钛基/涂层型羟基磷灰石功能梯度生物材料研究进展

何 陨，牛 蓓

(成都大学医护学院，四川成都 610106)

钛基/涂层型羟基磷灰石功能梯度生物材料研究进展

何 陨，牛 蓓

(成都大学医护学院，四川成都 610106)

钛及钛合金是常用的医用生物材料，虽具有良好的生物相容性，但缺乏骨诱导能力，而羟基磷灰石(HA)有良好的生物活性能诱导骨生长，钛基/涂层型HA功能梯度生物材料(FGM)为解决二者的结合提供了新的思路.钛基/涂层型HA FGM其设计主要分为组成成分的梯度设计与孔隙梯度变化2种，通过基体与涂层表面之间形成逐渐过渡的功能梯度，能显著提高材料的机械强度和生物骨诱导能力.概述其设计、制备及性能评价等最新研究，为临床运用提供参考.

钛;羟基磷灰石;功能梯度生物材料

0 引言

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)以其良好的生物活性及生物相容性而被成功应用于骨组织的修复与重建上［1］，同时，由于具有易脆性、抗弯强度小、断裂韧性低等特点限制了其临床应用［2］.为改善HA的机械力学性能，功能梯度生物材料(functionally graded biomaterial，FGM)应运而生.PGM材料借鉴了功能梯度材料的设计思路，使材料的各种组分、结构、物性参数和理化、生物性能呈现连续变化，内部界面消失，从而为提高生物材料的整体性能开辟了一条新的思路［3］.涂层型HA FGM材料是针对涂层与基体之间存在的界面及热膨胀系数不匹配问题提出的，主要指在基体与涂层表面之间形成逐渐过渡的功能梯度涂层，其设计思路大致有组成成分的梯度设计、孔隙梯度变化等.在医学领域中，钛(Ti)及其合金复合HA涂层的研究相对集中［4］.

本综述应用计算机检索PubMed数据库、CNKI数据库中关于钛及钛合金表面HA FGM的文章，英文检索词为“titanium，titanium alloy，coating，HA，FGM”，限定文献语言种类为“English”;中文检索词为“钛，钛合金，涂层，羟基磷灰石，功能梯度生物材料”，限定文献语言种类为中文，就钛基/涂层型HA PGM的设计、制备与性能评价等最新研究进展进行了概述.

1 涂层成分的梯度设计

涂层成分的梯度设计是指钛基表面的涂层，除了含有HA之外，还包括其他元素物质，其含量、梯度趋势不尽相同，具体可分为以下几种.

1.1 HA与非金属元素复合

Kumar等［5］以 Ti-6Al-4V为基体，再以 HA分别复合生物玻璃陶瓷(G)和磷酸钙(TCP)，其百分比为，G/HA 100%/0%→75%/25%→50%/50%→25%/75%，TCP/HA 0%/100%→25%/75%→50%/50%→75%/25%，制备成HA FGM:HA-G-Ti和HATCP-Ti.HA-G-Ti的涂层中有较高的弹性模量和显微硬度，提示HA-G-Ti较HA-TCP-Ti有更强的机械性能.而HA与β-TCP的复合可以控制材料的降解速度，使其降解速度与周围骨组织的生长速度相匹配［6］.Kumar等［7］以不同的烧结温度得到不同的 HA晶粒，再以晶粒混合不同质量百分比的生物玻璃，HA/G比例为，0 wt%/100 wt%→30 wt%/70 wt%→50 wt%/50 wt%→70 wt%/30 wt%→100 wt%/0 wt%，再将该涂层与Ti复合，涂层中HA在高温烧结时显示出较高的结晶性和低溶解性，HA与生物玻璃有少量、轻微的反应.该研究考察的HA粒度体系中，HA 1200-GTi的拉伸强度值最高，为20.6 MPa，并且具有良好的生物相容性.此外，Kumar等［8］采用 Ti-6Al-4V 为基体，再以HA与SiO2按照质量百分比SiO2/HA为75%/25%→50%/50%→25%/75%→0%/100%复合，通过XRD、SEM、FTIR等方法检测，得出该实验使用的纳米压痕技术能使材料的弹性模量达到15.1 GPa，硬度值为0.405 GPa.研究发现，在钛基上制备含硅HA涂层能促进细胞的增殖与分化，与HA涂层相比，其具有更好的生物活性［9］，而含氟HA/TiO2涂层，除具有良好的生物学性能外，与HA涂层相比有较高的结合强度和较低的溶解速率［10］.

另外，林东洋等［11］采用射频磁控溅射法，在Ti6Al4V基体上制备了HA/YSZ(钇稳定氧化锆，Yttria stabilized zirconia)生物梯度涂层，该涂层与基体结合紧密，与基体界面结合处约5.0 μm范围内存在Ti、Ca、P、Zr的相互扩散层，与基体的界面结合强度达60.5 MPa.刘亮等［12-13］通过微弧氧化在钛基表面形成陶瓷膜时发现，当电解液中的乙酸钙为20 g/L、多聚磷酸钠为9.3 g/L时，陶瓷膜的钙磷比为1.69，接近羟基磷灰石中钙磷的比例，此提示电解液中钙磷含量能对微弧氧化形成的钛基表面陶瓷膜的相结构产生影响.张晓光等［14］使用3倍模拟体液，可快速诱导Ti-6AL-4V合金表面类HA的沉积，从而缩短涂层成形时间.

1.2 HA与金属元素复合

研究发现，用于Ti及其合金基体表面并且与HA复合的金属元素仅限于一些有抑菌作用的金属元素.例如，张静莹等［15］在制备含锌 HA/TiO2生物涂层时观察到，牙龈卟啉单胞菌在涂层钛样品表面生长受到明显的抑制，黏附在材料表面的细菌形态发生改变，此提示含锌HA/TiO2生物涂层具有较好的抑菌性能.Bai等［16］用离子束辅助沉积法沉积不同浓度的银于HA FGM涂层中，观察发现，从涂层基体界面到涂层表层，纳米银的结晶及颗粒分布减少，涂层靠近表层部分的外侧面银含量质量百分比为，1.09%～6.59%，大约占整个涂层平均银含量的一半，含银HA FGM涂层平均粘附强度为，83±6～88±3 MPa.

1.3 HA与稀土元素复合

研究发现，人体硬组织的无机成分中除含磷灰石外，稀土元素含量也高［17］.稀土元素镧(La)可部分取代HA中的钙离子而使晶体的结构更加稳定，提高涂层与钛基材料表面的抗拉结合强度，改善钛表面的耐磨性和耐蚀性能［18］.此外，稀土元素La不仅可以占据钙的位置与生物大分子结合，而且还可取代已经结合的钙离子，形成更稳定的化合物，并随着La含量增加，对钙的拮抗作用增强［19-20］.唐霞等［21］在制备不同含量的含La HA FGM涂层发现，添加适量La的材料对细胞生物相容性与单纯HA涂层材料没有区别，但随着La含量增加，细胞的生长量有所下降，研究得出浓度为0.3 g/L的硝酸镧电解液其La含量最合适.

1.4 HA与胶原蛋白复合

Lin等［22］研究发现，HA可与胶原蛋白复合制备成HAP/Col FGM，通过4年的临床观察，HAP/Col FGM比单纯的HA FGM具有更为显著的骨再生能力.

2 涂层孔隙的梯度变化

涂层孔隙的梯度变化设计，是指钛基表面的涂层仅含有HA，其梯度变化体现在HA的物理结构变化.

Khor等［23］用 Ti-6Al-4V 与 HA 涂层复合，涂层中HA/Ti-6Al-4V比例为50 wt%/50 wt%→80 wt%/20 wt%→100 wt%/0，发现功能梯度涂层能降低涂层的热应力，提高涂层的性能，且在涂层中，密度和孔隙率呈渐进变化，该涂层的拉伸强度比纯HA涂层高，杨氏模量和断裂韧性表现出各相异性.叶迅等［24-25］在纯钛表面制备出多孔的HA涂层，其结构特征是内层致密氧化钛膜过渡到多孔氧化钛膜，再到表层多孔HA涂层，结果提示该钛基HA FGM具有良好的生物相容性和骨诱导能力.研究发现，利用微弧氧化法制备的钛基HA FGM，外层HA疏松多孔，内层TiO2致密，且与钛合金基体有着较强的结合力，粗糙多孔的表面也易于成骨细胞的附着于生长，表现出良好的生物活性［26］.Kawanabe 等［27］在钛表面制备疏松多孔结构，并对使用该材料的70例全髋置换术的患者进行平均4.8年的随访，发现患处均未发生松动，并显示出良好的骨传导性能.此外，研究还发现，制备多孔钛基HA FGM，能够显著促进成骨细胞的黏附增殖［28-29］，促进成骨细胞的矿化［29］.Cannillo 等［30］采用大气喷射法制备 TiO2/HA涂层，发现随着温度的升高，HA结晶及维氏硬度增加，但在温度超过750℃时，重结晶的应力将使涂层基体界面的裂缝及薄弱部位增加.另外，纳米级HA梯度涂层是将纳米级的HA或者其他纳米颗粒多层涂于钛合金表面，纳米级HA梯度涂层材料能促进成骨细胞表型因子的表达［31］.

3 结论

总而言之，钛基/涂层型HA FGM因其将线性的钛基涂层界面转化为逐层变化的梯度界面，在兼顾钛基与涂层结合强度的同时，增强其生物学活性、促进骨组织生长.可以预见，钛基/涂层型HA FGM会越来越广泛地应用于实际的临床上.

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［1］Ayers R A，Simske S J，Nunes C R，et al.Long-term bone in

growthandresidualmicro-hardnessofporousblock hydroxyapatite implants in humans［J］.Journal of Oraland Maxillofacial Surgerg，1998，56(11):1297-1302.

［2］Choi J W，Kong Y M，Kim H E，et al.Reinforcement of hydroxyapatite bioceramic by addition of Ni3Al and Al2O3［J］.Journal of the American Ceramic Society，1998，81(7):1743-1748.

［3］Hedia H S，Mahmoud N A.Design optimization of functionally graded dental implant［J］.Bio-medical Materials and Engineering，2004，14(2):133-143.

［4］Ong J L，Carnes D L，Bessho K.Evaluation of titanium plasma-sprayed and plasma-sprayed hydroxyapatite implants in vivo［J］.Biomaterials，2004，25(19):4601-4606.

［5］Roop Kumar R，Wang M.Modulus and hardness evaluations of sintered bioceramic powdersand functionally graded bioactive composites by nano-indentation technique［J］.Materials Science and Engineering，2002，A(338):230-236.

［6］张彩珍，李运，汤玉斐，等.射频磁控溅射法制备羟基磷灰石/β-磷酸三钙生物涂层［J］.生物骨材料与临床研究，2008，5(2):48-50.

［7］Kumar R，Maruno S.Functionally graded coatings of HA-G-Ti composites and theirin vivo studies［J］.Materials Science and Engineering，2002;A(334):156-162.

［8］Kumar R，Wang M.Functionally graded bioactive coatings of hydroxyapatite/titaniumoxide composite system［J］.Materials Letters，2002，55(3):133-137.

［9］Gomes P S，Botelho C，Lopes M A，et al.Evaluation of human osteoblastic cell response to plasma-sprayed silicon-substituted hydroxyapatite coatings over titanium substrates［J］.Journal of Biomedical Materials Research Part B:Applied Biomaterials，2010，94(2):337-346.

［10］Wang J，Chao Y，Wan Q，et al.Fluoridated hydroxyapatite/titanium dioxide nanocomposite coating fabricated by a modified electrochemical deposition［J］.Journal of Materials Science:Materials in Medicine，2009，20(5):1047-1055.

［11］林东洋，赵玉涛，甘俊旗，等.钛合金表面磁控溅射制备HA/YSZ 梯度涂层［J］.材料工程，2008，53(5):34-38.

［12］刘亮，郭锋，李鹏飞，等.电解液钙磷含量对医用TC4钛合金微弧氧化膜的影响［J］.金属热处理，2010，53(1):77-80.

［13］刘亮，郭锋，李鹏飞，等.钛生物种植体表面微弧氧化膜制备的电解液研究［J］.表面技术，2009，38(3):37-40.

［14］张晓光，张扬.钛合金种植体表面制备的生物活性膜［J］.中国组织工程研究与临床康复，2009，13(38):7489-7492.

［15］张静莹，孙慎霞，齐民，等.含锌羟基磷灰石二氧化钛复合涂层的抗菌性能［J］.中国组织工程研究，2012，16(38):7092-7095.

［16］Bai X，More K，Rouleau C M，et al.Functionally graded hydroxyapatite coatings doped with antibacterial components［J］.Acta Biomaterialia，2010，6(6):2264-2273.

［17］Zaichick S，Zaichick V，Karandashev V，et al.Accumulation of rare earth elements in human bone within the lifespan［J］.Metallomics，2011，3(2):186-194.

［18］Guo D G，Wang A H，Han Y，et al.Characterization，physicochemical properties and biocompatibility of La-incorporated apatites［J］.Acta Biomaterialia，2009，5(9):3512-3523.

［19］Kandori K，Toshima S，Wakamura M，et al.Effects of modification of calcium hydro-xyapatites by trivalent metal ions on the protein adsorption behavior［J］.The Journal of Physical Chemistry B，2010，114(7):2399-2404.

［20］Mavropoulos E，Costa A M，Costa L T，et al.Adsorption and bioactivity studies of albumin onto hydroxyapatite surface［J］.Colloids and Surfaces B:Biointerfaces，2011，83(1):1-9.

［21］唐霞，孟玉坤.钛表面羟基磷灰石涂层含镧量对附着细胞生物学性能的影响［J］.第三军医大学学报，2011，33(24):2592-2595.

［22］Lin D，Li Q，Li W，et al.Bone remodeling induced by dental implants of functionally graded materials［J］.Journal of Biomedical Materials Research Part B:Applied Biomaterials，2010，92B(2):430-438.

［23］Khor K A，Gu Y W，Quek C H，et al.Plasma spraying of functionallygradedhydro-xyapatiteyTi-6Al-4VCoatings［J］.Surface and Coatings Technology，2003，168(2-3):195-201.

［24］叶迅，朱琳，唐光昕，等.纯钛表面梯度生物活性涂层材料生物相容性研究［J］.中华神经外科疾病研究杂志，2011，10(6):543-547.

［25］叶迅，赵元立，朱琳，等.颅骨修补材料钛金属表面梯度生物活性涂层的生物相容性研究［J］.北京医学，2008，30(1):8-12.

［26］Lim Y W，Kwon S Y，Sun D H，et al.Enhanced cell integration to titanium alloy by surface treatment with microarc oxidation:a pilot study［J］.Clinical Orthopaedics and Related Research，2009，467(9):2251-2258.

［27］Kawanabe K，Ise K，Goto K，et al.A new cementless total hip arthroplasty with bioactive titanium porous-coating by alkaline and heat treatment:average4.8-year results［J］.Journal of Biomedical Materials Research Part B:Applied Biomaterials，2009，93(1):476-481.

［28］聂蓉蓉，朱锋，陈治清，等.种植体表面TiO2/HA梯度涂层的生物相容性研究［J］.口腔医学研究，2011，27(8):686-689.

［29］张羽中，赵宝红，赵震锦，等.HA涂层—多孔TiO2—钛基体梯度涂层对 MG63的影响［J］.上海口腔医学，2009，18(4):411-414.

［30］Cannillo V，Lusvarghi L，Sola A，et al.Production and char

acterization of plasma-sprayed TiO2-hydroxyapatite functionally graded coatings［J］.Journal of the European Ceramic Society，2008，28(11):2161-2169.

［31］刘世敏，周宇.钛合金表面生物活性涂层的发展历程及趋势研究［J］.材料工程，2009，54(7):88-92.

Research Progress of Titanium Matrix/Coating Hydroxyapatite Functionally Graded Biomaterials

HE Yun，NIU Bei
(School of Medicine and Nursing，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

Titanium and titanium alloys are commonly used medical biomaterials，which lack osteoinductive capacity despite good biocompatibility.But hydroxyapatite(HA)has good biological activity being capable of inducing bone growth.Titanium-based coating HA functionally graded biomaterial(FGM)provides new ideas to solve the combination of both.The design of titanium based coating type HA FGM includes the gradient design of the components and the pore gradient change;and the functional gradient with a gradual transition is formed between the base body and the coating surface，which can significantly improve the mechanical strength and biological osteoinductive capability.This article outlines the design，preparation and performance evaluation of the latest research to provide reference for clinical use.

titanium;hydroxyapatite;functionally graded biomaterials

TB334

A

1004-5422(2013)03-0289-04

2013-05-12.

何 陨(1976—)，女，博士，讲师，从事生物材料学与细胞生物学研究.