中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

 

医用钛合金材料表面改性新进展

2021-05-27


近日,中国科学院深圳先进技术研究院生物医药与技术研究所-人体组织与器官退行性研究中心王国成研究员团队与空军军医大学(第四军医大学)孔亮教授团队合作,在医用钛合金材料表面改性中取得进展,最新成果以 Nanosurfacing Ti alloy by weak alkalinity-activated solid-state dewetting (AAD) and its biointerfacial enhancement effect 为题发表于 Materials Horizons 上,并被选为封面文章。


研究背景

植入物与骨之间形成骨性结合(骨整合,Osseointegration)是骨植入物长期稳定的关键。因此,理想的骨植入物表面应具备高效促骨整合的能力。如何提高骨植入物的骨整合性能已成为材料学家和临床医生研究的重点。炎症反应是材料介导骨修复的必经步骤,它的发生、发展和转归对骨再生的质量至关重要。理想的骨植入物应具备调节炎症反应的能力,从而促进骨生成。因纳米拓扑结构在细胞行为调控方面具有重要的作用,通过对植入物表面纳米工程化已成为目前提高植入物生物学性能的关键策略之一。本研究开发了一种新型的钛合金表面纳米化方法,即弱碱活化的固态去润湿技术(alkalinity-activated solid-state dewetting, AAD)。该技术涉及基于磷酸氢二铵的钛合金表面去合金化处理和低温热氧化。因 Ti 和 Al 元素具有不同的标准电极电势,通过弱碱处理可以选择性去除 Al 元素,从而在合金最外表面形成很薄的“类钛”层,实现表面预激活。不同于其它基于固态去润湿理论的表面纳米化(一般为贵金属),本研究在大气气氛中进行热处理,实现固态去润湿和氧化的同步,在植入体表面形成准周期性的纳米氧化钛岛状结构。该技术的实施不需要特殊的设备,具有简单易行、成本低、可规模化、生物安全性高等优点。

图文解读
▲ 图 1. AAD 策略示意图和本研究的总体思路。
▲ 图 2. 材料形貌及组成表征。
Ti6Al4V 圆片经过 AAD 处理后,表面形成约为 18.4±5.3 nm 大小的准周期排列的纳米岛状结构。薄膜 X 射线衍射(XRD)结果表明,形成的氧化钛主要为金红石相。聚焦离子束(FIB)制备的横截面样品的透射电镜(TEM)结果表明,AAD 样品上的氧化物层厚度仅为 34nm,这是 XRD 图谱中氧化钛衍射峰弱的主要原因。选区电子衍射(SAED)结果进一步证实,AAD 处理的钛合金表面由氧化钛组成。

▲ 图 3. 摩擦试验示意图。
医用植入物在服役过程中易受到生物摩擦、腐蚀的影响。了解这一复杂现象对于优化植入物的设计和提高其整体性能至关重要。论文以 AAD 处理的样品与骨作为摩擦副研究了在干燥和润湿(模拟生理液)条件下 AAD 处理对钛合金植入物的耐磨损、耐腐蚀性能的影响。结果表明,AAD 处理的钛合金的摩擦系数和腐蚀速率明显低于未处理和仅经过热处理的钛合金。为了进一步证明样品在机械力作用下的结构完整性,通过模拟牙科钻骨过程,对钻孔前后植入物表面的微观形态进行比较,未发现明显划痕和纳米岛状颗粒脱落的现象,这说明 AAD 构建的纳米氧化钛在钛基材上牢固锚定。

▲ 图 4. 成骨细胞和巨噬细胞的串扰。
成骨细胞与巨噬细胞之间的串扰(Cross-talking)作用对骨整合至关重要,研究中利用 RT-PCR 定量分析了两种细胞在共培养下的基因表达。通过收集巨噬细胞的条件培养基培养成骨细胞和收集成骨细胞的条件培养基培养巨噬细胞,来考察 AAD 技术制备的准周期性纳米氧化钛结构对两种细胞串扰的影响。结果表明准周期性氧化钛纳米结构通过调节两种细胞的交互作用,增强了成骨细胞的成骨活性,并促进了巨噬细胞的 M2 极化。

▲ 图 5. 体内成骨评价。
通过大鼠胫骨缺损模型考察 AAD 技术形成的纳米结构对骨整合的影响。结果发现,植入 12 周后,AAD 处理的钛合金周围新形成的骨组织量最高,而仅热处理的钛合金周围的骨组织量最少。骨体积分数(BV/TV%)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)和马松三色染色组织分析结果进一步证明了 AAD 处理的钛合金具有良好的诱导新骨形成的能力。

小结
本研究提出并开发了一种基于弱碱活化的固态去润湿(AAD)技术,该技术可用于钛合金表面的原位纳米化,可在 Ti6Al4V 表面上构建准周期的纳米岛状氧化钛结构,显著提高钛合金的表面能和亲水性。研究结果表明,AAD 技术制备的纳米结构可通过促进巨噬细胞的 M2 极化和协调巨噬细胞/成骨细胞的串扰,达到促骨再生的效果。本研究为钛合金表面纳米活化提供了一种新的思路。

文章来源:RSC英国皇家化学会