热喷涂生物陶瓷涂层的研究进展
郑学斌, 谢有桃
无 机 材 料 学 报
摘 要: 采用热喷涂技术在金属(合金)基材表面制备的生物陶瓷涂层, 兼具金属材料较高力学强度和陶瓷材料优良生物学性能, 作为骨植入材料的研究和应用备受关注。本文介绍骨植入涂层材料的研究概况, 重点阐述热喷涂羟基磷灰石(HA)涂层的研究现状, 并概述新型生物活性硅酸钙陶瓷涂层的研究进展。
关 键 词: 热喷涂; 等离子体喷涂; 羟基磷灰石涂层; 硅酸钙涂层; 综述
生物医用材料研究与人的健康密切相关, 可促进经济发展和社会进步。骨植入材料是生物医用材料的重要组成部分, 大约占生物材料产品市场的五分之一。随着社会老龄化进程的加速, 以及交通、自然灾害等导致的骨伤事故增多, 对骨植入材料的需求日益增加。
钛及其合金、钴铬钼合金和不锈钢是临床上常用的金属骨植入材料。第二次世界大战前后, 人们即采用金属材料进行关节置换[1]。1963 年英国Charnley 医生采用金属和高分子材料相结合的方式开展全髋关节置换术。临床使用的金属材料不具生物活性, 与骨组织结合需要改善。对金属植入体进行表面改性, 是改善其生物学性能的可行途径[2]。热喷涂技术是常用的表面改性手段之一, 其制备的生物医用涂层主要有金属氧化物涂层(Al2O3、ZrO2、TiO2等)、生物玻璃涂层、多孔钛(Ti)涂层、生物活性羟基磷灰石(HA)涂层等。钛和羟基磷灰石涂层已广泛应用于临床实践。近年来, 硅酸钙类生物陶瓷涂层的研究亦受到人们的重视。
本文综述骨植入生物涂层材料的概况, 重点介绍了临床实践中获得应用的热喷涂 HA 涂层和新近发展的硅酸钙生物陶瓷涂层。
1 骨植入生物涂层材料概述
植入人体的生物材料, 与体内组织和体液直接接触, 其表面特征决定其生物功效。植入体进入生命系统, 蛋白质率先在其表面粘附; 细胞受蛋白质调控而增殖、整合形成组织(图 1)[3]。骨植入材料的表面特性对于其与骨组织间的固定至关重要。研究表明, 植入体材料表面的微观结构和化学组成, 和其与骨组织细胞以及细胞外基质的联结相关[4]。对钛合金等金属骨植入体进行表面改性, 优化其表面结构和组成, 可改善材料表面的物理和化学性能以及生物功能。对骨植入体进行表面粗化, 可以增强其与骨组织间的物理固定。简单的方法是表面喷砂处理[5]。
经喷砂处理后的钛植入体与骨组织的结合强度要明显高于纯机械加工的植入体[6]。为了改进生物固定效果, 植入体表面需要构建多孔结构[7]。利用球状钛颗粒或钛丝涂布在金属基体表面, 经真空烧结可获得三维连通的多孔结构。烧结生成的微孔直径为100~300 μm, 空隙率可达 40%~55%。制备多孔钛涂层的常用方法还有热喷涂, 特别是等离子体喷涂。
钛或其合金粉末经高温等离子体熔融后喷涂到金属基体表面, 即形成钛涂层。采用真空等离子体喷涂(VPS)方法制备的钛涂层已获临床应用[8]。但钛涂层不具生物活性, 在体内难以与骨组织直接产生化学键合, 早期固定效果较差。对钛涂层进行活化改性,可赋予其生物活性。碱溶液浸泡处理的钛涂层具有生物活性[9], 与其表面生成的 Ti–OH 基团相关[10]。植入狗皮质骨 1 个月后, 改性钛涂层与骨接触率达60.5%, 明显比原始钛涂层高, 但 3 个月后两者比较接近, 均约为 65%[11]。
可用于骨植入体表面改性的生物材料种类较多,主要有生物玻璃[12]、氧化锆[13]、氧化钛[14]、磷酸钙[15]等。由于与骨的无机成分接近, 磷酸钙类材料用于骨植入体表面改性的研究报道较多。采用磷酸钙喷砂处理, 不仅增加钛植入体粗糙度, 亦在其表面添加钙和磷元素, 促进了新生鼠颅骨成骨细胞前体细胞系 MC3T3-E1 在其表面的生长繁殖[16]。以磁控溅射法在Ti-6Al-4V基材表面沉积磷酸三钙(TCP)薄膜,并进行退火处理, 进而研究其在 PBS (Phosphate buffered saline)缓冲溶液中的降解行为, 发现退火处理可显著改善薄膜的稳定性。采用溶胶–凝胶(Sol-Gel)法在可降解 Mg4Y 合金表面制备磷酸钙涂层, 可改善其成骨细胞的相容性[17]。
羟 基 磷 灰 石 (hydroxgapatite, HA, 化 学 式Ca10(PO4)6(OH)2))具有与人体骨和牙齿主要矿物质成分类似的化学组成和晶体结构, 显示优良的生物相容性和生物活性, 是研究较多的磷酸钙类陶瓷材料[18]。采用涂层技术在医用金属基材上制备的 HA涂层材料, 可兼具金属优良的力学性能和羟基磷灰石良好的生物活性。采用放电等离子体烧结法于钛基材沉积 HA 涂层[19], 模拟体液(simulated body fluid, SBF)试验证实其具有良好的生物活性。电化学方法在Ti-6Al-4V基材表面制备的HA涂层, 植入美国狼狗肱骨近端松质骨, 4 w 后发现植入体表面有骨长入, 与骨组织间的结合明显改善[20]。
2 热喷涂羟基磷灰石(HA)涂层研究
热喷涂是指利用某种热源(如电弧、高温等离子体、燃料火焰等)将粉末或丝状材料加热到熔融或半熔融状态, 以一定速度喷射到经预处理的基体表面,沉积并形成涂层的一种技术。热喷涂技术包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子体喷涂、超音速火焰喷涂(HVOF)、爆炸喷涂, 以及近年发展的液相热喷涂等。1986 年, 荷兰人 Groot 等[21]和美国人 Kay[22]分别利用等离子喷涂技术成功制备了 HA 涂层。我国也于 1988年制备了含HA涂层的牙种植体[23], 并试用于临床。采用热喷涂技术制备的 HA 涂层–医用金属复合植入体克服了块体 HA 的脆性, 发挥了金属材料强度高、韧性好的特点, 提高了植入体的承载和抗冲击能力; 同时, 又利用了 HA 良好的生物活性, 使其能与骨组织更好地结合。等离子体喷涂 HA涂层是目前临床应用较多的骨替换材料, 特别是作为人工关节和牙种植体等受力部件。
2.1 HA 涂层的组成与性能
热喷涂 HA 涂层的组成与粉末原料通常有较大差异。热喷涂(尤其是等离子体喷涂)过程中, HA 粉末经高温焰流作用发生相变, 转变为非晶态或发生分解[24-25]。非晶态的形成是喷涂过程中的熔化颗粒在基底上沉积时急冷所致[26]。图 2 显示了 HA 与非晶相的界面[27]。HA 粒子在等离子体射流中的表面温度可达 2294~2707 K[28], 远高于 HA 的分解起始温度(1400℃); HA 分解产生的氧化钙和亚稳相磷酸四钙(TTCP)含量分别可高达 14.6%和 49.5%。TTCP会继续分解为 TCP 和 CaO。CaO 的存在导致体液局部 pH 值增大, 从而影响材料的生物相容性。为控制 HA 的分解, 人们分别从组分设计[29]、粉体筛选[24]、喷涂方式改进[30]、工艺参数优化[26]以及后处理[31]等方面进行研究。HA 涂层后处理是提高结晶度的重要方式。真空退火处理可将 HA 涂层的结晶度从44%提高到68%, 但处理温度超过600℃会使涂层应变增大、裂纹增多、结合强度下降[32]。蒸汽-火焰处理的 HA 涂层结晶度高达 98.7%[33]。但过高结晶度的 HA 涂层早期骨整合性能不佳[34]。
与常规大气等离子体喷涂(APS)相比较, 真空等离子体喷涂(VPS)技术具有射流速度快、温度较低、喷涂室气氛可控等特点, 可制备合适结晶度(60%~80%)的 HA 涂层。VPS 方法制备的 HA 涂层,植入羊松质骨 4 w 后与骨组织接触率达 68%, 明显优于对照 Ti 涂层组(46%)[8]。目前, 采用 VPS 技术制备的 HA 涂层已被广泛应用于临床实践.人体骨组织中含有少量 Na、Mg 元素及痕量成分如 K、Sr、Zn、F、Cl、Si 等。研究发现, 在 HA涂层中添加微量 F、Mg 等可明显改善其生物活性及生物相容性, 加速与人体骨组织的整合[35-38]。在 HA涂层中添加 Sr 不但可提高涂层的机械性能, 亦能较好促进骨细胞的增殖与分化[39-41]。Si 掺杂对于增加骨密度、促进 DNA 合成、加速骨细胞增殖, 以及提高碱性磷酸酶、I 型胶原和骨钙素的表达, 效果亦较明显[42-48]。
HA 与医用金属(特别是钛)间由于热膨胀系数失配, 两者的结合强度较低, 影响体内长期使用效果。制备复合或梯度涂层, 可有效改善涂层与基体之间的结合。HA 与 Ti(或 Ti-6Al-4V)复合或梯度涂层[49-50], 拉伸强度最高可达 40 MPa[51]。HA 涂层中复合金属组分, 特别是与基材相同组分的金属, 可提高其结合强度, 这主要是由于掺杂物的加入缓和了涂层与基材之间的热膨胀系数失配, 减小了残余热应力。另外, 掺杂物本身力学强度较高也是复合涂层结合强度提高的重要原因。HA 涂层中添加ZrO2[52-54]、TiO2[55-56]以及 SiO2[57]等复合组分, 均可不同程度地得到强化, 有时还能对其生物学性能产生积极影响。热喷涂 HA 涂层中添加抗菌组分可抑制骨植入过 程 或 术 后 的 感 染 . “ 生 物 材 料 诱 导 感 染 ”(biomaterial-centered infection)是植入体手术感染的主要模式之一[58]。为防止术后感染, 骨植入材料表面加 载抗 菌剂 的研 究受 到重 视[59-60]。庆 大霉素[61-62]、洗必泰[63]等抗生素均可用于植入体(包括HA 涂层)的抗感染。但植入体表面形成的生物膜会增加细菌对抗生素的抗药性, 导致药效降低。Ag、Cu 等广谱抗菌金属元素可用于植入体表面的抗菌改性[64-65]。VPS 方法制备的含银 HA 涂层, 对大肠杆菌、绿脓杆菌和金黄色葡萄球菌均具有显著的抗菌效果[66]。上述材料的动物实验显示, 含银 HA 涂层可有效防止伤口感染的发生[67]。有菌(金黄色葡萄球菌)条件下抗菌涂层(HA+3wt%Ag(HA3))和常规HA 涂层螺钉植入狗胫骨, 3 w后常规 HA 涂层螺钉组周围出现骨膜反应(见图 3), 而抗菌涂层组周围无炎症出现; 6 w时HA组与骨之间出现明显的钉痕,发生松动, 而抗菌涂层组与骨之间结合良好[68]。
2.2 纳米结构 HA 涂层
除骨植入材料表面组成影响生物学性能和临床效果外, 表面结构亦会影响其性能。近年来, 植入材料改性获得表面纳米化微观结构骨植入材料的研究报导较多。人的骨骼和牙齿是天然有机高分子和HA 纳米晶粒所组成的复合材料。将纳米技术和生物材料相结合, 可发挥材料表面的纳米特性, 使其与体内蛋白、细胞以及组织更加相容, 诱导积极的生物学反应。
在微米粒径的 HA 粉体中添加纳米 TiO2[26]、Al2O3[69]、碳纳米管(CNT)[70]等, 可赋予 HA 涂层纳米特征。采用喷雾干燥的纳米颗粒的 HA 粉体, 以HVOF 喷涂可获得表面纳米结构的 HA 涂层[71]。液相热喷涂技术可进行纳米粉体的直接送粉、实现涂层沉积[72]。将纳米 HA 粉体分别分散于水和二甘醇中 制 得 悬 浮 液 , 以 高 速 悬 浮 液 火 焰 喷 涂(high-velocity suspension flame spraying, HVSFS)方法可制备纳米 HA 涂层[73]。采用液相前驱体等离子体喷涂(liquid precursor plasma spraying, LPPS)方法亦可制备平均晶粒粒径为 50 nm左右的HA涂层[74],并可通过调节前驱体溶液浓度等参数调控涂层结构,获得致密或多孔结构涂层[75]。
生物陶瓷涂层的生物活性[76-77]和细胞相容性[78-79], 受其表面纳米结构影响。以感应等离子体喷涂制备HA纳米涂层, 人成骨细胞(hOB)培养表明,涂层对细胞的粘附、扩展以及细胞外基质的形成均有促进作用, 植入鼠股骨 2 w 后表面即形成骨样组织, 显示良好的骨整合能力(图 4)[31]。
3 新型硅酸钙类生物陶瓷涂层
HA 涂层是典型的生物活性材料, 可促进新骨生长, 具有较好的骨整合效果。但是, HA 与钛等医用金属基材间热膨胀系数相差较大, 热喷涂 HA 涂层结合强度较低(一般为 10~20 MPa), 生理环境下易从钛基体表面剥离, 影响其使用效果[51]。鉴于此，良好生物活性和优良力学性能(特别是结合强度)的新型生物涂层值得研究。硅酸钙类陶瓷涂层是近年受到关注的生物涂层材料。
硅酸钙类陶瓷涂层的化学组分与生物玻璃类似,在模拟体液中诱导类骨磷灰石形成能力较强, 生物活性良好[80-84]。大气等离子体喷涂硅灰石涂层, 与Ti-6Al-4V 基体的结合强度高达 42.8 MPa, 明显高于 HA 涂层[85-86]。硅酸二钙(Ca2SiO4) 和透辉石(CaMgSi2O6)涂层的结合强度分别达 38.9 MPa 和32.5 MPa[80, 87-88]。此类涂层与钛(或钛合金)间热膨胀系数匹配性较好, 可减少涂层制备过程中产生的热应力, 这也许是其结合强度较高的主要原因[89]。
等离子体喷涂硅灰石涂层植入狗股骨和骨髓腔, 新骨能在其表面正常生长成熟, 优良的骨传导性得到初步验证(见图 5)[90]。但硅灰石涂层存在生理环境中降解过快的问题[83]。
为控制硅酸钙类涂层的降解速度, 可采用添加稳定组分的方式制备复合涂层。等离子体喷涂技术沉积硅酸二钙–钛复合涂层可控降解, 但过量钛的添加会降低涂层诱导类骨磷灰石形成能力[91-92]。制备硅酸二钙–氧化锆复合涂层, 也可抑制涂层在生理环境中的降解[93-94]。采用机械混合粉体制备的复合涂层存在组分分布不均匀的问题, 局部硅酸钙组分的过度溶解, 会导致涂层的坍塌。采用一种具“核–壳”结构的硅酸钙复合粉末制备的涂层, 不仅使两种组分均匀分布, 而且明显改善其在生理环境中的稳定性, 在 Tris-HCl 缓冲溶液中的质量损失降低了约十倍[95-98]。人骨髓基质干细胞(hBMSCs)培养试验证实, 细胞在复合涂层表面的粘附与增殖行为优于临床应用的 HA 涂层; ALP(碱性磷酸酶)、COL I(I 型胶原)、BSP(骨涎蛋白)、OPN(骨桥蛋白)和 OC(骨钙素)等成骨标志基因分析发现, 复合涂层表面细胞的大部分成骨基因表达量均优于 HA 涂层(图 6)[99]。通过锌(Zn)掺杂改性, 可在改善硅酸钙涂层化学稳定性的同时, 使涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生显著的抑菌效果[100]。
4 结语与展望
骨植入体的表面组成和结构对其与骨组织间的整合产生重要作用。通过表面技术制备生物涂层可实现植入体表面组成和结构的优化, 改善材料的化学和物理性能, 从而影响其生物功能。采用热喷涂技术制备的生物陶瓷涂层材料, 兼具金属材料的力学强度和生物陶瓷的生物学性能, 其研究和应用已取得显著进展。
对生物活性 HA 涂层进行组成和结构优化, 有望克服其力学强度低、体内降解较快等问题, 使这一传统的生物陶瓷材料获得性能改进。HA 涂层在热喷涂制备时存在分解和非晶化现象, 影响其生物学性能。通过工艺优化、后处理等方法可一定程度控制其组成变化, 其中真空等离子体喷涂的效果较为显著。在 HA 涂层中添加复合组分, 不仅可提高力学性能, 还可赋予其特殊的生物功能(如抗菌性能等)。对 HA 涂层进行结构优化, 特别是制备纳米结构涂层, 可进一步改善其生物学性能。新型硅酸钙类生物陶瓷涂层, 集生物活性、形态固定、抗感染等复合生物功能于一体, 且具有较高的力学强度(尤其是与基体的结合强度), 有望用作新一代骨植入体, 改善早期愈合性能和长期植入效果。改善硅酸钙类涂层在生理环境中的化学稳定性, 控制其降解速率, 以获得优良的综合性能是相关研究的重点。对硅酸钙类涂层的体内效果进行模拟考察, 为其在骨植入体上的实际应用提供科学依据, 亦是目前需着重开展的工作。
参考文献略
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