钛合金表面生物活性涂层及成骨效果的研究与进展

钛合金表面生物活性涂层及成骨效果的研究与进展 刘贯聪，李瑞延，梁豪君，秦彦国(吉林大学第二医院，吉林省长春市  130041) 引用本文：刘贯聪，李瑞延，梁豪君，秦彦国. 钛合金表面生物活性涂层及成骨效果的研究与进展[J].中国组织工程研究，2017，21(6):969-974. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.06.026    ORCID: 0000-0002-8295-6756(刘贯聪) 文章快速阅读： 刘贯聪，男，1991年生，汉族，吉林大学第二医院在读硕士，主要从事植入物表面改性的研究。 通讯作者：秦彦国，副教授，主任医师，硕士生导师，吉林大学第二医院，吉林省长春市 130041 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:2095-4344 (2017)06-00969-06 稿件接受：2016-12-03 Liu Guan-cong, Studying for master’s degree, Second Hospital of Jilin University, Changchun 130041, Jilin Province, China. Corresponding author: Qin Yan-guo, Associate professor, Chief physician, Master’s supervisor, Second Hospital of Jilin University, Changchun 130041, Jilin Province, China 钛合金表面生物活性涂层的现状与未来 钛合金表面生物活性涂层及成骨效果的研究 涂层的负载作用 生物活性涂层的分类 磷灰石 涂层 生物活性 玻璃 新型分子筛 涂层 复合涂层 金属阳离子 结构基础及机制 生物活性因子 重要性 涂层改性必要性及优点 涂层的物质组成 涂层的结构特点 涂层对细胞生长的影响 涂层成骨的影响 涂层的物质组成 涂层的结构特点 涂层对细胞生长的影响 涂层成骨的影响 涂层的物质组成 涂层的结构特点 涂层对细胞生长的影响 涂层成骨的影响 1.钛合金耐磨性、耐腐蚀性差 2.钛合金弹性模量较大 3.缺乏骨诱导性 4.可释放微量有害元素AI、V 1.提高耐磨性、耐腐蚀性 2.与正常骨组织相近的弹性模量 3.提高骨诱导性及骨整合性 4.阻止有害微量元素释放入血 必要性 优点 文题释义：医用钛合金：主要应用于人体硬组织替代物和修复物。医用钛合金经过多年发展，有多种新型合金出现，但目前临床应用的合金仍以Ti6Al4V为主。钛合金表面技术的发展大致经历了3个阶段：一是电镀、碱热处理为代表的传统技术阶段；二是等离子体、离子束、电子束辅助的现代表面技术阶段；三是现代表面技术的综合应用和生物活性涂层结构阶段。摘要背景：医用钛合金作为骨科常用修复，其具有良好的生物相容性和力学支撑，但缺乏骨整合能力，表面生物活性涂层修饰可以改善其生物学性能。目的：综述钛合金表面修饰中生物活性涂层技术的应用进展，探讨其促进骨生成的机制。方法：检索PubMed数据库和CNKI数据库，中文关键词为“钛，钛合金，涂层，表面修饰，骨组织”，英文关键词为“titanium, titanium alloy, coating，surface modification, bone”，时间限定为2000年1月至2016年3月。在结果中初步分析，筛选出有关钛合金表面涂层修饰的相关文章42篇。结果与结论：钛合金表面修饰技术经历了从表面粗化、氧化、酸化的处理方式向目前应用最广泛的生物活性涂层技术的转变。在钛合金表面生物活性涂层中，主要有羟基磷灰石涂层、生物活性玻璃涂层、分子筛涂层等，且已经从单一涂层发展到复合涂层和梯度涂层，同时在涂层中负载生物活性因子或金属离子，可以完善钛合金表面生物活性涂层的骨诱导性能。钛合金表面修饰是个复杂的过程，既要考虑改性后涂层促进骨生成的能力，还要考虑涂层与基底钛合金结合强度。对现有生物活性涂层制备方式的改善以及生物活性涂层新材料的进一步探索，是实现优质表面生物活性涂层修饰的关键。 关键词：生物材料；骨生物材料；钛合金；表面修饰；生物活性涂层；骨生成主题词：钛；合金；包被物质, 生物相容性；骨生成；组织工程基金资助：吉林省省级产业专业创新专项资金项目(2016C037)；吉林省科技发展计划项目(20150414006G H)Research advance in the osteointegration of surface bioactive coating on titanium alloys Liu Guan-cong, Li Rui-yan, Liang Hao-jun, Qin Yan-guo (Second Hospital of Jilin University, Changchun 130041, Jilin Province, China)Abstract BACKGROUND: Titanium alloy, a commonly used bone biomaterial, holds good biocompatibility and proper mechanical properties, but without osteointegration ability. Surface bioactive coating of titanium alloy can overcome such problems. OBJECTIVE: To review the application progress of surface bioactive coating on titanium alloys, and to explore the mechanism underlying its osteogenic induction. METHODS: PubMed and CNKI databases were searched for literatures concerning surface bioactive coating on titanium alloys published from January 2000 to March 2016, using the keywords of “titanium, titanium alloys, coating, surface modification, bone” in English and Chinese, respectively. Through preliminary analysis, 42 eligible articles were selected. RESULTS AND CONCLUSION: The surface modification method has undergone the transition from surface roughening, oxidation, acidification treatment to the most widely used biomimetic coating technology. The surface biomimetic coatings of titanium alloys mainly include hydroxyapatite, bioactive glass, zeolite, which have been developed from a single coating to the composite coatings and gradient coatings. What’s more, the bioactive factor or/and metal ions in the coating can improve the osteointegration of surface coating. Surface modification for titanium alloys is a complex process, during which, both the osteogenesis ability and the bonding strength between the coating and its substrate cannot be ignored. Improving the fabrication method of existing coatings and exploring new materials of biomimetic coatings are critical to achieve a high-quality surface coating modification. Subject headings: Titanium; Alloys; Coated Materials, Biocompatible; Osteogenesis; Tissue Engineering Funding: the Provincial Industry Innovation Project of Jilin Province, No. 2016C037; the Science and Technology Development Program of Jilin Province, No. 20150414006G H Cite this article: Liu GC, Li RY, Liang HJ, Qin YG. Research advance in the osteointegration of surface bioactive coating on titanium alloys. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(6):969-974. 0  引言  Introduction 骨科植入物常用于修复因创伤、骨肿瘤、骨坏死等疾病造成的大面积骨缺损[1]。医用钛合金是骨科常用的修复材料，尽管近年来有不少新型钛合金涌现[2-3]，但仍以Ti6Al4V的应用最为广泛，因为其具有良好的生物相容性，相对较低的弹性模量，可以提供适当的力学支撑等优点。Ti6Al4V自身也存在一些缺点，如缺乏骨诱导性、耐磨性较差、可释放微量Al及V毒性离子等，使其应用受限，假体的二次翻修率仍然较高。因此，有关Ti6Al4V的研究仍然是近年来的热点。 作为骨科植入物，外科医生不仅关心其力学性能，更加关心其促进骨生成及骨整合的生物学性能。骨科植入物植入人体早期，骨-植入物界面并不能达到完全的骨性结合，而是一种机械联合。植入物在体内与体液、细胞长期接触，这些基于植入物表面理化特性的生物学反应可以理解为植入物的生物相容性。生物相容性良好的植入物可以促进骨-植入物界面的成骨作用，达到早期骨性结合，并保证植入物的长期稳定性[4]。生物相容性较差的植入物则会导致骨-植入物界面的骨生长缓慢，甚至发生纤维包裹和炎性反应，最终导致植入手术失败。此外，耐磨性也是影响植入手术成功的重要因素。植入物与周围硬组织长期摩擦形成的碎屑可引起炎性反应，并导致无菌性松动[5]。 早在20世纪80年代，Albrektsson等[6]提出表面结构对于成骨作用具有重要影响。通过对植入物表面进行物理化学修饰，可以改变其生物性能，提高生物相容性，克服或降低材料本质的缺点和不利因素，以实现早期骨愈合。钛合金表面技术的发展大致经历了3个阶段[7]：一是电镀、碱热处理为代表的传统技术阶段；二是等离子体、离子束、电子束辅助的现代表面技术阶段；三是现代表面技术的综合应用和生物活性涂层结构设计阶段。在钛合金基材表面直接进行氧化、酸蚀、碱热处理以及电镀等传统技术的改性，可以提高植入物的耐腐蚀性和耐磨性等，但并不能提高其生物活性，属于生物惰性涂层的制备方法。目前在钛合金基材上制备生物活性涂层的方法主要有：等离子喷涂技术、电泳沉积技术、离子束溅射技术、整合-烧结法和浸涂-烧结法、溶胶-凝胶法等[8-9]。表面生物活性涂层不仅可以为植入物周围成骨细胞的黏附提供三维生长空间和铆钉点，还可以负载各种生物活性离子或生长因子等，实现长期缓释作用以促进成骨细胞增殖分化，成为近年研究的热点。常用的表面生物活性涂层有磷灰石涂层、生物活性玻璃涂层、新型分子筛涂层等，且已经从单一涂层发展到复合涂层和梯度涂层。同时，在涂层中负载生物活性因子或金属离子，可以完善钛合金表面生物活性涂层的骨诱导性能。 文章重点概述在钛合金表面，尤其是Ti6Al4V表面进行生物活性涂层修饰的应用进展，以及其对成骨作用的影响。 1  资料和方法  Data and methods 1.1  文献检索和筛选要求  1.1.1  检索数据库  第一作者于2016年3月在PubMed和CNKI数据库中检索。 1.1.2  检索数据库的选择理由 PubMed数据库为应用最广泛的医学主题数据库，同时包括与医学相关的材料学等内容，通过PubMed可以全面检索到与课题相关的文献；CNKI全文数据库是目前最新最全的连续动态更新的中文期刊数据库，可以检索到符合课题的相关文献。 1.1.3  检索途径、检索词及各检索词的逻辑关系  为全面、准确地检索出撰写该综述的相关文献，文章写作过程中综合考虑了检索途径的选择、检索词的选择和各检索词间逻辑关系的配置，制定了科学的检索策略。 检索词：中文检索词为“钛，钛合金，涂层，骨组织，成骨作用”，英文检索词为“titanium， titanium alloy， coating，bone，osteogenesis”。 检索词的逻辑组配：英文检索逻辑组配为((titanium OR titanium alloy) AND (coating) AND (bone OR osteogenesis))，中文检索逻辑组配为((钛OR 钛合金) AND (涂层) AND (骨组织OR 成骨作用))。 检索途径、检索词、检索词的逻辑组配的确定理由：为了全面检索钛合金基底表面涂层改性方法影响成骨作用的相关内容确定了这一检索方案，可以检索到临床及基础方向与课题相关的文献内容。(titanium OR titanium alloy) AND (coating)可以检索到有关钛合金表面涂层的内容，(bone OR osteogenesis) 可以检索到与骨及成骨作用相关的文献，最终确定((titanium OR titanium alloy) AND (coating) AND (bone OR osteogenesis))的组配。 检索的时间范围：2000年1月至2016年3月。 1.2  文献筛选和筛选标准 1.2.1  文献筛选流程  见图1。 图1 文献筛选流程 1.2.2  文献的筛选标准  ①钛合金表面改性修复骨缺损的研究；②分析表面涂层影响骨缺损修复、骨再生、骨髓干细胞成骨作用的研究；③利用涂层技术进行钛合金表面改性的研究。 1.2.3  排除标准  ①与修复骨缺损及成骨无关的文章；②钛合金表面改性促进骨整合，但观点不够明确清晰的文章；③内容陈旧、重复的文章。 1.2.4  质量评估  检索得到英文文献116篇，中文文献21篇。筛选后纳入文献共42篇，其中英文39篇，中文3篇。文献[1-9]阐明钛合金表面涂层技术整体的发展及现状，文献[10-20]介绍钛合金表面羟基磷灰石与氟磷灰石涂层，文献[21-25]介绍钛合金表面生物活性玻璃，文献[26-33]介绍钛合金表面新型分子筛涂层，文献[34-42]总结钛合金表面生物活性涂层的生物负载作用。 2  结果  Results 2.1  钛合金表面常用生物活性涂层 2.1.1  磷灰石类涂层  磷灰石是组成人体骨骼的主要无机成分，羟基磷灰石的钙磷比为1.67，磷酸三钙的钙磷比为1.5，均与自然骨的钙磷比(1.71)相近。磷灰石对人体无毒无害，以磷酸三钙及羟基磷灰石为代表的磷酸钙盐矿物是应用最早且最广泛的生物修复材料，但其脆性大、强度低，限制了在负重部位的应用。在钛合金基材表面应用磷灰石类涂层，不仅获得了有效的力学支撑，还发挥了磷灰石的生物活性性能。在植入体表面添加羟基磷灰石涂层被认为是表面改性的标准做法[10]，也是其他涂层方法是否有效的重要对比标准。羟基磷灰石具有很多优点，但单一的磷灰石涂层与钛合金的热膨胀系数相差较大，涂层制备过程中易产生异常应力而导致结合强度不高[11]，易早期脱落。金属基底与涂层之间的残存应力是导致二者结合力不足的重要原因之一，有研究者尝试通过改进制备方法(如等离子喷涂技术)以及在涂层中掺入固溶杂质元素(如锶元素)来达到提高结合力的目的。研究者在单一羟基磷灰石涂层中复合了其他物质，如不同磷灰石类涂层之间的复合，磷灰石类涂层与生物大分子的复合等，不同程度提高了结合强度。Li等[12]通过聚多巴胺辅助羟基磷灰石沉积的方法，在3D打印多孔钛合金表面制备羟基磷灰石涂层，体外实验表明该涂层增强了成骨细胞的黏附、增殖和分化，体内实验同样表明可促进骨整合与骨生成。 磷灰石涂层的生物降解率较高，其自身降解所产生的钙磷离子可进入正常骨代谢，故常用以制备可降解生物涂层，作为药物载体达到长期缓释的效果。Reigstad等[13]以Bonit?(主要成分为透磷钙石)制作生物可吸收涂层，利用兔胫骨和股骨模型研究了磷酸钙类物质吸收时限及骨诱导效果。该研究表明，在植入6周后涂层基本完全吸收，但在植入12周后扭矩实验应力值才有明显提高，这可能与磷灰石涂层促进早期骨细胞黏附、增殖和分化，而骨生成则在稍晚时间发生有关。Cheng等[14]经过研究证明，Ca离子的存在是磷灰石涂层促进骨诱导的关键。 此外，磷灰石类涂层具有多孔结构，涂层的孔隙尺寸、孔隙率是影响骨诱导作用的重要因素。Chan等[15]将不同支架孔隙率(22.5%，32.0%，46.0%)的SiCaP植入绵羊体内，观察到随支架孔隙率的增加，植入物的早期骨诱导作用明显增强。支架孔隙率的增加，可以为植入物周围早期血管生成以及成骨细胞增殖过程中蛋白质的活化提供较大的接触表面积[16]，且大孔隙率涂层吸附血清中促成骨分化有关蛋白质的能力更强[17]。Cheng等[18]经过比较大鼠体内不同部位磷酸钙植入物的骨诱导作用，认为磷酸钙生物陶瓷表面从周围内环境中吸附成骨相关生物活性因子(如骨形态发生蛋白2)是其促进骨诱导作用的重要原因。由此可见，多孔羟基磷灰石涂层不仅可以增强成骨细胞长入，还可促进成骨细胞的分化，最终影响成骨效果。 羟基磷灰石可以增强细胞黏附，但羟基磷灰石与钛合金的结合不够牢固，其中最主要的因素是羟基磷灰石的溶解度较大且溶解过于迅速，导致晚期与基底的结合强度下降过快。氟磷灰石是自然界稳定存在的一种物质，其结构实际上是F-替代了羟基磷灰石中的OH-而晶体结构相同。由于F比OH基团小，氟磷灰石比羟基磷灰石晶体结构更加紧密，所以其溶解度较小[19]，许多学者尝试在基底上制备氟磷灰石涂层。从化学成分上分析，氟磷灰石中有F离子的溶出，可能对生物体有毒性，但目前未有报道。还有学者认为氟离子不仅可以控制龋齿，还可以刺激骨细胞增殖和分化[20]，但其生物活性受涂层厚度、孔隙率等物理性质的影响，对于氟磷灰石是否优于羟基磷灰石仍有较大争议。 2.1.2  生物活性玻璃  生物活性玻璃具有很强的生物活性，尤其是钙钠硅系玻璃(Na2O-CaO-SiO2-P2O5)，其结构与玻璃相似，骨诱导能力较强，可最终与骨组织形成稳定的化学键合[21]。与磷灰石相似，生物活性玻璃因强度不足而不具有力学支撑作用，研究者常将其作为涂层应用于钛合金的表面修饰。在制备过程中，可以通过调节各组分所占比例控制涂层的理化性质，使其与钛合金相似或相近，降低二者之间存在的应力差，从而保证了与钛合金基底相结合时的强度。生物活性最强的生物玻璃Bioglass 45S5[21]，其各组分的摩尔质量比为24.5% Na2O，24.5% CaO，6% P2O5，45% SiO2，通过调节各组分所占比达到生物活性与结合力的平衡。尽管有关生物活性玻璃的研究开始较早[21]，但生物活性玻璃涂层的研究还处于探索阶段，有关其微结构、机械性能的信息较为缺乏[22]。Popa等[23]利用射频磁控溅射技术在钛合金基材表面成功制备了不同化学成分的生物活性玻璃涂层，分析其理化特征与力学、生物学性能之间的关系，表明加入氧有利于增强涂层的结合强度。Cattini等[22]利用等离子喷涂技术在钛合金基材上制备微米级的生物活性涂层，模拟体液浸泡实验显示，该涂层具有良好的生物活性和强度。Cattini研究组之后的研究中，利用等离子喷涂技术制备的生物活性玻璃/羟基磷灰石梯度复合涂层，因不具有残存应力而与基底稳定结合，且生物相容性良好[24]。 此外，有研究者报道生物活性玻璃还具有一定抗炎及增强细胞黏附的作用。Scislowska-Czarnecka等[25]在钛合金表面制备生物活性陶瓷涂层，比较了羟基磷灰石、生物活性玻璃和硅酸钙3种涂层，通过细胞学实验证实生物活性玻璃涂层不仅没有增加炎性反应，还增强了巨噬细胞的黏附能力。相反，硅酸钙涂层却增加了促炎性反应，炎性因子肿瘤坏死因子α，白细胞介素6，白细胞介素12明显增多，同时减弱了巨噬细胞的黏附能力。 2.1.3  新型分子筛涂层  以分子筛为代表的新型生物活性涂层具有规则的微纳结构。分子筛是固体硅酸盐或硅铝酸盐晶体材料，具有规则均匀的微孔结构，又称为沸石(Zeolite)。沸石骨架的基本结构单元为硅氧四面体和铝氧四面体，二者通过共用四面体顶点的氧原子相互连接形成的三维结构具有规则孔道。以沸石分子筛ZSM-5为例，其二维十元环交叉形成两个方向的孔道，其中一个方向为直孔道，另一个方向为“之”字形孔道[26]。特定的孔道形状以及铝氧四面体和硅氧四面体骨架的负电荷，形成沸石分子筛内部的离子交换中心。沸石分子筛的制备过程非常简单，只需要在溶液中浸泡即可在钛合金基底上形成纳米级的分子筛涂层。 分子筛常被用作商业目的的催化、吸附和离子交换。在医学上，沸石也有广泛的应用，不仅可以直接作为抗肿瘤、抗微生物药使用，还可用作药物缓释/靶向载体，MRI造影剂等[26-27]。由此可见，沸石分子筛无细胞毒性，且具有生物活性及生物相容性。 沸石分子筛涂层作为一种新型生物活性涂层，可与Ti6Al4V基底致密的结合。Bedi等[27-29]通过一系列体外实验证明了沸石分子筛涂层可以提高Ti6Al4V基底的生物相容性和耐腐蚀性，还可以促进成骨细胞的黏附和增殖(图2)。Li等[30]在Ti6Al4V表面制备沸石分子筛涂层，首次通过体内实验证明该沸石分子筛涂层具有促进骨生成及改进骨整合的作用。此外，尽管Ti6Al4V有广泛的临床应用，但其在体内释放少量Al和V细胞毒性离子的问题一直没有得到解决。Al和V离子通过影响成骨细胞内成骨相关基因的表达，影响正常的骨愈合过程[31-33]。Bedi等[28]证实，MFI涂层(ZSM-5沸石涂层的简称，是一种具有拓扑结构的分子筛涂层)的高抗腐蚀性不仅可以有效阻止对人体有害的Al和V进入周围组织，还能保护植入物不受人体内环境的腐蚀。