鈦及其合金表面改性方法的研究進展與臨床應用

路一凡 王東

(通訊作者)

030000山西醫科大學第二附屬醫院

鈦及其合金表面改性方法的研究進展與臨床應用

路一凡 王東

(通訊作者)

030000山西醫科大學第二附屬醫院

純鈦和金屬材料在骨科的臨床治療中有各自優勢，當純鈦植入體內后，更多的是通過物理方式與骨形成穩定的力學結構而不是穩定的化學鍵連接，因此純鈦材料對于促進骨的愈合還有很大改進空間。本文就純鈦表面改性的方法進行總結。

鈦及其合金表面；改性方法；臨床應用

伴隨現代材料學的迅猛發展，純鈦在醫療領域中的地位也越來越重要。相比于其他材料，純鈦質量較輕、無毒無害、較高的相容性，而且來源豐富，材料強度大，在目前骨科的臨床治療中，已具有不可取代的地位。在骨科的臨床治療中，純鈦材料的優點為化學性質穩定，金屬強度可以滿足治療需要，但當純鈦植入體內后，更多的是通過物理方式與骨形成穩定的力學結構而不是穩定的化學鍵連接，因此純鈦材料對于促進骨的愈合還有很大改進空間。為了能使純鈦發揮更大的作用而不僅僅是力學支持，學者開始思考對純鈦表面進行改良，包括表面結構和化學成分的優化。目的在于增加其生物化學功能，更好地促進骨愈合，這樣的研究思路越來越得到認可[1]。

其實在現代材料學研究中，金屬材料的表面改性并非首次提出，其目的是增強其與周圍組織的結合強度，增強其耐腐蝕性，縮短骨愈合時間[2]。隨著研究的進展，純鈦表面改性的方法與意義越來越得到認可，相信也會越來越多地應用于臨床。

種植體表面物理化學改性法

這是在保持鈦金屬穩定性、力學強度的前提下，通過運用物理和化學等方法使種植體表面理化結構發生變化，擁有新的性能，增強固有性能的方法。這些方法可操作性強，且其操作不受種植體形狀的影響。可以通過這些方法增加其與組織間的相容性。通過前期實驗研究可以得出的結論是，鈦種植體是否經過表面物理化學處理對骨折的愈合程度有明顯差異，經過處理的更有利于促進骨組織的生長[3]。

表面涂層修飾法：即利用可以使金屬表面粗糙的生物活性物質，通過簡單的理化方法讓這些生物活性物質固定于種植體表面。常用的有鈦漿涂層和羥基磷灰石涂層等，早期研究已經表明其有利于促進骨形成[4]。使用鈦漿涂層，可以數倍地增加種植體的面積，這樣也就等同于增加了體外材料與身體組織的接觸面積，甚至可以使種植體的必要長度縮短[5]。同樣，涂層修飾法的不足也是十分明顯的，由于接觸面積的增大，摩擦力也隨之成倍增長，經過長期負重很可能導致涂層分離，植入失敗。為解決這個問題，就需要進一步增加涂層附著強度。目前研究得知，利用激光熔覆技術[6]、離子束輔助沉積(IBAD)等技術會使附著強度明顯增強。Harris等利用氮離子注射使得種植體表面改性[7]，促進骨愈合過程。Heinrich等利用KrF準分子激光器處理種植體表面[8]，使得種植體出現多孔結構，促進骨愈合過程。

種植體表面電化學氧化法：電化學氧化法主要有陽極氧化法(AD)和微弧氧化法(MAO)兩種。電化學氧化法是以酸性溶液作為電解質，通過電解原理，鈦失去電子化合價升高形成陽離子，同時溶液中的氧等得到電子成為陰離子，通過陰陽離子的結合，使得鈦表面形成一層氧化膜。從一方面來講，已經有研究證明這些氧化膜可以誘導形成某些物質，這些物質可以加速骨的愈合過程；另一方面，這些氧化膜可以對金屬起類似保護膜的作用，防止其被腐蝕，增強其摩擦力。學者的下一步研究方向為使更多的針對通過控制電解過程中的環境因素用于精確調控氧化膜的厚度，創造最適合的骨愈合條件。

噴砂和酸蝕處理(SLA)：種植體粗糙的表面更有利于骨的愈合過程。對于增強表面粗糙程度，噴砂處理效果明顯，但目前的技術關于噴砂處理的可變因素較多，不易控制。處理后的種植體表面無法做到很精準地滿足需要，甚至可能會出現降低其耐腐蝕性等情況。酸蝕處理方法簡單，經過特殊酸性溶液的化學腐蝕處理后的種植體表面形成酸氧化物氧化層和一些微孔，有效增加了種植物的表面積，為骨愈合創造條件。

種植體表面轟擊法：顧名思義，通過物理方法直接作用于種植體表面，使其結構發生改變，如激光轟擊處理、電子束熱處理等。這些技術普遍具有重復性好、可控性強、效率高、無污染等優點[9]。通過處理，種植體得到更加優越的生物活性及骨結合能力。

種植體表面生物化學改性法

談到生物化學改性技術，首先要提到生物活性物質，這些物質可以是一些促進骨生長的分子，也可以是一些細胞黏附分子。目前已經知道這些生物活性物質對骨的愈合過程作用積極，于是學者開始研究如何利用生物活性物質對種植體表面進行改性，使得種植體具有這些功能。具體來說，對這些特殊的生物分子利用生化手段使其結合于種植體表面以及空隙中，可以增加種植體的穩定性。簡單來說，這些特殊分子可以作為生物活性介質，促進種植體與組織生長。成骨細胞的增殖和分化對于骨整合意義重大，因此使用對于成骨細胞增殖分化效果積極的物質與種植體整合效果明顯。生物化學改性的關鍵是在不影響分子生物活性的前提下，如何使之與種植體完美整合，發揮作用。下面列舉3種常見的種植體表面生物化學改性方法。

簡單吸附法：此法簡單易行，在所需生物分子的溶液中將種植體浸泡，使其黏附于表面及間隙。同時這種方法缺點也很明顯，一是其效果很大程度地取決于種植體表面結構，對于某些表現結構復雜、不易吸附的種植體來說，此法效果欠佳；二是其可調控性差，只能簡單地通過浸泡時間和溶液濃度等進行大致調控，無法做到精確調整到最佳效果。因此，即使此法簡單且陽性研究報告不斷產生，但目前依然不是臨床首選方法。

化學鍵結合法：這種方法相對比較復雜。通過化學方法處理使得生物活性分子與種植體形成化學鍵的結合。由于形成了穩定的鍵結合，這些結合于種植體的分子不能直接釋放于種植體周圍，但用此法表達的分子可以表現出與可溶解蛋白相同甚至更高的活力[10]。這種方法的優點是其固定得穩定、可靠，可以調控，通過化學鍵的結合可以保持其空間構型，使得生理信號相互作用，促進骨組織愈合。缺點是對生物活性物質的濃度及持續時間問題難以掌握。

復合涂層法：這種方法的主要原理是緩沖物質，一些可以促進骨愈合的生物分子不容易結合于種植體表面，或者結合后其持續時間或者濃度不易調控。這讓人們開始利用一些可以穩定結合于鈦種植體表面的有機物，這些有機物同時可以吸附或結合這些利于骨愈合的生物分子。目前已經開始以此為基礎建立一個緩釋系統，可以精確調整生物活性分子在種植體周圍的濃度與持續時間。此系統巧妙地模仿了這種分子在體內的正常分泌情況，使刺激持續時間與分子濃度滿足了組織細胞生長條件。Schmidmaier等通過動物實驗證明包被有結合了類胰島素生長因子-1與轉化生長因子-β1的聚乳酸-羥基乙酸涂層的鈦種植體植入人工骨折的大鼠脛骨后[11]，其治療及預后效果差異有統計學意義。

鈦合金的臨床應用

骨科領域：目前，在骨科領域中，人工關節置換術已經普及，人工關節置換術的手術技術可以說已經成熟，那么對手術成敗更大的影響因素是假體的選擇。術后存在假體的磨屑、應力遮擋和骨關節面結合不佳等多方面問題[12，13]。運用經過表面改性處理的鈦合金假體，可以更好地提供關節面結合能力，改善假體生物活性，提高手術成功率，減輕患者二次手術的痛苦。缺血性股骨頭壞死(ANFH)是一種由多種原因引起的股骨頭血供破壞所導致骨死亡的病理過程。文獻報道美國目前新增病例約10 000～20 000例，主要集中在20～50歲[14，15]，若沒有及時地發現與積極治療，最終只能通過人工關節置換手術處理，對于年輕人術后生活質量有很大影響。隨著研究的進展，有望利用鈦合金股骨頭內撐器進行髓心減壓治療。

口腔領域：目前，在口腔領域中，由于鈦支架材料的生物相容性非常好，常常應用于頜骨的缺損治療。對于口腔領域的生物學材料，毫無疑問，純鈦的利用最為廣泛，可以很好地達到口腔損傷治療以及口腔修復治療對于金屬材料的大多數標準。可以說，鈦合金材料在口腔領域是最具有開發潛力和臨床應用前景的金屬[16]。具體包括仿生涂層，多孔純鈦支架，鈦種植體直接植入等。

鈦種植體的未來研究趨向

理化方法：鈦種植體的物理化學處理方法已經很少單獨使用。其未來發展方向已經不再滿足于單純增加其表面粗糙程度，而是要通過物理化學的處理，在增加粗糙程度的同時更多地滿足細胞組織的生長環境，更加利于生長，增強其抗菌性等。

生物化學方法：從納米層次上研究與緩釋載體研究相結合，在進一步提高分子黏附力的同時，提供穩定的持續時間與濃度。隨著對于種植體表面改性的深入研究，各種方法的研究都快速進展并呈現出相結合的研究思路，更加接近體內環境的緩釋系統，在細胞分子水平更精確地研究活性物質與骨組織生長之間的關系，同時運用黏附性強的涂層材料，在物理化學前期處理的基礎上，綜合使用，取得效果。

新型涂層：生理學涂層，這種涂層模擬在體液環境下使種植體的表面有促進骨愈合作用的離子沉積。以上大多數的表面改性方法都還處于實驗研究階段，沒有真正用于臨床，因此這一領域值得我們進行更加深入、系統地研究。

[1]Wang FH,Zang SS.Effect of surface modification of titanium implants on the osseointegration[J].Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu,2014:18(52):8491-8497.

[2]賈彥,鄧嘉胤.鈦種植體表面改性的研究現狀及應用進展[J].中國組織工程研究與臨床康復,2009,13(12):2321-2324.

[3]Faraco FN,Kawakami PY,Mestnik MJ,et al. Histologic evaluation of human bone integration on machined and sandblasted acid-etched titanium surfaces in type IV bone [J].J Oral Implantol,2007,33(1):8-12.

[4]Meirelles L,Arvidsson A,Andersson M,et al. Nano hydroxyapatite structuresinfluence early bone formation[J].J Biomed Mater Res A,2004:69(2):279-285.

[5]宿玉成.現代口腔種植學[M].北京:人民衛生出版社,2004:10.

[6]鄧遲,王勇,張亞平,等.激光熔覆生物陶瓷涂層體外生物相容性研究[J].航天醫學與醫學工程,2006,19(3):222-224.

[7]Harris LG,Patterson LM,Bacon C,et al.Assessment of the compatibility of different coated titanium surfaces to fibroblasts andosteoblasts[J].J Biomed Mater Res A,2005,73 (1):12-20.

[8]Heinrich A,Dengler K,Koerner T,et al.Laser-modified titanium implants for improved cell adhesion[J].Lasers Med Sci,2008:23(1): 55-58.

[9]Oshida Y,Tuna EB,Aktoren O,et al.Dental implant system[J].Int J Mol Sci,2010:11(4): 1580-1678.

[10]劉同軍.鈦金屬種植體表面生物化學改性[J].國外醫學:口腔醫學分冊,2006,23(3): 210-212.

[11]Li LH,Kim HW,Lee SH,et a1.Biocompatibility of titaniym implants modified by microarc oxidation and hydroxyapatite coating[J].J BiomedMater ResA,2005,73(1):48-54.

[12]Jiranek WA,Whiddon DR,Johnstone WT. Late loosening of press-fit cementless acetabularcomponents[J].Clin Orthop Relat Res,2004:418(418):172-178.

[13]Ong A,Wong KL,Lai M,et al.Early failure of precoated femoral components in primary total hip arthroplasty[J].Bone Joint Surg AM, 2002,84-A(5):786.

[14]Aaron RK,Ciombor DM.Coagulopathies and osteonecrosis[J].Curr Opin Orthop,2001,(12): 378-383.

[15]Wang BL,Sun W,Shi ZC,et al.Treatment of nontraumatic osteonecrosis of the femoral head using bone impaction grafting through a femoral neck window[J].Int Orthop,2010, (34):635-639.

[16]Zheng X,He J.Effect evaluation of medical calcium sulfate OstcoSet in repairing jaw bone defect[J].Zhongguo xiu fu chong jian wai ke za zhi Chinese journal of reparative and reconstruction surgery,2012,26(1):87-90.

Research progress and clinical application of surface modification of titanium and its alloys

Lu Yifan,Wang Dong
(Corresponding author)
The Second Affiliated Hospital of Shanxi Medical University 030000

Pure titanium and metal materials in the clinical treatment of orthopedics have their own advantages,when the pure titanium implanted in the body,the more physical through the formation of a stable structure with the bone rather than a stable chemical bond,therefore,there is still much room for improvement in the promotion of bone healing by pure titanium materials.In this paper,the methods of surface modification of pure titanium are summarized.

Titanium and its alloy surface;Modification method;Clinical application

10.3969/j.issn.1007-614x.2017.12.2