医用多孔钛及钛合金的表面改性研究进展

2022-12-07狄玉丽黄海燕靳必强

材料保护 2022年10期

狄玉丽，黄海燕，焦钰，靳必强，罗茜

(西昌学院理学院，四川西昌 615000)

0 前言

钛及钛合金因具有优良的力学性能、耐腐蚀性能及生物相容性而被认为是目前最有吸引力的金属生物材料之一，目前钛及钛合金已作为人工关节、骨创伤产品、牙种植体、脊柱矫形内固定系统等医用植入材料广泛应用于医学中[1，2]。多孔钛及钛合金材料因三维贯通孔隙的存在不仅有利于体液的传输及成骨细胞的分化生长以使骨组织长入孔隙中，还可调节多孔钛及钛合金的强度及杨氏模量与骨组织相匹配，达到最佳机械嵌合，提高植入材料的使用寿命。目前来看，多孔钛及钛合金是较为理想的生物医学植入材料[3，4]。

1 医用多孔钛及钛合金的成型

目前多孔钛及钛合金材料的主要基本制备方法有粉末冶金法、金属沉积法和铸造法3大类，除此之外还有自蔓延高温合成法、熔炼法、腐蚀造孔法等[5，6]。粉末冶金法[7，8]是用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经成型和烧结制造出多孔金属材料、复合材料及各种类型制品的工艺过程。粉末冶金法包括浆料发泡法、纤维冶金法、混合烧结法、添加造孔剂法、成型粉末烧结法等方法。铸造法[9，10]是利用液态金属获得多孔金属结构的制备方法，该方法具有生产工艺简单、成本较低的优点，此方法适合熔点较低的金属或合金。铸造法主要包括熔体发泡法、渗流铸造法、包铸法等。金属沉积法中最常用的方法是利用等离子喷涂技术[11，12]制备多孔金属材料、具有粗糙多孔表面结构的金属材料以及金属涂层，也可在液态或气态环境中使用溅射、化学镀与电镀、蒸镀等方法将金属材料沉积于多孔基体材料上，金属沉积法也可用于对多孔材料进行表面改性。近几年，3D打印在多孔钛的制备方法上也得到了较多的研究与应用[13,14]。

2 医用多孔钛及钛合金的表面改性方法

医用多孔钛及钛合金虽然已获得了良好的临床应用，但为了推进多孔钛及钛合金材料在体内骨组织形成良好的骨性愈合和骨整合，有必要对其表面进行改性处理。目前国内外对医用多孔钛及钛合金进行表面改性常用制备表面生物活性涂层和表面化学改性2种方法[15]。

2.1 表面生物活性涂层

目前制备最多的生物活性涂层为类骨磷灰石涂层，该涂层与人体硬骨组织有非常相似的晶体结构和化学成分，通过生物实验发现该涂层植入人体后可诱导骨组织形成且能与骨形成良好的骨键结合，表现出优异的生物活性和相容性。

Doi等[16]将具有85%孔隙率的多孔钛放置于5 mol/L NaOH溶液中，在60 ℃下处理24 h后，用水和丙酮进行清洗，然后在37 ℃下干燥。为了评估多孔钛的生物活性，将样品在模拟体液中浸泡7 d后进行相应的分析检测，另外，还将其植入兔股骨中进行生物实验；结果表明：经过碱处理后的多孔钛表面生成了具有高含量Ca和P的类骨磷灰石，类骨磷灰石呈针状的小孔结构(见图1b)，生物实验表明此表面具有良好的生物活性能，有效诱导骨骼重建。

Xiong等[17]通过选择性激光熔覆法将粒径为15～45 μm的Ti6Al4V粉末在氮气氛围中成功制备出孔隙尺寸为500 μm的多孔钛合金材料，再将多孔材料置于60 ℃下的5 mol/L NaOH溶液中碱处理24 h，去离子水清洗后风干24 h，再在600 ℃下热处理1 h。经过碱热处理后的多孔钛合金材料具有良好的抗压强度(715 MPa)、相对较低的刚度(26 GPa)和较好的孔隙率，碱热处理后的微纳米结构提高了多孔钛合金的生物活性。Yao等[18]将多孔钛放置于70 ℃的混合酸[48%(体积分数，下同)H2SO4+18%HCl]中处理15 min后再在70 ℃下的6 mol/L NaOH溶液中浸泡12 h，得到多孔钛(AA12PT)试样，该试样表面形成了微纳米级别的浮雕状表面，通过模拟体液浸泡后发现酸碱联合处理后的多孔钛表面具有骨诱导效果，是由于在其表面形成了羟基磷灰石和钙钛矿层(见图2)；且随着在模拟体液中浸泡时间的延长，其表面形成的羟基磷灰石越来越厚且表面形貌也随之变化。此外，还对酸碱处理后的多孔钛试样进行了细胞培养(增殖和矿化)实验，结果表明多孔钛的微孔结构有利于骨与植入物的接触，而纳米结构更有利于蛋白质的吸附和渗透。

2.2 表面化学改性

对多孔钛及钛合金表面进行化学改性可以采用物理或化学的方法，如吸附法、键结合法和复合涂层法，使生物分子附着在其表面，以促进成骨细胞的增殖分化，进而提高骨植入材料的成功率。

Liang等[19]使用CAD软件设计了与人骨弹性模量一致的多孔钛材料，并使用粒径为15～53 μm的Ti6Al4V粉末颗粒成功3D打印出多孔钛合金材料，分别在33%(体积分数，下同)HF、67%HNO3中酸浸处理10 s后，再分别在10、15、20、25 V电压下阳极氧化处理40 min；结果表明，随着电压的增加，多孔钛合金的内外层的表面形貌由最初的明显有区别到当电压为20 V时内外形貌趋于一致，都存在凹槽和纳米结构，再增加电压则多孔钛表面的纳米管尺寸增加至40～45 nm。将多孔钛合金材料浸泡于模拟体液中14 d后发现经过阳极氧化处理后的多孔钛合金材料在表面形成磷灰石的能力增强，材料的生物活性提高。阳极氧化处理过程中在各电压下表面结构均与电流密度有密切关系，通过控制电流密度范围以控制形成的微纳米结构有利于提高材料的生物活性。Zhu等[20]对钛合金Ti-6Al-4V切后进行抛光处理，再清洗去油，放置于30%(质量分数，下同)H2O2和98%H2SO4摩尔比为1∶1的溶液中浸泡1 h后进行化学沉积，化学沉积液中含有制备的平均粒径为1.453 μm的FHA[Ca10(PO4)6OH2-xFx,x=0～2]颗粒，以石墨为阳极，钛合金材料为阴极，两次沉积FHA颗粒。通过在沉积过程中控制悬浮液的浓度，制备的梯度涂层具有密集的内层(F12HA)和多孔的外层结构(F8HA)，内层的高氟含量可以提高涂层的热稳定性以及涂层和基底之间的黏合强度，而具有适当氟含量的外层(F8HA)提高了梯度涂层的生物活性。多孔钛在不同氟含量的模拟体液中浸泡6 d后HA涂层表面、断面SEM形貌见图3。

Li等[21]使用纯度为99.99%的镁粉在电流50 A，PAr=3.5×10-2MPa，电流密度为0.12～0.16 A/cm2工作条件下使用BULAT6型电弧离子镀设备在多孔钛合金Ti6Al4V材料表面成功制备出与基体材料黏着力很高的Mg涂层；并对材料进行了体外模拟体液实验、体外小鼠前成骨细胞MC3T3-E1培养、细胞毒性及增殖研究，体内研究包括荧光标记、微计算机断层扫描分析、扫描组织学切片的范吉森染色等；结果表明镁涂层多孔Ti6Al4V具有适当的降解性和生物相容性，镁涂层多孔Ti6Al4V植入兔股骨髁缺陷处再生8周后，可以显著促进兔股骨骨再生，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备出具有25%孔隙率和25%开孔率，小孔尺寸为70～100 μm，大孔尺寸为200～400 μm的多孔Ti6Al7Nb合金材料，并对其进行了5种不同条件下的处理，具体为：(1)热处理组：在400 ℃下热处理1 h；(2)化学处理：先置于60 ℃下的10 mL 5 mol/L NaOH溶液中浸泡24 h后，干燥样品再置于40 ℃下10 mL 50 mmol/L HCl溶液中浸泡24 h后干燥；(3)Si-Ti凝胶浸泡：在用异丙醇钛[TIP,Ti(OCH(CH3)2)4]和四氧化硅酸盐[Si(OC2H5)4]制得的Si-Ti凝胶中真空浸泡15 min后60 ℃干燥，然后在400 ℃下热处理1 h取出；(4)磷酸钙溶液浸泡1：在使用Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4化学沉淀法合成的磷酸钙溶液(pH=4.5)中真空浸泡15 min后60 ℃干燥，然后在600 ℃下热处理1 h后取出；(5) 磷酸钙溶液浸泡2:方法同(4)，但调节磷酸钙溶液pH=10。另外，还有未经任何处理的空白组多孔Ti6Al7Nb材料，共6组样品，为了观察其表面形貌及生活物性，分别将这6组样品浸泡于模拟体液中14 d后取出进行相应的扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)检测。结果发现，经过不同处理后的样品的表面形貌不同，且该6组样品在经过模拟体液浸泡后表面均生成了类骨磷灰石，但空白组的Ca/P摩尔比为0.65 ，而其他5组样品的Ca/P摩尔比在1.10 ～1.80之间，且Ca/P摩尔比大小顺序为热处理 >CaPpH=10.0>CaPpH=4.5>化学处理 >Si-Ti凝胶。可知对多孔钛合金表面进行相应的处理后均可增强其表面的生物活性，能促进磷灰石的快速生长。