醫(yī)用鎂合金激光熔覆羥基磷灰石涂層的生物活性分析

孫金娥，劉 杰

（1.北京科技大學天津?qū)W院，天津 301800；2.天津第四市政建筑工程有限公司，天津 300000）

鎂是一種對人體溫和的元素，醫(yī)用鎂合金屬于可降解醫(yī)用材料的一種，被譽為第三代生物醫(yī)用材料。作為現(xiàn)代臨床常用的一種生物體植入材料，鎂合金除了良好的可吸收性和生物相容性以外，還具有與骨接近的密度和彈性模量，因而廣泛應用于骨科植入領(lǐng)域。

但鎂合金在生物環(huán)境下耐腐蝕性差，降解產(chǎn)物會使周邊環(huán)境pH升高和氫氣的產(chǎn)生導致炎癥反應，這將嚴重限制其在骨板、骨釘?shù)裙枪潭ú牧现械膽谩Ｒ虼耍绾位谌梭w復雜的生理環(huán)境，尋找有效途徑解決醫(yī)用鎂合金耐蝕性較低的問題成為了當前醫(yī)用鎂合金研究的重點與熱點所在。

近年來，隨著臨床研究的不斷深入，越來越多的證據(jù)表明，在醫(yī)用鎂合金表面激光熔覆羥基磷灰石涂層可同時發(fā)揮醫(yī)用鎂合金可吸收、生物相容好和羥基磷灰石涂層耐腐蝕的優(yōu)勢，使醫(yī)用鎂合金得以在骨固定材料中得到廣泛應用。其中，羥基磷灰石屬于磷酸鹽系無機非金屬材料的一種，其化學成分、晶體結(jié)構(gòu)與脊椎動物的骨、牙齒的礦物成分十分接近，是近年來被廣泛關(guān)注的一種生物陶瓷涂層材料。

多項研究證實，在醫(yī)用金屬材料表面覆蓋羥基磷灰石涂層，不僅能夠解決羥基磷灰石作為一種生物陶瓷材料力學性能差的問題；同時能夠克服金屬材料無生物活性、易腐蝕的缺點。與此同時，采用激光熔覆技術(shù)實現(xiàn)二者的結(jié)合，可進一步實現(xiàn)其他表面改性技術(shù)無法達到的效果，如提高涂層生物相容性、使涂層結(jié)構(gòu)更加接近自然生物的組織結(jié)構(gòu)等。

就我國現(xiàn)階段對于醫(yī)用鎂合金激光熔覆羥基磷灰石涂層的研究來看，大部分研究依舊集中材料的制備工藝之上，關(guān)于材料生物活性的研究相對較少。而本文主要論述了醫(yī)用鎂合金的發(fā)展，探討了鎂合金表面激光熔覆羥基磷灰石涂層的生物活性等內(nèi)容，這對于兩者的進一步結(jié)合與應用具有較好的借鑒價值。

1 醫(yī)用鎂合金

鎂合金作為生物可降解材料的應用可以追溯到1878年，Edward C.Huse首次用純鎂絲為出血血管縫扎并提出臨床報告[1]。在這方面最有影響力的先是內(nèi)科醫(yī)生Erwin Payr，其臨床應用和報告啟發(fā)了許多其他臨床醫(yī)生，使得鎂植入物應用到不同的外科領(lǐng)域。1900年，Chlumsky在狗與兔子膝關(guān)節(jié)的骨表面間插入厚度為0.1mm～0.8mm的鎂片，不同厚度的鎂片在18d或幾周后完全腐蝕。

試驗結(jié)果表明在對動物與人體的強直關(guān)節(jié)骨分離后，鎂片植入手術(shù)能夠成功預防關(guān)節(jié)僵硬，恢復關(guān)節(jié)運動。1944年Troitskii等[2]報道了多例使用鎂植入物來治療各種骨折的病例，手術(shù)結(jié)果反映良好，在患者血清未發(fā)現(xiàn)鎂離子的升高，植入物也未引起明顯的炎癥反應。1945年，Znamenski等[3]用含10%Al的鎂錫合金醫(yī)治兩例槍傷，四周后兩例病患的鎂骨釘均消失，六周后骨折處融合，鎂骨板消失。20世紀40年代，由于鎂金屬在人體內(nèi)的腐蝕問題得不到足夠的解決，外科醫(yī)生開始使用耐腐蝕性強的V2A鋼，因此鎂及其合金不再是生物材料的研究重點。1999年，隨著鎂在心血管介入器械中的應用，鎂及其合金作為醫(yī)用材料再次被關(guān)注。2005年，Witte[4]報道了用四種商業(yè)鎂合金進行動物試驗的結(jié)果，為后來的醫(yī)用鎂合金的研究打下基礎(chǔ)。Janning等人[5]報道指出在六周時間內(nèi)，植入兔子膝蓋的純Mg(OH)2柱體在六周內(nèi)緩慢溶解損失了19%的體積，其他的含鎂金屬鹽顯示出更低的溶解度，很難從植入部位中清除，然而卻表現(xiàn)出良好的生物相容性。Yang等人設計了一系列Mg-Sn-Mn合金支架，發(fā)現(xiàn)當比例為Mg-3Sn-0.5Mn時，支架表現(xiàn)出最優(yōu)力學性能和耐腐蝕性能。

2 羥基磷灰石涂層

羥基磷灰石與人體的硬組織具有相似的成分，可以很好的誘導骨的生長。但其脆性十分大，很難應用于人體承重的部位，所以經(jīng)常被用于涂層的應用。醫(yī)用鎂合金表面覆蓋羥基磷灰石，很好地降低了醫(yī)用鎂合金在人體降解速率過快的問題，提高其生物相容性。研究表明覆蓋羥基磷灰石的醫(yī)用鎂合金在生理鹽水和細胞溶液中被均勻的腐蝕，這一特點提高了人工置換關(guān)節(jié)的長期療效。

獲得羥基磷灰石的方法主要有化學沉積、電化學沉積、離子束輔助沉積以及激光熔覆。其中，激光熔覆是將HA熔覆于AZ91鎂合金表面，涂層與基體呈冶金結(jié)合，涂層的相組成為HA和β-TCP。

3 激光熔覆羥基磷灰石涂層的生物活性分析

激光熔覆技術(shù)，是一種經(jīng)濟效益很高的新技術(shù)，它可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料，此外，激光熔覆技術(shù)比生物陶瓷涂層具有其他表面改性技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點；界面結(jié)合方式為牢固的冶金結(jié)合；涂層具有擇優(yōu)取向、有序分布的胞狀微晶組織特征，這種組織與自然生物的組織結(jié)構(gòu)有相似之處，提高涂層生物相容性；改善生物硬組織的匹配性與植入材料彈性模量。因此，世界上各工業(yè)先進國家對激光熔覆技術(shù)的研究及應用都非常重視。

在Erlin Zhang等人[6]的研究中，其通過激光熔覆方法在醫(yī)用鎂合金的表面覆蓋一層羥基磷灰石涂層后，涂層與基體的交界面之間發(fā)生了相互擴散的現(xiàn)象，體現(xiàn)了良好的生物相容性和生物活性與此同時，涂層表面未見空隙，這證實了激光熔覆羥基磷灰石涂層在提高鎂基體耐蝕性中的積極效果。HA是親水化合物，導致血漿纖維蛋白吸附減少血小板難以黏附，有研究測得激光熔覆涂層的PT（凝血酶原）值約為19.508s，鎂合金的PT值約為11.025s，激光熔覆涂層的抗凝血性能遠遠高于鎂合金，體現(xiàn)出良好的血液相容性。

HA具有人體硬組織相似的化學結(jié)構(gòu)，當其植入人體會有輕微的溶解，溶解的鈣磷與周圍骨組織形成化學鍵，從而和骨原細胞結(jié)合，慢慢的骨原細胞逐漸進入HA，并演變成骨細胞。研究發(fā)現(xiàn)成骨細胞均勻地鋪在HA表面，呈長條形和多角形生長，表面細胞皺褶較多，有大量的細小細胞偽足呈散射狀分布于細胞四周。表明了HA涂層具有適宜骨原細胞的生長和分化，具有很好的細胞相容性。趙常利等人[7]通過激光熔覆法在鎂合金表面得到了致密均勻，耐蝕性好，降解周期較長的羥基磷灰石涂層。與此同時，研究證實了羥基磷灰石涂層植入人體會有輕微溶解的現(xiàn)象，可能產(chǎn)生彈性回縮、導致酸性產(chǎn)物降解、引發(fā)炎癥反應的問題，對此，應當謹慎長期應用。

4 醫(yī)用鎂合金激光熔覆羥基磷灰石的應用展望

從目前生物材料發(fā)展來看，鎂及其合金確實為一種具有優(yōu)越性的生物醫(yī)用材料，開發(fā)研究鎂基生物陶瓷復合涂層不失為生物材料領(lǐng)域很有前途的一種發(fā)展方向。然而，迄今為止，并沒有開發(fā)出一種單一的表面改性技術(shù)，能夠充分保護鎂不受腐蝕，目前的制備羥基磷灰石涂層的方案為幾種工藝混合使用。另外，由于人工合成的純 HA 自身所屬陶瓷性質(zhì)的限制，導致涂層材料脆性大、強度低，抗折強度和斷裂韌性等指標均低于人體骨的，使它在人體承重部位的應用受到限制。為改善這些情況，通常將羥基磷灰石和其他材料復合制備成HA生物復合材料，如：金屬-HA生物復合材料，生物惰性陶瓷-HA生物復合材料，高分子復合物-HA生物復合材料[8-11]。

由于HA在人體骨中為納米級別并有序沉淀于骨膠原基體中，而目前的制備工藝方法很難制備出均勻的生物復合材料，進而影響生物醫(yī)用鎂合金的耐腐蝕性能及生物活性，因此HA作為金屬基體表面涂層的應用受到關(guān)注，但HA涂層薄、和基體結(jié)合力較弱等仍是制約其作為生醫(yī)用材料應用的關(guān)鍵問題。因此，開發(fā)更為理想的表面改性工藝，制備更高質(zhì)量的生物陶瓷涂層，提高涂層與基體的結(jié)合力，來改善生物醫(yī)用鎂合金的耐腐蝕性能及其生物活性仍是將來研究的方向。