钛种植体表面五氧化二钽涂层的制备及其促成骨研究进展*

王非凡 刘洪臣

钛及钛合金生物相容性及机械性能较好，已成为种植植入的首选材料[1-3]。然而，钛具有生物惰性，不易于蛋白的的黏附及骨细胞发挥成骨作用[4]，导致骨结合速度较慢，成骨周期较长。因此对钛进行表面改性以提高骨结合是目前研究的热点。

钽(Ta)相比于钛，耐腐蚀性及生物相容性较优，有利于成骨细胞及骨髓间充质干细胞的黏附、增殖、分化、矿化，促进动物模型的骨结合形成，有“亲生物金属”之称[5-8]。由于钽弹性模量及成本较高，可作为涂层应用于种植体表面改性中[9,10]。此外，Ta 涂层极佳耐磨性及耐腐蚀性可避免种植体释放钛颗粒、离子，降低对身体产生的潜在毒性[11]。

Ta 优良的生物、耐腐蚀性能可归功于其表面致密的氧化物，主要成分为稳定的五氧化二钽(Ta2O5)。研究显示，Ta2O5涂层具有较高的粗糙度、亲水性及表面羟基，可显著促进羟基磷灰石沉积、成骨蛋白表达(ALP、Col-I、OCN、OPN)和骨细胞的黏附、增殖、分化及矿化[12-14]。此外，相比于单纯Ta涂层，Ta2O5涂层有利于钙磷沉积及巨噬细胞的黏附、存活，炎性因子释放较低，具有较强的生物活性及较低的炎性反应[15,16]。因此，越来越多的学者将钛表面改性研究转移至Ta2O5涂层之中。本文对Ta2O5涂层的制备、促成骨研究作一综述，为制备具有优良成骨性能的钛植入材料提供参考。

1.Ta2O5 涂层制备方法

Ta 其氧化物硬度及熔点较高，且Ta 极易氧化成Ta2O5，因此Ta2O5涂层的制备需要独特的工艺[17]，目前Ta2O5涂层的制备方法主要分为磁控溅射法、电离法、等离子体电解氧化(PEO)及溶胶-凝胶法。

1.1 磁控溅射法制备Ta2O5涂层 磁控溅射法是通过电场作用使Ta 靶材溅射原子，随后与氧反应后沉积到基材表面形成Ta2O5涂层，是一种较常用的工艺。B.Rahmati 等[18-20]通过调控氧化钽涂层的工艺参数(基体温度、流量、氧流量和直流功率)，获得了具有优化结合强度、表面硬度、厚度、表面粗糙度性能的氧化钽涂层。此外，还通过涂层热处理(300℃～500℃)及在涂层与基底间引入Ta过渡层，进一步增强了Ta2O5涂层的结合强度及硬度。磁控溅射法工艺可控，涂层较致密且均匀、结合强度较高。然而此方法制备的Ta2O5涂层较薄，降低了Ta的利用率。

1.2 电离法制备Ta2O5涂层 电离法即将Ta电离后与氧气反应，制备出Ta2O5涂层，主要有双极辉光放电及脉冲真空电弧源沉积法。电离法制备出Ta2O5涂层不仅较为均匀致密，还具有较高厚度。Hu W 等[21]采用双辉光放电等离子体技术使稀薄气体发生辉光放电，使Ta 电离后与氧气反应后沉积在Ti-6Al-4V 基底形成致密均匀的Ta2O5涂层，检测显示该涂层可显著提高Ti-6Al-4V的耐磨性和耐腐蚀性。然而电离法弊端为设备及流程较复杂，不易控制。

1.3 等离子体电解氧化(PEO)制备Ta2O5涂层等离子体电解氧化(PEO)并通过等离子放电产生瞬时高压，使Ta的氟络合物电解质在基材表面反应生成Ta2O5陶瓷涂层。PEO 不仅工艺可控，还可同时制备钙磷化合物及二氧化钛等多种化合物，因此PEO 技术多用于制备复合Ta2O5涂层。Rudnev VS等[22]通过等离子电解氧化法(PEO)获得了钙、锶磷酸盐/ Ta2O5/ 二氧化钛(TiO2)复合涂层。涂层表面部分含有磷酸钙和磷酸锶，而涂层主体中含有Ta2O5，基底为TiO2层，可协同改善钛材料的生物相容性及生物惰性。

1.4 溶胶-凝胶法制备Ta2O5涂层 磁控溅射法、电离法、PEO 法均需要特定的仪器，而溶胶-凝胶法操作条件较为简单，可控性较好，在基底表面涂覆液相钽醇盐后进行水解、缩合化学反应后即可形成Ta2O5凝胶涂层。此外，溶胶-凝胶法还可通过引入功能活性物进一步改良Ta2O5涂层活性，因此溶胶-凝胶法是目前较为简单有效的Ta2O5涂层制备方法。Tran PA 等[23]通过溶胶-凝胶引入功能性活性聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备出不同微米、亚微米、纳米微纳结构Ta2O5-PDMS 涂层，并探讨了其对成纤维细胞的活性的影响。

水解-缩聚反应是由溶胶-凝胶改良而来的Ta2O5涂层制备技术，其简化了溶胶-凝胶的操作过程，耗时较短[24]。此外，聚合物辅助沉积也是从溶胶凝胶法发展而来的涂层制备技术。Xu GQ 等[25]将可溶性聚乙烯亚胺和TaCl5螯合液沉积到钛基底上，在氧气条件下进行高温退火处理，去除聚合物并形成Ta2O5涂层。聚合物辅助沉积技术不仅通过TaCl5降低了生产成本，还通过热处理提高了涂层的致密度及结合强度，是一种优良的Ta2O5涂层制备方法。

2.钛种植体表面Ta2O5 涂层促成骨改性研究

2.1 钛种植体表面Ta2O5涂层促成骨改性目前Ta2O5涂层成骨改性研究主要集中在细胞学研究阶段。Xu J 等[26]通过双极辉光放电法在Ti-6Al-4V 制备出Ta2O5涂层，相比于未涂层的Ti-6Al-4V 具有更高的亲水性，体外细胞及电化学检测表明，Ta2O5涂层可促进小鼠成纤维细胞的黏附、增殖及类骨磷灰石层形成，生物相容性较好。Ying-Sui Sun 等[25]研究得出水解-冷凝法制备的Ta2O5涂层表面的羟基及亚微孔形貌可显著促进钛对成骨蛋白的吸附及骨髓间充质干细胞的黏附及增殖，有较大的骨应用潜力。Xu GQ 等[24]采用聚合物辅助沉积技术在钛基板表面制备了Ta2O5涂层，细胞学结果显示，此涂层显著提高了钛生物相容性，可促进成骨细胞的黏附、增殖、分化、矿化及成骨基因的表达。

2.2 钛种植体表面Ta2O5涂层复合处理促成骨改性 Ta2O5化学及物理稳定性较强，免疫反应较低，是一种生物惰性化合物。然而生物惰性材料表面易呈现较低的蛋白吸附及细胞粘附，成骨能力相对较弱，因此对Ta2O5涂层的复合处理以增强其成骨作用是目前重要的研究方向[27-29]。

2.2.1 Ta2O5涂层与钙磷化学涂层联用 钙磷化学涂层生物相容性较好，可诱导、促进骨生长并与周围骨组织形成化学性结合。然而钙磷化学涂层机械性能、结合强度及稳定性较差，因此将其与Ta2O5联用可形成具有优化成骨、机械性能、结合强度及耐腐蚀性的改性涂层[30]。Sun YS 等[31]采用溶胶-凝胶法在钛制备出Ta2O5层，随后通过电化学阴极沉积工艺在其表面制备了双相磷酸钙(BCPS)层。BCPS/ Ta2O5杂化层可提高钛表面的耐腐蚀性和生物相容性，有利于骨髓间充质干细胞的黏附。

2.2.2 Ta2O5涂层磷酸化修饰 对Ta2O5涂层进行有机磷酸化修饰，磷酸基团可作为端基促进钙离子沉积，进而显著增强Ta2O5涂层与羟基磷灰石的结合[32]。Arnould C 等[33]在钛表面通过溶胶-凝胶法沉积Ta2O5涂层，在其表面通过自组装1,4-丁二膦酸进行修饰，表征检测显示此复合涂层可显著改善羟基磷灰石的生成。

2.2.3 Ta2O5涂层与生物纳米管联用 二氧化钛(TiO2)纳米管与碳纳米管为成骨性能较佳的生物纳米管结构。其具有一定仿生学，尺寸与骨组织的有机、无机成分相近，纳米孔结构与基底膜相似。因此将Ta2O5与生物纳米管相结合可协同增强涂层的成骨作用[34]。

钛通过电化学法可形成TiO2纳米结构，研究表明，TiO2纳米结构可促进骨细胞成骨作用的发挥及成骨相关基因的表达[35,36]。Rudnev VS 等[22]采用萃取-热解法与PEO 法制备出Ta2O5、钙磷化合物和TiO2纳米孔结构的段交替的涂层，以提升钛生物相容性及化学稳定性。

碳纳米管不仅可促进羟基磷灰石的沉积，促进骨生成、抑制骨吸收，其表面羟基还可与Ta2O5形成紧密的化学键结合[30,37]。Maho A 等[38]通过溶胶-凝胶法，在钛基底形成磷酸化修饰的Ta2O5/ 碳纳米管复合涂层，磷酸化修饰的碳纳米管不仅可紧密、均匀地结合Ta2O5，还可协同增强羟基磷灰石沉积，提高钛生物活性。

3.结语

Ta2O5涂层的制备方法较为独特，主要可分为磁控溅射法、电离法、等离子体电解氧化(PEO)及溶胶-凝胶法。其中，溶胶-凝胶法不需要特定的设备支持，操作较为简便且可控较好，可通过引入功能基团进一步改良Ta2O5涂层活性，是较为简单有效的Ta2O5涂层制备方法。研究表明Ta2O5涂层可提高钛生物相容性，促进羟基磷灰石沉积、成骨蛋白表达和骨细胞的黏附、增殖、分化及矿化。而Ta2O5仍具有一定生物惰性，对其进行钙磷、磷酸化及生物纳米管修饰以增强其成骨作用是未来研究的重要方向。目前Ta2O5涂层促进钛种植体成骨改性研究主要在细胞实验阶段，动物学及临床效果还需进一步研究与验证。