钛及其合金表面改性方法的研究进展与临床应用

路一凡 王东

(通讯作者)

030000山西医科大学第二附属医院

钛及其合金表面改性方法的研究进展与临床应用

路一凡 王东

(通讯作者)

030000山西医科大学第二附属医院

纯钛和金属材料在骨科的临床治疗中有各自优势，当纯钛植入体内后，更多的是通过物理方式与骨形成稳定的力学结构而不是稳定的化学键连接，因此纯钛材料对于促进骨的愈合还有很大改进空间。本文就纯钛表面改性的方法进行总结。

钛及其合金表面；改性方法；临床应用

伴随现代材料学的迅猛发展，纯钛在医疗领域中的地位也越来越重要。相比于其他材料，纯钛质量较轻、无毒无害、较高的相容性，而且来源丰富，材料强度大，在目前骨科的临床治疗中，已具有不可取代的地位。在骨科的临床治疗中，纯钛材料的优点为化学性质稳定，金属强度可以满足治疗需要，但当纯钛植入体内后，更多的是通过物理方式与骨形成稳定的力学结构而不是稳定的化学键连接，因此纯钛材料对于促进骨的愈合还有很大改进空间。为了能使纯钛发挥更大的作用而不仅仅是力学支持，学者开始思考对纯钛表面进行改良，包括表面结构和化学成分的优化。目的在于增加其生物化学功能，更好地促进骨愈合，这样的研究思路越来越得到认可[1]。

其实在现代材料学研究中，金属材料的表面改性并非首次提出，其目的是增强其与周围组织的结合强度，增强其耐腐蚀性，缩短骨愈合时间[2]。随着研究的进展，纯钛表面改性的方法与意义越来越得到认可，相信也会越来越多地应用于临床。

种植体表面物理化学改性法

这是在保持钛金属稳定性、力学强度的前提下，通过运用物理和化学等方法使种植体表面理化结构发生变化，拥有新的性能，增强固有性能的方法。这些方法可操作性强，且其操作不受种植体形状的影响。可以通过这些方法增加其与组织间的相容性。通过前期实验研究可以得出的结论是，钛种植体是否经过表面物理化学处理对骨折的愈合程度有明显差异，经过处理的更有利于促进骨组织的生长[3]。

表面涂层修饰法：即利用可以使金属表面粗糙的生物活性物质，通过简单的理化方法让这些生物活性物质固定于种植体表面。常用的有钛浆涂层和羟基磷灰石涂层等，早期研究已经表明其有利于促进骨形成[4]。使用钛浆涂层，可以数倍地增加种植体的面积，这样也就等同于增加了体外材料与身体组织的接触面积，甚至可以使种植体的必要长度缩短[5]。同样，涂层修饰法的不足也是十分明显的，由于接触面积的增大，摩擦力也随之成倍增长，经过长期负重很可能导致涂层分离，植入失败。为解决这个问题，就需要进一步增加涂层附着强度。目前研究得知，利用激光熔覆技术[6]、离子束辅助沉积(IBAD)等技术会使附着强度明显增强。Harris等利用氮离子注射使得种植体表面改性[7]，促进骨愈合过程。Heinrich等利用KrF准分子激光器处理种植体表面[8]，使得种植体出现多孔结构，促进骨愈合过程。

种植体表面电化学氧化法：电化学氧化法主要有阳极氧化法(AD)和微弧氧化法(MAO)两种。电化学氧化法是以酸性溶液作为电解质，通过电解原理，钛失去电子化合价升高形成阳离子，同时溶液中的氧等得到电子成为阴离子，通过阴阳离子的结合，使得钛表面形成一层氧化膜。从一方面来讲，已经有研究证明这些氧化膜可以诱导形成某些物质，这些物质可以加速骨的愈合过程；另一方面，这些氧化膜可以对金属起类似保护膜的作用，防止其被腐蚀，增强其摩擦力。学者的下一步研究方向为使更多的针对通过控制电解过程中的环境因素用于精确调控氧化膜的厚度，创造最适合的骨愈合条件。

喷砂和酸蚀处理(SLA)：种植体粗糙的表面更有利于骨的愈合过程。对于增强表面粗糙程度，喷砂处理效果明显，但目前的技术关于喷砂处理的可变因素较多，不易控制。处理后的种植体表面无法做到很精准地满足需要，甚至可能会出现降低其耐腐蚀性等情况。酸蚀处理方法简单，经过特殊酸性溶液的化学腐蚀处理后的种植体表面形成酸氧化物氧化层和一些微孔，有效增加了种植物的表面积，为骨愈合创造条件。

种植体表面轰击法：顾名思义，通过物理方法直接作用于种植体表面，使其结构发生改变，如激光轰击处理、电子束热处理等。这些技术普遍具有重复性好、可控性强、效率高、无污染等优点[9]。通过处理，种植体得到更加优越的生物活性及骨结合能力。

种植体表面生物化学改性法

谈到生物化学改性技术，首先要提到生物活性物质，这些物质可以是一些促进骨生长的分子，也可以是一些细胞黏附分子。目前已经知道这些生物活性物质对骨的愈合过程作用积极，于是学者开始研究如何利用生物活性物质对种植体表面进行改性，使得种植体具有这些功能。具体来说，对这些特殊的生物分子利用生化手段使其结合于种植体表面以及空隙中，可以增加种植体的稳定性。简单来说，这些特殊分子可以作为生物活性介质，促进种植体与组织生长。成骨细胞的增殖和分化对于骨整合意义重大，因此使用对于成骨细胞增殖分化效果积极的物质与种植体整合效果明显。生物化学改性的关键是在不影响分子生物活性的前提下，如何使之与种植体完美整合，发挥作用。下面列举3种常见的种植体表面生物化学改性方法。

简单吸附法：此法简单易行，在所需生物分子的溶液中将种植体浸泡，使其黏附于表面及间隙。同时这种方法缺点也很明显，一是其效果很大程度地取决于种植体表面结构，对于某些表现结构复杂、不易吸附的种植体来说，此法效果欠佳；二是其可调控性差，只能简单地通过浸泡时间和溶液浓度等进行大致调控，无法做到精确调整到最佳效果。因此，即使此法简单且阳性研究报告不断产生，但目前依然不是临床首选方法。

化学键结合法：这种方法相对比较复杂。通过化学方法处理使得生物活性分子与种植体形成化学键的结合。由于形成了稳定的键结合，这些结合于种植体的分子不能直接释放于种植体周围，但用此法表达的分子可以表现出与可溶解蛋白相同甚至更高的活力[10]。这种方法的优点是其固定得稳定、可靠，可以调控，通过化学键的结合可以保持其空间构型，使得生理信号相互作用，促进骨组织愈合。缺点是对生物活性物质的浓度及持续时间问题难以掌握。

复合涂层法：这种方法的主要原理是缓冲物质，一些可以促进骨愈合的生物分子不容易结合于种植体表面，或者结合后其持续时间或者浓度不易调控。这让人们开始利用一些可以稳定结合于钛种植体表面的有机物，这些有机物同时可以吸附或结合这些利于骨愈合的生物分子。目前已经开始以此为基础建立一个缓释系统，可以精确调整生物活性分子在种植体周围的浓度与持续时间。此系统巧妙地模仿了这种分子在体内的正常分泌情况，使刺激持续时间与分子浓度满足了组织细胞生长条件。Schmidmaier等通过动物实验证明包被有结合了类胰岛素生长因子-1与转化生长因子-β1的聚乳酸-羟基乙酸涂层的钛种植体植入人工骨折的大鼠胫骨后[11]，其治疗及预后效果差异有统计学意义。

钛合金的临床应用

骨科领域：目前，在骨科领域中，人工关节置换术已经普及，人工关节置换术的手术技术可以说已经成熟，那么对手术成败更大的影响因素是假体的选择。术后存在假体的磨屑、应力遮挡和骨关节面结合不佳等多方面问题[12，13]。运用经过表面改性处理的钛合金假体，可以更好地提供关节面结合能力，改善假体生物活性，提高手术成功率，减轻患者二次手术的痛苦。缺血性股骨头坏死(ANFH)是一种由多种原因引起的股骨头血供破坏所导致骨死亡的病理过程。文献报道美国目前新增病例约10 000～20 000例，主要集中在20～50岁[14，15]，若没有及时地发现与积极治疗，最终只能通过人工关节置换手术处理，对于年轻人术后生活质量有很大影响。随着研究的进展，有望利用钛合金股骨头内撑器进行髓心减压治疗。

口腔领域：目前，在口腔领域中，由于钛支架材料的生物相容性非常好，常常应用于颌骨的缺损治疗。对于口腔领域的生物学材料，毫无疑问，纯钛的利用最为广泛，可以很好地达到口腔损伤治疗以及口腔修复治疗对于金属材料的大多数标准。可以说，钛合金材料在口腔领域是最具有开发潜力和临床应用前景的金属[16]。具体包括仿生涂层，多孔纯钛支架，钛种植体直接植入等。

钛种植体的未来研究趋向

理化方法：钛种植体的物理化学处理方法已经很少单独使用。其未来发展方向已经不再满足于单纯增加其表面粗糙程度，而是要通过物理化学的处理，在增加粗糙程度的同时更多地满足细胞组织的生长环境，更加利于生长，增强其抗菌性等。

生物化学方法：从纳米层次上研究与缓释载体研究相结合，在进一步提高分子黏附力的同时，提供稳定的持续时间与浓度。随着对于种植体表面改性的深入研究，各种方法的研究都快速进展并呈现出相结合的研究思路，更加接近体内环境的缓释系统，在细胞分子水平更精确地研究活性物质与骨组织生长之间的关系，同时运用黏附性强的涂层材料，在物理化学前期处理的基础上，综合使用，取得效果。

新型涂层：生理学涂层，这种涂层模拟在体液环境下使种植体的表面有促进骨愈合作用的离子沉积。以上大多数的表面改性方法都还处于实验研究阶段，没有真正用于临床，因此这一领域值得我们进行更加深入、系统地研究。

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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