硅灰石涂层人体应用前景分析

张凡

生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。迄今为止，被详细研究过的生物材料已有1000多种，医学临床上广泛使用的也有几十种，涉及到材料学的各个领域。目前生物医学材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、耐腐蚀、持久性更好的多用途生物医学材料。

人体骨中的主要无机成分是M10（R04）6（OH）2，其中M主要为钙（Ca），R主要为磷（P），其晶体结构完整，为细长针状结构。目前，在临床上应用最多的是羟基磷灰石（HA）喷涂的人工假体。受到材料本身及制作工艺的限制，HA涂层在实际使用中存在一些缺点，如由于HA与机体的热膨胀系数不匹配，造成涂层与机体之间的结合较差，容易产生剥落；另外，HA粉末未经等离子体高温熔化后，在涂层内会产生许多非晶体及亚稳定相，这些相在体内黄精中容易降解，从而引起假体松动、失效。许多研究都在尝试寻找新的骨替代材料。

硅灰石是一种辉石类矿物，被广泛应用于传统陶瓷工业。硅灰石陶瓷的生物活性还很少有报道。另外，硅灰石陶瓷的机械性能较差，达不到临床使用的要求。所以，我们用等离子喷涂的方法在钛合金机体上制备了硅灰石涂层，这样既保持了硅灰石良好的生物活性，又具备了钛合金的优良机械性能。在体外模拟体液试验中显示硅灰石涂层具有良好的生物活性，能诱导类骨灰石在其表面沉积。细胞实验的结果也表明硅灰石涂层具有良好的细胞相容性，能促进成骨细胞的吸附、繁殖以及分化。

本实验用等离子喷涂的方法制备了一种新型硅灰石生物性陶瓷涂层。涂层植入到骨骼后，发现硅灰石能在涂层表面沉积，表明硅灰石涂层具有良好的生物活性。植入到股骨后，骨组织能够在涂层表面延伸生长，涂层直接与骨组织紧密接触，没有明显的排异反应及纤维组织出现，显示了涂层良好的生物相容性和骨传导性。涂层还具有良好的骨诱导性能，在植入到骨髓腔内后，能诱导新骨在其表面形成。動物体内植入实验的结果表明硅灰石涂层具有良好的生物活性和骨性能，有望成为一种新型的骨替代材料。

1 喷涂方法的介绍

喷镀法是采用燃烧能或电能将喷镀材料（粉末或颗粒）熔化或雾化，造成熔融态或半熔融态的粒子流，并高速喷射到底材上而堆积成涂层的方法。其中等离子喷镀（等离子喷涂）法是近年来开发和应用较广的一种方法。用该种方法制备硅灰石涂层的技术文献中多有报导，这种方法的工艺过程是利用直流电弧放电，把经高温加热的氢气、氮气等部分电离成离子状态，再以高速喷出而得到等离子射流。喷镀材料（硅灰石粉）则以气体为载体，吸入等离子射流中，经高温熔融或半焙融后高速冲撞在底材表面上而形成陶瓷涂层。

热喷涂涂层是由燃烧火焰或等离子热源将某种材料加热至熔化或热塑性状态，形成一簇高速的熔态粒子流（熔滴流），熔滴依次撞击基体或已形成的涂层表面，经过粒子的横向流动扁平化、急速凝固冷却、不断堆积起来而形成的。熔融粒子在与沉积表面接触撞击直至凝固时的冷却速度较高，陶瓷粒子为104～106oC/s，金属粒子为106～108oC/s，甚至更高。而前一颗熔滴撞击到沉积表面形成涂层与后一颗熔滴撞击它的表面区域相隔大约0.1 s，因此，足以使前一熔滴在后一颗熔滴到来前变形凝固并得到充分冷却。所以可以认为每个喷涂粒子的行为都是独立的。这样涂层由一个个熔滴经过撞击→扁平变形→冷却凝固堆积而成，熔滴之间相互独立。

2 股骨硅灰石涂层在压力下的作用研究

200N的力被用作轴向的载荷，这个巨大的力可以满足移植复原后的咀嚼条件。因为所有FE模型的部分在压力条件下有很小的拉紧，模型所采用的材料可以认为是具有线性，弹性和等方性的。材料的机械性能经过网格化，每个模型的硅灰石涂层有1700000个元素和5个层。von Mises应力分布的骨被移植80微米厚度的硅灰石涂层。骨应力集中发生在皮质骨的高弹性模量高于松质骨。骨的最大应力（MBS）14.30兆帕附近出现股骨的顶端。这些结果与临床现象，可以解释分布在骨和骨顶端方向上的不对称。无论是骨量和宽度在语言方面是小于颊侧，当加载增加，植入将倾斜的顶端。因此，在顶端附近的颈部被这种倾斜压平，然后压力集中出现在这个位置。压力在多孔骨的最低水平的范围从0.04到4.98MPa。在其他情况下，分布在模型中的骨的应力不会因为厚度的变化而变化，而且产生最大作用力的位置也是相同的。

MBS将随着硅灰石涂层厚度的增加而减少。如非涂层种植体的硅灰石涂层的厚度为零，MBS16.80 MPA是明显高于同等情况下的硅灰石涂层移植体。对于60 mm硅灰石涂层移植体，MBS14.96MPA比非涂移植体低13.10 %。这表明，硅灰石涂层表面的股骨移植体可以较好的减少骨的应力集中，而且将提高植入的稳定性。 硅灰石涂层厚度增加60至120微米，下降趋势的曲线变得平滑。这种现象可以解释为厚度的这个范围内是如此薄的影响应力分布骨变形引起的涂料200 N负荷下是不明显的。然而，当变形的作用变得引人注目时，硅灰石涂层的厚度范围为120-160微米，骨的最大压力在这一范围迅速从13.91下降到12.60 MPa，骨的应力集中进一步减少。

不同厚度的涂层模型在200N载荷下压应力的路径。伴随着涂层厚度的增加，骨移植的涂层在压应力的下变得弱了。细胞剪切力足够激活骨细胞，并导致新骨形成。当适当的压应力作用于骨组织，在那个位置的拉力导致流体流动跳过枢纽处，然后剪切行为发生在邻近骨细胞和成骨细胞有利于骨骼生长。结果显示表明，梯度分布压力较强的薄硅灰石涂料更有利于骨的再生。

考虑到影响的残余应力对硅灰石涂层强度的影响，增加涂层厚度将使硅灰石涂层强度有所下降。当涂层厚度大于150微米，通过本涂层技术，硅灰石涂层还不适合到临床应用。因此，最好是选择厚度的硅灰石涂层的移植体是在范围60-120微米。比较非涂层移植体，一定范围厚度的涂层不仅有足够的强度和减少应力的集中，而且还有利于骨骼的再生和移植的稳定性。

3 结论与总结

硅灰石涂层在体液中具有生物活性、生物相容性和良好的骨传导特性，与生物材料中常用的钛合金基体的结合强度比HA涂层的结合强度提高近一倍。但是生物涂层在力学性能上的缺陷使其应用受到了一定的限制。研究指出涂层较薄弱的力学性能是与涂层结构、残余应力和裂纹扩展等有关。结论如下：

（1）通过机械研磨结合烧结工艺后制备了硅灰石粉末。分析表明制得的粉末，可以满足喷涂送粉的要求。同时从颗粒的微观结构分析可见。

（2）在对硅灰石涂层进行力学性能研究时，这个软件（Solid Works and COSMOS）的当前版本无法用于这项研究中的髋骨骼移植。需要更先进的软件，利用CT扫描中的到的骨密度读来得到准确地几何图形和密质骨性能的变化。需要应用ansys软件对骨骼移植进行分析。

（3）选择植入横截面和几何尺寸时必需十分仔细，采用一个笔直支撑剖面和一个平行中剖面而得到的数据可能会与与实际移植和预期更为接近。内侧和外侧斜坡剖面， 以及移植接口区域和表面区域的不同，引入了一些变量，这使得分析和得出数据都变得复杂了。endprint