钛及钛合金植入物表面载铜微弧氧化涂层研究进展

刘晋珲

（西南医科大学附属医院，四川 泸州 646000）

20世纪70年代初，钛及其合金因其高比强度、耐蚀性和生物相容性，开始取代不锈钢作为医用植入材料。然而钛及其合金本身是惰性的，无法实现有效的抗菌和促进成骨，这可能导致植入物失败，给患者带来极大的痛苦和沉重的经济负担。通过对钛及其合金表面进行表面改性可以解决以上难题。

目前，钛及其合金的表面改性包括多种技术：离子注入、等离子体喷涂、物理气相沉积和微弧氧化等。其中，微弧氧化是在钛基基底上制备多孔TiO2陶瓷涂层的一种有效且相对方便的方法。通过在氧化过程中将促进抗菌和成骨的元素添加到电解液中，可以将抗菌元素掺杂到生物医学应用的氧化物涂层中。

本文对国内外钛及钛合金载铜微弧氧化涂层在抗菌性和成骨活性方面的研究进展进行调研和综述。

1 铜的抗菌性和成骨活性

铜（Cu）及其离子是公认的广谱抗菌剂，能够克服细菌耐药性。早在公元前2000多年的艾德温·史密斯纸草文稿就详细描述了古埃及人如何使用铜来消毒水和直接治疗伤口。而且铜是人体必需的微量元素之一，主要以含铜蛋白的形式存在，对维持人体正常造血功能、促进结缔组织生成及维持中枢神经系统健康等有重要作用，铜还具有多种生物功能，如刺激血管生成和成骨。因此，具有抗菌和成骨活性的铜元素在医疗领域受到广泛的关注和研究。

1.1 铜的抗菌活性

Kalaivani等人研究了掺铜硅酸钙（CaSiO3）涂层，并评估了其对大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抗菌性能。结果表明，纯粉末没有表现出抗菌性能，而随着掺杂涂层中铜含量的增加，抗菌活性逐渐增强[1]。Akhtar等人用铜/壳聚糖复合物涂覆不锈钢316L，并评估其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果。发现铜/壳聚糖复合物对这两种菌株在3h后都有很强的抑制作用,没有细菌生长，24h后仍有这种作用[2]。Ren等人使用317L铜不锈钢对抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，其材料在2h后显示出一定的抗菌效果：对金黄色葡萄球菌的生长抑制率为20%，对大肠杆菌的生长抑制率为40%，12h后这一比例分别增加到80%和90%。24小时后，这种材料杀死了99%的细菌[3]。

1.2 铜成骨活性

体外研究表明，铜可以促进成骨分化。在细胞培养基中加入铜可以减少骨髓间充质干细胞的增殖，尽管它可以增加成骨分化的能力，诱导碱性磷酸酶（ALP）的早期表达和矿化[4]。Ren等人证明，含铜钢释放的微量铜具有明显的降低支架内再狭窄（ISR）、抗菌感染、抑制炎症细胞甚至促进早期成骨的生物学功能。与未掺杂的317L钢相比，317L铜钢在培养3天后，成骨细胞的ALP活性和成骨基因的表达，如I型胶原（COL-1）、骨桥蛋白（OPN）和Runt相关转录因子2（RUNX2）显著增加[5]。Burghardt等人在钛合金上制备了一种含铜镀层的复合材料。当Cu2+浓度为0.1mM时，MSC增殖受到刺激，ALP活性增加，大肠杆菌、骨保护素、骨桥蛋白表达增加，细胞矿化[6]。Wu等人制备了含铜的介孔生物活性玻璃支架，并在骨髓间充质干细胞（hBMSC）上测试了这些材料及其提取物。发现细胞中骨相关基因ALP、OPN和骨钙素的表达显著增加[7]。

2 微弧氧化

微弧氧化（Micro arc oxidation，MAO）也称为等离子体电解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation，PEO），是一种电化学表面处理工艺，可在某些金属上产生保护性氧化物涂层。微弧氧化设备主要由电解槽和氧化电源组成。以阀金属（钛、锆、钽等）及其合金作为阳极放入电解槽中，通电后在低电压下金属表面生成很薄一层氧化物绝缘层，当施加的电压超过某一临界值，电压从阳极氧化的法拉第区域进入高压放电区，这时绝缘膜上某些薄弱部位被击穿，浸在溶液里的金属表面可以看到无数个游动的弧光或火花，每个弧点存在时间很短，但等离子体放电区域瞬间温度很高，一般认为在2000℃以上。在此区域内金属及其氧化物发生不断的熔融凝固形成以基体金属氧化物为主、电解液成分为辅的改性陶瓷涂层。影响微弧氧化涂层属性的电参数主要有电流密度、电压强度、脉冲振荡和正负占空比等。通过改变这些电参数，影响微弧氧化工艺过程，如发生的电压击穿、基底的局部熔化和氧化、淬火和再结晶过程，进而显著影响涂层的微观结构和性能。形成的微弧氧化膜层与基体结合牢固，具有良好的耐腐蚀和电绝缘等特性。该技术具有操作简单和易于实现膜层功能调节的特点，而且工艺不复杂，不造成环境污染，是一项全新的绿色环保型材料表面处理技术，在航空航天、汽车、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。

通过向电解液中添加金属纳米颗粒或金属化合物，并利用微弧氧化技术可以将无机抗菌金属元素（如银、铜、锌）引入植入物表面。亦可以通过物理气相沉积、溅射、电沉积等手段结合微弧氧化技术，将无机抗菌金属元素引入植入物表面。把银、铜、锌等金属元素掺入微弧氧化涂层中，从而改善钛及其合金植入物抗菌性和成骨活性，现已成为植入物表面改性研究的热点领域。

3 载铜微弧氧化涂层研究进展

利用微弧氧化技术，通过向电解液中添加铜离子，可以获得载铜微弧氧化涂层。经研究发现，涂层显示出良好的抗菌性能和成骨活性。Zhu等人研究了通过在微弧氧化电解液中添加Cu(CH3COO)2·H2O制备的含铜TiO2层的抗菌和生物行为。含铜的TiO2涂层可以显著抑制金黄色葡萄球菌的粘附。体外生物学评价显示，与无铜涂层和钛板相比，含铜涂层上MG63细胞的粘附、增殖和分化能力增强[8]。Zhang等人同样通过在电解液添加Cu(CH3COO)2制备了不同铜含量的TiO2层。Cu掺杂TiO2涂层对金黄色葡萄球菌具有良好的接触杀灭和释放杀灭作用，抗菌活性与涂层中Cu2+的用量呈正相关。Cu2+可增加细胞内特异性蛋白质（如CTGF、a-SMA和Col I）的合成，表明对成纤维细胞转变为肌纤维化表型和分化为肌成纤维细胞有积极作用。在低浓度的铜（0.67 wt%）下，生成的TiO2层显示出成纤维细胞的粘附和增殖，而在高浓度下，由于细胞毒性，其显著降低[9]。Liang等通过含乙二胺四乙酸铜钠的电解液向微弧氧化层中掺杂1.92 wt%的铜，涂层没有细胞毒性。MAO样品在Hanks'S溶液中浸泡14天后，对金黄色葡萄球菌的抗菌率仍保持在100%，而对大肠杆菌的抗菌率在浸泡8天后下降到92%，浸泡14天后下降到12%，显示出长期的抗菌能力[10]。Shimabukuro等在含有氯化铜的电解液中，通过MAO处理，在钛表面成功地制备含铜的多孔氧化涂层。从氧化涂层释放的铜离子量小于ICP-AES的检测限，对成骨样细胞的增殖和钙化没有有害影响。使用革兰氏阳性和革兰氏阴性兼性厌氧菌评估抗菌性能，证实了含铜氧化涂层抗菌性能。在生理盐水中浸泡28天后，仍存在抗菌性能[11]。Rokosz等在四种含有Cu(NO3)2·3H2O的电解质中进行微弧氧化。发现电解液中Cu(NO3)2·3H2O浓度越高，涂层的粗糙度越高。涂层中的铜导致所制备的涂层具有抗菌和杀菌性能，可用于生物相容性应用[12]。

部分研究是通过在电解液加入含铜纳米粒子（CuNPs），制备载铜微弧氧化涂层。Yao等通过在含有CuNPs的电解液中对钛进行微弧氧化，制备了掺铜抗菌TiO2涂层。结果表明，CuNPs不仅分布在涂层表面和孔隙内部，而且还嵌入到涂层中。Cu主要以Cu2+状态存在于TiO2涂层中。Cu掺杂涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有优异的抗菌活性[13]。同样的，Zhang等人通过微弧氧化在钛表面沉积了掺有不同量CuNPs（指定为0Cu、0.3 Cu和3.0 Cu）的多孔涂层。CuNPs涂层样品对金黄色葡萄球菌具有优异的抗菌活性。体外细胞相容性评价显示，铜和0.3Cu对成骨细胞没有毒性，但3.0Cu具有细胞毒性。0.3Cu促进成骨细胞增殖和粘附，增强细胞外基质矿化，但对碱性磷酸酶活性（ALP）和胶原分泌影响不大。0.3Cu和3.0Cu对内皮细胞均无细胞毒性，促进细胞增殖。从CuNPs掺杂的TiO2涂层中观察到内皮细胞产生一氧化氮（NO）和分泌血管内皮生长因子（VEGF）[14]。

通过结合其他表面改性技术，也可将铜掺杂进微弧氧化涂层里。Huang等人通过将微弧氧化和水热处理相结合来制备掺铜TiO2涂层，研究其对巨噬细胞的调节作用。Cu2+释放和材料表面可激活巨噬细胞内不同的信号通路。涂层表面Cu2+的释放可通过铜转运信号激活促炎性M1巨噬细胞。体内实验结果证实了铜诱导的炎症反应与增强成骨之间的正相关关系[15]。Durdu将微弧氧化和物理气相沉积-热蒸发技术结合起来，在纯钛表面制备了一种新型的铜基TiO2涂层。研究了涂层的体外生物活性和体外抗菌性能。在模拟体液（SBF）中浸泡28天后，与MAO表面相比，含铜MAO涂层的体外生物活性增加。分别对革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌）细菌进行28天的细菌粘附试验。结果表面，与MAO表面相比，含铜MAO涂层的抗菌性能显著提高[16]。Burghardt等人通过电镀铜到微弧氧化层上，并通过喷砂减薄涂层到合适厚度。发现释放铜离子的钛植入物在植入物表面附近较高浓度的铜可以有效地对抗细菌感染，并且当铜离子浓度因扩散而降低时，可以促进骨再生。铜在0.1mM左右的窄浓度范围内刺激间充质干细胞（MSC）的增殖。当细胞在成骨分化培养基中培养时，相似的铜浓度可促进MSC的成骨分化。我们观察到碱性磷酸酶（ALP）活性增加，I型胶原、骨保护素、骨桥蛋白表达增加，最终细胞矿化[17]。Wu等人采用微弧氧化法在预溅射的CuTi薄膜上制备了不同铜浓度的抗菌TiO2涂层。研究了CuTi膜中Cu浓度对微弧氧化过程的影响。Cu主要以CuO的形式存在于TiO2涂层中。Cu-TiO2涂层表现出优异的抗菌活性，并且随着MAO涂层中Cu浓度的增加，抗菌率逐渐上升。微弧氧化涂层的耐蚀性也略有提高[18]。

4 总结

微弧氧化技术应用广泛的一个重要原因是能够通过该技术开发出具有多种化学成分的多孔涂层。微弧氧化技术将铜有效地引入到植入物表面，成功地解决了钛及其合金植入物存在的感染和成骨活性差的问题。大部分研究是有关载铜微弧氧化涂层的体外抗菌性能和成骨活性。

虽然在体外实验中取得一些成果，但相关动物体内实验和临床试验研究相对较少。未来应该对载铜微弧氧化涂层的短期及长期抗菌活性、成骨活性进行有效评价，并通过大量的动物和临床实验去证实，只有这样载铜微弧氧化涂层才能进入临床应用，具备实用价值。总体上，目前载铜微弧氧化涂层研究仍处于初级阶段，许多技术上的难题还需进一步研究解决。