用于人工髋关节领域的表面涂层评价方法

张家振 翟豹 闵玥 田佳鑫 刘斌

1 前言

人工关节是为替代已失去功能的关节而设计的一种人工假体，目前应用于临床的包括：人工髋关节、人工膝关节、人工肩关节、人工肘关节、人工踝关节等[1]。2014年，我国人工关节置换术总量已达近40万例，其中近60%为人工髋关节置换。人工髋关节置换术是治疗股骨头坏死、髋关节发育不良、退变性髋骨关节炎、类风湿性关节炎等疾病终末期病变的最重要和最有效的手术之一[2]，其良好的临床效果为越来越多的中青年患者在治疗上提供了更多的选择。年轻患者活动能力强、假体期望寿命长，对于中青年患者初次THA术中通常使用初始稳定性好、骨长入效果更佳的生物固定型假体。生物固定型全髋关节置换的临床疗效通常被认为与假体初始固定、表面涂层、假体材质、以及关节摩擦界面等因素密切相关，其中与假体初始固定密切相关的表面涂层状态至关重要[3]。

人工全髋关节假体通常包含：股骨柄、股骨头、髋臼内衬、髋臼杯；股骨头通常为CoCrMo或高性能陶瓷制成，髋臼内衬通常为超高分子量聚乙烯、高交联超高分子量聚乙烯或高性能陶瓷制成；生物型股骨柄通常选取弹性模量较低、生物相容性好的 Ti6Al4V合金为基体，柄身部分结合多孔涂层；生物型髋臼杯通常选取Ti6Al4V合金或纯钛为基体，外侧结合多孔涂层。

生物型髋关节中的多孔涂层由圆钛珠、钛粉、磷酸钙陶瓷等通过相应工艺制备，多孔涂层的制备方法包括：高温烧结或扩散连接、等离子喷涂、电泳沉积等。

1980年，Bobyn等人通过烧结工艺制备不同孔隙直径的多孔涂层（见图1），以研究不同孔径对植入物多孔表面骨长入效果（见图2）和固定强度的影响，结果表明孔径在50-400 m范围的多孔涂层可以在短时间（8周）提供最佳或最大的固定强度（17MPa）[4]。

图1，不同尺寸烧结珠多孔涂层示意图[4]。

图2，剥离试验带有宿主骨的植入物SEM照片[4]。

多孔涂层的空间三维结构具有较高的孔隙率、理想的孔径、较高的摩擦系数及较低的弹性模量，这些特性可增加骨长入的速度和深度以及改善初始的稳定性，使植入物具有更好的骨整合和生物固定效果。等离子喷涂涂层形成粗糙度较大的表面形貌，有利于骨长入或骨长上，以提高植入假体的稳定性。各大关节厂商和加工服务提供商纷纷推出自己的表面涂层产品（见图3），常见的涂层类型包括金属烧结多孔涂层、等离子喷涂金属多孔涂层、等离子喷涂磷酸钙涂层、金属/磷酸钙复合涂层等。

图3，多孔涂层形貌图：A Depuy公司的Gription涂层（采用圆钛珠打底，表面烧结不规则钛颗粒）；BOrchid公司的ASYMMATRIX涂层。

但是，表面涂层技术也存在一些问题，例如，烧结涂层工艺会导致假体基体材料疲劳强度显著下降，等离子喷涂金属涂层中O和N元素含量增高会造成金属涂层脆性增大，等离子弧会导致羟基磷灰石高温分解或结晶度下降等。因此，需要建立评价方法，表征表面涂层技术制备的涂层的各项性能是否满足临床需求。此外，诸如烧结工艺制备的多孔涂层，虽然具有较好的三维孔隙结构，但是工序流程多、生产周期较长。近年来增材制造技术在该领域凸显其优势，可由钛合金粉末通过高能束加工实现髋臼杯杯体与外侧多孔结构的短流程、近终形的制备。未来可能成为一种重要的人工髋关节表面涂层技术，被人工关节制造商采用，国内已上市产品如爱康公司的3D打印髋臼杯[5]（见图4）。

图4，3D打印髋臼杯[6]。

目前，ISO和ASTM标准技术委员会分别建立了一系列表面涂层评价方法标准，用于表征包括涂层形貌学、静态剪切强度、剪切和弯曲疲劳强度、耐磨损性能、羟基磷灰石涂层相含量、溶解性等性能。本文旨在针对应用于人工髋关节领域的各种表面涂层技术，建立科学合理的体外评价方法，用以评价表面涂层的临床安全性和有效性。

2 髋关节多孔涂层的评价

对髋关节涂层的评价应遵循国内外相关的指南文件[7,8]、国际、国内及行业标准进行，如无特别声明，对涂层的评价项目均针对最终产品，当产品因无法取样用于测试时，方可选取相同工艺的试件。制造商应制定原材料的规范，如基体的材料牌号及符合的标准、表面粗糙度等信息。钛及钛合金粉末参照ASTM F1580标准[9]规定粉末化学成分、杂质含量、颗粒大小、粒径分布等信息，羟基磷灰石参照 ASTM F1185标准[10]及 YY0303标准规定颗粒的化学成分、重金属含量、HA的含量、Ca/P比、颗粒大小、粒径分布等信息， -磷酸三钙参照ASTM F1088标准[11]规定颗粒的化学成分、重金属含量、 -磷酸三钙的含量、Ca/P比、颗粒大小、粒径分布等信息。

制造商应明确喷涂、烧结、电泳沉积等制备涂层的工艺方法，以及后处理措施，如用于改善喷涂之后磷酸钙涂层结晶度和纯度的退火或固溶处理的详细过程等。

2.1 涂层成分及体视学评价

制造商应关注涂层和基体的化学成分和显微组织（晶粒尺寸、相组成等）经加工前后的变化，尤其是工艺过程中引入的杂质元素；并充分参考现有国际国内标准及文献资料。以羟基磷灰石涂层为例，按照ISO13779-2标准[12]《外科植入物羟基磷灰石第2部分羟基磷灰石涂层》的要求，应进行元素分析，其Ca/P比的范围介于1.67-1.76之间，重金属元素的极限含量（见表1）。

表1，磷酸钙涂层重金属元素的极限含量

在结晶相中，羟基磷灰石结晶相含量不少于 50%， -TCP、 -TCP、 TTCP、CaO结晶相允许的最大含量为5%；羟基磷灰石的结晶度不低于45%。

涂层的表面形貌与假体初始固定和后期骨长入效果密切相关，制造商应明确涂层层数、孔径范围和粗糙度，规定对涂层厚度、孔隙率、平均孔隙截距、涂层界面梯度的要求，并参照ASTMF1854标准[13]的方法制定评价指标（见图5）。

图5，ASTM F1854体视学测试方法示意图，A涂层厚度测量示意图；B涂层空隙率测量示意图；C涂层平均空隙截距测量示意图；D涂层界面梯度测量示意图。

2.2 涂层机械性能评价

髋关节表面涂层优良的机械性能可以应对人体在活动中的力学挑战，以保证产品植入身体后的安全性和有效性。常见的涂层机械性能测试方法包括：涂层的剪切疲劳试验、涂层静态剪切强度测试、涂层与基体间拉伸强度测试、弯曲疲劳试验、涂层磨耗试验。通过系列试验可确定不同材料、表面条件、应力等因素下涂层服役的可靠性。

涂层的剪切疲劳试验可参照 ASTM F1160标准[14]，其目的是确定涂层在107次正应力循环下的抗疲劳性能，以及涂层的结合强度和耐久性，试验装置（见图6）。制造商应根据涂层类型，参照同类产品及标准制定涂层的剪切疲劳强度，如ISO13179-1标准[15]中规定等离子喷涂纯钛涂层107次正应力循环下的疲劳剪切强度为10 MPa。

图6，涂层的剪切疲劳试验测试装置示意图。

涂层静态剪切强度测试参照 ASTM F1044标准[16]，评价连续磷酸钙涂层或金属涂层对于基体的剪切力或剪切后平行于水平面的涂层间的结合力。制造商应根据涂层类型，参照同类产品及标准制定涂层的剪切强度，如FDA关于指南文件[17]中规定，金属涂层与基体结合界面的静态剪切强度不低于20 MPa。

涂层静态拉伸强度测试参照 ASTM F1047标准[18]（见图7），评价连续磷酸钙涂层或金属涂层对于基体的附着力或涂层间的结合力。制造商应根据涂层类型，参照同类产品及标准制定涂层的拉伸强度，如 FDA关于指南文件中[8,17]规定，金属涂层与基体结合界面的静态拉伸强度不低于22 MPa；ISO13779-2标准[12]中规定，羟基磷灰石涂层与基体的粘结强度不低于15 MPa。

图7，涂层与基体间拉伸强度测试装置示意图。

弯曲疲劳试验可评价基体结合涂层后的耐疲劳性能，也可为涂层粘结效果（即抗破碎、抗裂纹等）提供一个主观评价，进而评价涂层制备工艺及参数的合理性。试验方法可参照 ASTM F1160标准[14]，磷酸钙涂层、金属多孔和非多孔涂层、金属/磷酸钙均可进行该试验。

涂层的耐磨性试验按照ASTMF1978标准[19]进行磨耗试验（见图8），利用装载H-22砂轮的泰伯磨损机，并使用250 g的总负荷，每个样品应当运行至少100个周期。热喷涂涂层在磨损100个周期后，其质量损耗的总值应当小于65 mg（按重量计）。

图8，泰伯磨耗试验示意图。A泰伯磨耗试验机；B试验前测试样品，C试验后测试样品。

2.3 涂层稳定性及耐腐蚀性评价

对于磷酸钙类涂层，还应按照ASTMF1926标准[20]，对喷涂后的涂层的溶解度和溶解速率进行试验，研究其在TRIS缓冲溶液中的体外溶解特性[21]，并与喷涂前的颗粒溶解特性相对比。

除关注涂层的机械性能外，还应关注其耐腐蚀性能，已有研究证实Ti6Al4V合金其中的V、Al是对生物体有潜在毒副作用的元素[22]，特别是V的生物毒性要超过Ni/Cr，如出现过度腐蚀，会导致腐蚀产物进入人体组织，引起严重周围组织毒性反应，导致植入假体松动及翻修。

对于基体和涂层的成分不同的金属等离子喷涂涂层，由于不同金属间的腐蚀电位不同，可能引起电偶腐蚀；电子束熔融增材制造的产品，垂直于打印方向的面上的钛合金由于 +相界面积大， 相含量较高，且优先被溶解，造成其开路电位、腐蚀电位和钝化电流密度较低，耐腐蚀性较锻件有所下降[23]。

制造商在开发涂层产品时，如预期匹配的组合没有骨科植入物领域的成功应用，应在产品上市前认真评估其风险，除关注不同材质界面间是否存在腐蚀现象和使用电化学法确定腐蚀电位（Ecorr）及腐蚀速率（Icorr）外，还应进行产品的金属离子析出试验，测定离子析出浓度并进行安全性评价。

2.4 涂层生物相容性评价

人工髋关节假体上的涂层，应按照GB/T16886系列标准进行生物学评价，必要时开展生物学试验，试验项目（见表2）。

表2，GB/T16886系列生物学试验

如果多孔涂层在成分、相组成、形态学等方面与已上市涂层产品无可比性，还应通过动物实验及适当的组织学分析，证明其在体内的骨长入效果（长入深度、结合强度）或是否会引起周围组织的损伤。

3 涂层工艺的评估

制造商除对涂层的成分、微观组织、机械性能、生物学性能等进行研究外，还应评估涂层工艺对产品力学性能的影响。以高温烧结产品为例，涂层制备需要在高温环境中长时间加热促进涂层与基体的冶金结合，高温环境会使基体晶粒长大，显微组织为粗大的网篮状组织和魏氏组织，烧结态股骨柄力学性能显著降低[24]。为保证人工髋关节类产品的安全有效性，制造商除可按照ASTM F1160标准进行试件弯曲疲劳试验以评价基体结合涂层后的耐疲劳性能，还应提供应选取其烧结产品部件中的“最差情况”按照ISO7206系列标准[25,26,27]进行产品的疲劳试验，如根据ISO 7206-4进行股骨柄的柄部疲劳试验；根据ISO 7206-6进行股骨柄的头颈部疲劳试验；按照ISO 7206-12标准进行金属髋臼抗变形试验。

4 结语

随着临床医学和材料科技的进步，表面涂层技术在关节假体领域得到了成功应用，业界和监管机构也将更多的关注涂层在关节临床中的应用与评价。随着基础研究与临床应用结合的不断加快，未来将会涌现出新的多孔涂层产品，除本文中提及的方法外，将会有更多与之相适应的方法应用于涂层评价。然而，目前的表面涂层评价方法仍然有许多不足，通过体外评价方法获得的表面涂层的形貌学、力学性能和生物学性能与人工髋关节临床安全有效性的关联性和可接受指标仍然有待继续研究确立。因此，需要加强基础研究能力，制定科学的技术指标和试验方法，以确保产品的安全有效性，同时也为注册申报提供充分的支持性数据。

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