微弧氧化技术制备钛基种植体表面涂层的研究进展

王欢 刘洋 戚孟春 李静怡 刘梦楠 孙红

1.华北理工大学口腔医学院 唐山 063210；

2.华北理工大学基础医学院 唐山 063210

钛及其合金因优越的机械性能以及生物相容性，被广泛用作牙科种植体、整形外科骨组织修复替代材料等。但在生物环境中，钛及其合金由于表面生物惰性，很难诱导快速的成骨和牢固的固定，影响种植体与骨周围组织的骨性连接，从而影响种植体成功率[1]。此外，种植体植入后的细菌感染也是潜在的破坏性并发症之一，最终导致种植失败[2]。因此，各国学者尝试采用多种表面修饰技术，例如喷砂酸蚀（sandblasted and acidetched）、选择性激光熔覆、阴极氧化、磁控溅射等方法赋予种植体表面更好的生物学性能。在众多表面修饰技术中，微弧氧化（micro-arc oxidation）技术因操作方便、成本低，能有效调整所制备表面涂层的微观结构和元素，提高种植体的成骨性和抗菌性，提高种植成功率，成为热门的种植体表面改性技术。本文就微弧氧化技术制备钛基种植体表面涂层及其成骨性和抗菌性的研究进展进行综述。

1 微弧氧化

微弧氧化又被称为等离子体氧化，是在阳极氧化基础上发展起来的表面改性技术。以钛作为阳极，通过高压电源使阳极表面产生瞬间高温、高压，在电解液中发生弧光放电，从而在阳极表面制备出多孔二氧化钛（TiO2）生物活性陶瓷涂层。该TiO2涂层从基体内部反应，以冶金方式原位生长，涂层与基体结合紧密，有较好的结合力，不易脱落[3]。

在使用微弧氧化制备涂层的过程中，反应电压、反应时间、反应温度、电解液成分等因素均会影响涂层的表面形貌和成分，从而影响种植体表面性能[4-9]。

1.1 反应电压的影响

随着反应电压的增加，涂层的微孔密度减小、尺寸增大，且呈现出促细胞增殖能力和碱性磷酸酶活性；但过高的电压会导致氧化层轻微开裂，表面变得不规则和粗糙，甚至涂层剥落，从而导致涂层失去相应功能。

1.2 反应时间的影响

氧化反应时间的增加可使微孔数量减少，而涂层的微孔尺寸和粗糙度显著增加，从而促进了种植体表面细胞增殖、黏附，具备更高的生物活性。但过长的氧化反应时间会导致涂层孔隙间产生裂纹，从而影响涂层与基体的结合强度。

1.3 反应温度的影响

反应温度也会影响涂层形态，溶液温度过低，可以导致TiO2涂层产生裂纹；溶液温度过高，则会导致TiO2涂层形成液滴状结构，不能形成多孔结构。

1.4 占空比的影响

在应用微弧氧化技术时，占空比也可影响制备涂层的物理形貌。随着占空比的增大，孔隙直径也随之增大，从而影响所制备涂层的生物学功能。

1.5 电解液成分的影响

在电解液中增加电解质，可以显著影响微弧氧化技术制备涂层时所需的氧化反应时间及反应电压，证明电解质组成、微观结构和性能之间具备相关性。

2 微弧氧化制备不同显微物理形貌的种植体

微弧氧化技术可以相对简单、高效地在钛金属表面制备具有较高生物活性和结合强度的多孔TiO2陶瓷涂层。多孔、粗糙的形态可产生更高的比表面积，提高种植体与宿主骨之间的接触面积和增加种植体表面亲水性，并为细胞生长和骨形态发生蛋白提供大量的附着点，从而为细胞的生长提供了一个合适的微环境[10]，促进成骨细胞在材料表面的黏附，从而促进新骨形成和种植体骨整合[11]。

通过微弧氧化技术可在种植体表面制备与天然骨结构更为相似的分级混合微-纳米结构涂层，可以更好地模拟天然细胞外基质的结构，为骨细胞的黏附提供更佳生物学性能的表面[12]。研究[13-14]发现，通过微弧氧化法在钛基种植体表面制备直径3～10μm的多孔形态具有更好的表面能，促进白蛋白附着，增强细胞黏附性，可以促进骨髓间充质干细胞的黏附和成骨分化。有学者[15]提出与天然骨结构更为相似的分级混合微-纳米结构，该双尺度结构对成骨细胞活性有协同作用，为骨组织的细胞功能提供更合适的表面环境，提高了骨传导率。Zhang等[16]通过微弧氧化技术制备出孔径0.5～3.0μm的大/中孔结构TiO2涂层，发现该涂层可能通过RhoA/ROCK通路影响成骨细胞样细胞增殖和分化，基于该结构的拓扑诱导反应促进了细胞初始黏附、增殖和分化；该层次结构的涂层在骨科和牙科种植体方面具有很大的应用前景。

微弧氧化技术制备的“脑回型”TiO2涂层为微槽与纳米颗粒结合在一起的双尺度结构，具有超亲水性。Zhou等[17]也通过实验证明该种“脑回型”涂层具有良好的微观结构和超亲水性，具有良好的成骨性。Li等[18]也通过微弧氧化成功制备“脑回型”结构的TiO2涂层，结果表明该涂层能显著促进细胞黏附、扩散和分化，增加基质矿化；用杂种狗进行的体内实验表明，“脑回型”涂层可促进骨整合，预示该涂层可能有助于更高水平的种植成功。

3 微弧氧化法固定功能离子改良种植体表面功能

含不同功能元素的表面改性种植体可以同时具有良好的骨整合性能以及抗菌性能，并在生物医学领域得到了广泛的应用。微弧氧化法可通过放电的方式将电解液中的功能元素掺入种植体表面的氧化层中，而非仅仅沉积于氧化层表面；涂层与种植体基体结合紧密，掺入的功能元素可提高钛种植体的微弧氧化膜层生物学活性，并赋予膜层促成骨活性及抗菌活性。而这一特点是其他传统改性技术所不具备的，例如喷砂酸蚀技术通过表面减法仅能改变钛基种植体的表面形貌[19]，而微弧氧化技术则能在表面改性的同时掺入不同元素。

3.1 锶（Sr）

Sr是一种沉积在骨组织的微量元素[20]。研究[21]结果表明，Sr离子可抑制破骨细胞的吸收活性，减少骨吸收，增强骨胶原合成，影响骨重建吸收和骨形成。因此，采用微弧氧化将Sr载入涂层中，改善涂层的成骨性能。Yan等[22]制备的Sr-HA种植体表面涂层，可改善涂层周围骨微结构，加速骨-种植体的融合。Sato等[23]在微弧氧化电解液中加入乙酸锶半水化合物，制备的掺Sr涂层可促进细胞成骨分化及钙化，改善种植体骨整合。

3.2 银（Ag）

Ag是一种强效非特异性广谱抗菌剂，有主动抗菌和长期抗菌的性能，且不易产生耐药性[24]。采取微弧氧化技术将适量的Ag或其衍生物掺入种植体表面，使TiO2多孔涂层在发挥良好的生物活性的同时具备优异的抗菌效果。Song等[25]通过采用微弧氧化技术掺入低浓度的Ag，呈现出良好的抗菌活性，并且未展现出细胞毒性。有学者[26]进一步调整Ag的掺入量，使微弧氧化多孔涂层同时具备良好的生物活性以及优异的抗菌效果。

3.3 铜（Cu）

Cu及纳米Cu颗粒在一定浓度下具有抗菌性能和生物活性，并且不产生细菌耐药性[27-28]，通过微弧氧化技术将Cu应用于种植体的表面修饰，赋予种植体抗菌性能。Chang等[29]通过微弧氧化技术制备多孔纳米级的含Cu离子的TiO2涂层，通过体外实验证明该涂层对金黄色葡萄球菌有抑制作用，并且可以促进成骨细胞黏附、早期增殖和后期分化。同样，Huang等[30]采用微弧氧化技术在钛基板上制备了含Cu陶瓷涂层，研究发现该涂层表面可以调节成骨样细胞分化的微环境，可增强巨噬细胞介导的成骨作用和杀菌能力，从而增加种植体表面的抗菌性能。Cu纳米粒子在相对较低的浓度下具有较好的抗菌活性[31]，故通过微弧氧化技术将Cu纳米粒子固定于种植体涂层，可赋予涂层良好的抗菌性能。Yao等[32]采用微弧氧化技术在不改变涂层微观结构和相组成的前提下，将Cu纳米粒子成功融入多孔涂层的表面及内部，制备了一种载Cu纳米粒子的微弧氧化多孔抗菌涂层，并通过体外实验证明该涂层具有双重抗菌机制（接触灭菌和释放Cu离子灭菌），呈现出优良的抗菌活性。

3.4 锌（Zn）

Zn是骨代谢和骨生成的重要微量元素，并在核酸代谢、基因表达和信号转导等诸多生理过程中起着至关重要的作用[33]。Yu等[34]采用微弧氧化技术在含葡萄糖酸锌的电解液中制备了含Zn多孔TiO2涂层，通过研究证明该涂层有潜在的生物学活性和抗菌活性。Rokosz等[35]制备的含Zn涂层同样能发挥良好的抗菌作用。

4 微弧氧化法联合其他表面处理技术改良种植体表面性能

近年来，众多学者通过微弧氧化技术与其他表面技术的联合应用对种植体进行表面改性，使种植体表面获得多种生物学功能。不同技术与微弧氧化技术的联合应用可分为2种类型：1）通过其他技术辅助微弧氧化技术，改善微弧氧化制备涂层的物理形貌，从而增强种植体生物学性能。Li等[36]研究通过超声辅助微弧氧化技术，增加了制备涂层的厚度，使涂层厚度由76.22μm增长到81.64 μm，从而获得更佳的表面物理形貌。2）通过微弧氧化技术制备多孔形貌，后联合其他方法掺入功能性元素，赋予种植体表面多种生物学功能。Lee等[37]采用微弧氧化联合阴极还原两阶段方法制备出含Ag多孔涂层，将Ag掺入涂层中，使涂层具有良好的抗菌性能，且由于微弧氧化技术所制备的多孔涂层具有促进细胞生长作用，从而可抵消掺入Ag所带来的细胞毒性。He等[38]通过磁控溅射载Ag联合微弧氧化载Sr，成功制备同时含有Sr和Ag的种植体涂层，并通过体外实验证明该涂层具有良好的抗菌活性和良好的细胞相容性，增强成骨细胞的黏附和分化能力，使该种植体同时具备促成骨性能和抗菌性能。

5 微弧氧化一步法赋予种植体表面多种生物性能

随着微弧氧化技术的不断发展，有学者更热衷于研发更加便捷有效的表面处理方法，微弧氧化一步法可将2种及以上不同功能的元素同时掺入多孔TiO2涂层中，使所制备的涂层同时具备相应的功能，较联合多种方法更为简单方便，逐步成为当今的研究趋势。Zhao等[1]通过微弧氧化一步法，在电解液中同时加入葡萄糖酸锌和葡萄糖酸锶，均匀一致地将2种不同功能元素Zn和Sr同时固定于种植体表面的多孔TiO2膜层内部，且分布均匀，实验证明该涂层可促进成骨细胞的黏附、增殖、分化和矿化，提高涂层与骨组织的早期骨整合，具有良好的生物学活性；同时抑制了葡萄球菌的增殖，具有良好的抗菌活性。Liu等[39]采用微弧氧化技术在钛表面制备了Zn和Ag纳米粒子共掺杂的微孔TiO2涂层；实验表明该涂层能显著抑制金黄色葡萄球菌对该表面的黏附，减少培养基中浮游细菌的数量，证明Zn和Ag共掺杂的TiO2可以作为一种具有长期抗菌性能的生物活性涂层。

6 总结和展望

综上所诉，微弧氧化可制备功能多样的种植体表面涂层。可通过控制电压、反应时间、反应温度等影响因素，制备具有不同表面形貌的TiO2涂层，从而改善种植体表面的生物学活性，也可以通过改变电解液成分，进而影响所制备涂层的功能；另外，微弧氧化技术的研究逐渐由单一技术向与其他多种技术联合应用，由一步法引入单一元素向引入多种不同功能元素发展；该技术研究的深入具有重要的理论意义和广阔的临床应用前景。

尽管微弧氧化技术的发展前景是非常可观的，但通过微弧氧化法大规模快速制备稳定的种植体涂层相关的影响因素还不确定。对于微弧氧化一步法制备含多种功能元素的研究仍存在不足，缺少研究理论和实验数据。在制备表观形貌、不同元素载入量以及所展现的实际功能活性等方面尚需要进一步探索。制备兼具良好促成骨活性和抗菌活性的种植体，既能促进种植体骨结合，又能防止种植体周围炎，降低因细菌感染导致的种植体失败率，提高种植体长期成功率的种植体表面多功能涂层，仍然是目前研究的主要目标。