的手术治疗成为可能。目前，骨科植入物手术所用的生物材料大体上可分为四大类：金属及其合金、聚合物、陶瓷以及天然材料（如自体骨或同种异体骨）[1-3]。其中，临床应用最为广泛的生物材料当属以Ti6Al4V为代表的钛合金材料。

自20世纪60年代开始，钛及其合金材料逐渐应用于骨科植入物。如今，已有2%的钛用于医疗用途。与其他金属植入物材料相比，钛合金材料具有良好的生物相容性、耐腐蚀性以及机械强度[4]。但是，随着医用钛合金材料在临床中的广泛应用，其不足之处逐渐显现。在骨科植入物术后随访过程中发现钛合金植入物存在塌陷、松动以及脱落的风险[5]。究其原因，主要是因为钛合金材料属于生物惰性材料，其不具备生物活性和骨诱导性，进而无法与骨界面形成良好的骨整合[6]。上述钛合金材料的自身缺陷使得医用钛合金的进一步临床推广应用受到了限制。材料的表面形貌是影响材料性能的重要因素之一。改变金属材料的表面形貌设计有望克服并解决医用钛合金材料不具备生物活性和骨诱导性的自身缺陷，使其与骨界面形成良好的骨整合，以便今后更好地应用于临床。目前研究较为热门的表面改性技术主要有喷砂与酸蚀改性设计、去合金化改性设计、微弧氧化改性设计、等离子喷涂改性设计。本文就上述4种医用钛合金材料表面改性设计对骨整合影响的研究发展现状进行综述。

钛合金植入物植入人体后，骨整合过程主要发生于植入物—骨界面。植入物—骨界面的早期骨整合不理想被认为是骨科植入物手术失败的主要原因之一[7-8]。因此，如何改变钛合金材料的表面形貌，使原本为生物惰性材料的钛合金具有生物活性和骨诱导性便成为了当今的研究热点。

1 钛合金材料表面喷砂与酸蚀改性设计

喷砂与酸蚀是最常用的表面改性处理技术之一，常用以增强医用钛合金材料的骨整合效果并减少达到理想骨整合效果所需的时间[9]。喷砂与酸蚀技术的特点是在喷砂过程中利用不同尺寸的砂粒进行材料表面磨损，然后进行酸蚀处理，以提高宏观层面与微观层面的材料表面粗糙度[10]。经喷砂与酸蚀表面处理后，材料表面结构会发生很大的改变，这便为钛合金材料表面改性提供了新思路。表面蛋白黏附被认为是钛合金植入物在植入体内后发生的第一种生物反应，其负责介导随后发生的诸多细胞事件（如骨整合过程）[11]。植入物材料直接黏附蛋白的能力将会影响到细胞在材料表面的生物学行为，如细胞的形态、黏附和迁移。植入物材料表面与蛋白之间的相互作用属于一种协同作用，即材料表面的结构会影响蛋白的活性或增殖能力，此为材料表面对蛋白的作用，此外，细胞在材料表面所产生的一些蛋白活性物质会使材料表面具备一定的生物活性，此为蛋白对材料表面的作用[12]。经喷砂与酸蚀表面改性处理的植入物表面的形貌特征有助于蛋白的黏附，这便为后续的骨整合过程提供了有利条件。此外，还可以通过调控经喷砂与酸蚀表面改性处理的钛合金植入物表面的电荷变化来改变植入物的生物学特征。Ding等[13]学者将钛合金植入物经喷砂与酸蚀表面改性处理后，分别浸泡在CaCl2、NaCl溶液中，进而分为四组：喷砂酸蚀组、喷砂酸蚀—Ca2+组、喷砂酸蚀—NaCl组以及喷砂酸蚀—Ca2++NaCl组（见图1），实验结果表明在四组样品中，喷砂酸蚀—Ca2+组材料表面负电荷明显减少且其纤维连接蛋白吸附量和细胞学性能均优于其他三组，提示调控经喷砂与酸蚀表面改性处理的钛合金植入物表面的电荷变化可以减少植入物表面与生物分子之间的静电排斥来进一步增强植入物的生物相容性。利用喷砂与酸蚀表面改性技术，可以设计和制备出具有微米级凹陷甚至是亚微米级凹陷的表面结构。考虑到骨骼结构是由纳米级到宏观级的分层混合结构组成，分层纹理表面可能促进成骨细胞的成骨相关功能。这一假设已得到证实，其中最具代表性的层次化结构为经喷砂与酸蚀表面改性处理的钛合金材料表面，该表面是由喷砂处理产生的微米级（20～40 m）凹坑和酸蚀处理产生的亚微米级（0.5～3 m）凹坑组成[14]。经喷砂与酸蚀处理的材料表面能明显促进骨整合，取得满意的临床效果。Zinger等[15]学者研究了成骨细胞对经光蚀刻处理和酸蚀刻表面改性处理产生的特定微米级和亚微米级结构的反应，结果表明细胞形态，特别是丝状伪足的附着与亚微米级凹坑的存在相关，该结构可明显促进成骨细胞的成骨分化。Klein等[16]学者强调了亚微米结构对成骨细胞生物学反应的刺激作用，材料表面亚微米结构有助于提升材料的骨整合性能。将其他表面改性技术与喷砂、酸蚀表面改性技术相结合有望进一步提升钛合金材料的骨整合性能。Yang等[17]学者先采用喷砂、酸蚀表面改性技术使钛合金表面粗糙度增大，然后利用电化学阳极氧化技术在上述粗糙表面形成超亲水性Ti O2纳米网络结构，实验结果显示在经喷砂、酸蚀处理后的粗糙表面上形成超亲水性TiO2纳米网络结构在体外、体内均能有效地增强骨整合效果。喷砂与酸蚀表面改性处理实现了在钛合金表面形成微米级凹陷或者亚微米级凹陷甚至是二者相结合的表面形貌特征，这在更大程度上与骨骼自然的分层混合结构保持一致，这对材料表面结构设计的层次化具有一定的参考价值。

喷砂与酸蚀表面改性是现今最为常用的一项材料表面改性技术，其具有操作简便、周期短等特点。但是其所涉及的调控因素甚多，如喷砂过程中的砂料颗粒尺寸、喷砂的喷速、喷枪距基体材料的距离等因素，以及酸蚀过程中的酸性溶液成分、浓度以及酸蚀时间等因素。因此，喷砂与酸蚀表面改性可以通过调控上述相关影响因素来实现对钛合金材料骨整合性能的调控。这一方面仍是今后研究的重点方向。

2 钛合金材料表面去合金化改性设计

去合金化是一种可以去除合金材料中部分金属元素成分的新技术。去合金化技术大致可分为电化学去合金化和液态金属去合金化两类[18]。此处主要介绍液态金属去合金化技术。液态金属去合金化是一种利用合金材料在液态金属中的侵蚀作用制备多孔材料的冶金方法[19]。该方法采用适合作为侵蚀性介质的液态金属扩散到固体合金中，同时伴有合金的一种或多种成分的选择性溶解。通过调控液态金属去合金化的加工条件，可以有效地从纳米级至微米级范围调控基体合金材料的结构单元尺寸，从而实现在合金表面制备纳米级至微米级的表面多孔结构[20]。Okulov等[21]学者利用液态金属去合金化对医用钛合金材料进行表面改性处理，研究结果显示经液态金属去合金化表面改性处理后，在钛合金材料表面形成了一层多孔表面结构涂层（见图2），这有利于细胞的长入，从而使得钛合金材料具有较好的骨整合性能。Wang等[22]学者将钛合金材料经去合金化处理后在其表面形成了纳米孔状表面结构，这一纳米孔状表面结构具有较高的亲水性和蛋白黏附能力，有利于成骨细胞在钛合金材料表面的早期黏附，这为之后的骨组织形成提供了良好的前期条件，有助于提高钛合金材料的骨整合能力。经液态金属去合金化制备的多孔结构钛合金材料在凸显其优异的生物相容性的同时，其弹性模量也得到了一定程度地降低，这便使医用钛合金材料的骨整合性能得到了进一步地提升。对钛合金材料去合金化处理的过程进行研究发现，在去合金化处理形成多孔表面结构的同时，材料的屈服强度和压缩形变能力都相应地得到了提升，弹性模量也降至15.1 GPa，弹性模量的有效降低将有助于材料的骨整合能力的提升[23]。

图2 Ti-6Al-7Nb在不同时间点经液态金属去合金化处理后的表面扫描电镜图：A、B.10 min；C、D.20 min；E、F.30 min[21]

液态金属去合金化的显著优点是在选择所需多孔生物材料的化学成分时具有很大的灵活性，同时可制备出独特的可调控微孔结构。液态金属去合金化有望实现医用钛合金材料的生物相容性和低弹性模量的合理适配，生物相容性和弹性模量都是影响材料骨整合效果的重要因素，液态金属去合金化将二者协调的相结合，从而达到提升医用钛合金材料的骨整合性能的目标。但是，若想实现医用钛合金材料的生物相容性和低弹性模量的合理适配，则需要对液态金属去合金化过程中的诸多调控因素进行细致的研究。这也是未来很长一段时期内，学者们所需要攻克的难题。

3 钛合金材料表面微弧氧化改性设计

微弧氧化是在阳极氧化技术的基础上发展而来的一项新技术。微弧氧化技术主要依赖电解液和相关参数的匹配。具体过程是在电弧放电时产生的高温高压环境下，在金属及其合金表面完成的。微弧氧化技术具有工艺操作简单、可加工性强、生产效率高等诸多优点[24]。根据等离子体电解氧化的原理，微弧氧化可在钛合金基体材料表面形成多孔且紧密黏附的TiO2薄膜，因此微弧氧化被应用于医用钛合金材料表面改性。利用微弧氧化可将一些无机或有机物质应用于钛合金材料表面并形成多孔且分层的表面结构涂层，从而实现提高钛合金材料的生物活性、骨诱导性以及骨整合性能的目标[25]。此外，在TiO2涂层中加入Ca、Sr和Ag等元素以形成多孔内、外双层的表面结构涂层，可相应地提高材料的生物活性和生物学性能，从而改善钛合金材料的骨整合性能。Huang等[26]研究团队利用微弧氧化制备出B-Ti O2涂层（见图3），B-TiO2涂层钛合金由于其材料表面结构的改变有利于涂层中B离子的释放被认为是提高碱性磷酸酶活性和促进细胞成骨分化的原因，B-TiO2涂层改变了钛合金材料的表面结构形貌为成骨细胞的生长、分化提供了良好的平台，进而提升了钛合金材料的骨整合能力。Zhang等[27]学者在含乙二胺四乙酸铜二钠的溶液中利用一步微弧氧化法于钛合金材料表面制备出Cu-TiO2涂层，该涂层是由含TiO2和多孔Ca结构的内层与含纳米级HA晶体的外层所构成，这一独特的双层结构有助于提升成骨细胞的增殖与成骨分化能力，为后续的骨整合提供了良好的前提。Li等[28]学者将利于骨修复的Ca和Sr元素加入钛合金材料表面的微弧氧化涂层中，所形成的Ca-Sr微弧氧化涂层具备多孔、超亲水性的层状结构，这一结构对人骨髓间充质干细胞的增殖与成骨分化具有良好的促进作用。将微弧氧化与其他工艺技术相结合也有助于提高钛合金材料的骨整合性能。Tang等[29]学者将微弧氧化与水热反应相结合在钛合金材料表面制备出Ba Ti O3涂层，BaTi O3涂层钛合金植入物在植入动物体内初期时，该涂层的压电效应可能对骨的诱导生长和骨整合起到促进作用。微弧氧化使得多层次结构涂层的制备成为可能。微弧氧化可在钛合金材料表面制备宏观-微米-纳米三重层次结构涂层，该结构涂层显著促进了成骨细胞的粘附、增殖、分化以及基质矿化[30]。两步法微弧氧化可在具有宏观孔隙率的材料表面制备具有微孔结构和含生物活性元素的结构涂层[31]。Durdu等[32]学者将微弧氧化与热蒸发物理气相沉积技术相结合制备出具有高亲水性且羟基磷灰石分布均匀、致密的镀银结构涂层，从而提高了材料表面的生物活性。

图3 微弧氧化结构涂层的表面形貌和粗糙度：A、B.TiO2涂层；D、E.B-TiO2涂层；C、F.TiO2涂层和B-TiO2涂层的粗糙度[26]

微弧氧化作为材料表面改性的重要技术，其被广泛应用于TiO2涂层和羟基磷灰石涂层的制备。微弧氧化制备的多孔结构涂层具有较强的亲水性并能促进植入物材料表面与周围组织的相互作用。微弧氧化虽有操作简单、成本经济等优点，但微弧氧化制备的结构涂层与钛合金基体之间的结合强度欠佳。在今后的研究中应多考虑将微弧氧化与其他工艺技术相结合，以提高所制备的结构涂层与钛合金基体之间的结合强度。

4 钛合金材料表面等离子喷涂改性设计

等离子喷涂技术是一种以等离子电弧为热源的热喷涂技术，广泛应用于形成具有优异物理、化学和力学性能的涂层，因此可应用于骨科生物材料领域[33]。当前，等离子喷涂表面改性技术在医用钛合金表面改性中主要用于表面涂层的制备。利用等离子喷涂表面改性技术在医用钛合金材料表面制备羟基磷灰石涂层，以提高材料的骨诱导性并增强其骨整合能力是当前众多学者致力研究的主要方向之一。在不同的等离子体气体环境下，Kotian等[34]学者在Ti6Al4V合金材料表面制备羟基磷灰石涂层时发现等离子体气体环境对羟基磷灰石涂层的组成、结晶度和微裂纹的形成具有重要影响。进一步研究发现，通过控制涂层制备过程中的等离子体气体温度可有效减少羟基磷灰石涂层的微裂纹，以提高羟基磷灰石涂层的质量。Liu等[35]学者研究发现，一种新型蒸汽介导多孔化等离子喷涂技术在制备具有生物活性的多孔羟基磷灰石涂层方面具有极大的发展前景，该项技术可增强成骨细胞在材料表面的黏附与成骨分化。利用等离子喷涂技术有望提升生物材料涂层的整体性能。Ebrahimi等[36]学者利用等离子喷涂技术在钛合金植入物表面制备一种新型双层羟基磷灰石/Al2O3-Si O2涂层（见图4），与单层羟基磷灰石相比，该新型双层表面结构改善了成骨细胞的生物学行为，进而提高了钛合金植入物的生物相容性。Ke等[37]学者利用等离子喷涂技术制备出一种MgO、Ag2O和羟基磷灰石多层梯度混合表面涂层，以提高钛合金植入物的生物活性并使其具有抗菌性能，这种新型表面结构涂层改善了植入物材料的骨整合性能，并降低了由于植入物松动或植入物源性感染所导致的植入物手术失败的风险。Zhang等[38]学者利用等离子喷涂技术尝试在钛合金材料表面制备CaO-MgO-SiO2表面结构涂层并进行了一系列体内实验，实验结果显示这种表面结构促进成骨细胞黏附、成骨矿化，为骨组织的后续生成提供了良好的平台，从而增强了钛合金材料的骨整合性能。这表明CaO-MgO-Si O2涂层有望替代羟基磷灰石涂层用于骨科植入物的制备。

图4 样品表面形貌：A.HA/Al2O3-10%wtSiO2涂层；B.HA/Al2O3-20%wtSiO2涂层；C.HA/Al2O3-30%wtSiO2涂层；D.未熔化颗粒的EDS检测结果[36]

等离子喷涂技术为医用钛合金表面结构设计提供了一种经济、实用、可靠的方法。利用等离子喷涂技术可将非金属、金属元素以及无机化合物制备成涂层用于医用钛合金表面改性，从而达到使医用钛合金材料具备良好的骨诱导性和骨整合性能的目标。但是，涂层结构稳定性有待提高。对于等离子喷涂技术改善医用钛合金材料的骨诱导性和骨整合性能的相关作用机制仍需学者们进一步的探索。

5 小结与展望

综上，4种材料表面改性方法的优劣势比较如表1所示。目前，在骨科生物材料领域，医用钛合金仍是临床应用最多的骨科植入物材料。但是，钛合金植入物由于其不具备生物活性与骨诱导性，这便导致其骨整合性能欠佳。本研究团队主要从事钛合金材料骨整合性能方面的研究，本研究团队认为具有理想的骨整合性能的骨科生物材料应当满足“5个特性”和“1个要求”，即生物相容性、耐腐蚀性、机械强度、生物活性、骨诱导性以及具备类似骨骼的从宏观至纳米级的三维不均匀分层结构的结构学要求。医用钛合金材料的表面改性有望提升钛合金材料的骨整合性能。喷砂与酸蚀是最常用的表面改性处理技术之一，但是其所涉及的调控因素甚多，因此，如何通过改变相关影响因素来实现对钛合金材料的骨整合性能的调控仍是今后研究的重点方向。液态金属去合金化可制备出独特的可调控微孔结构，但是，实现医用钛合金材料的生物相容性和低弹性模量的合理适配，则需要对其制备过程进行细致的研究，此方面仍需突破。微弧氧化作为材料表面改性的重要技术，虽有操作简单、成本经济等优点，但微弧氧化制备的结构涂层与钛合金基体之间的结合强度欠佳，这是今后学者主要研究的方向之一。等离子喷涂技术为医用钛合金表面改性提供了一种新思路，但是，关于等离子喷涂技术改善医用钛合金材料的骨诱导性和骨整合性能的相关作用机制尚不明确，这仍是今后的研究热点。从医用钛合金材料表面改性的精准调控出发，逐步研发、制备出具有理想的骨整合性能的骨科生物材料。但是，实现医用钛合金材料表面改性的精准调控则需要对诸多调控因素进行深入而细致地研究。这也是研究骨科生物材料方面的学者今后所需探索的方向之一，以期在未来将医用钛合金材料更好地应用于临床。

表1 材料表面改性方法的优劣势比较