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

 

2022年上海医疗器械展会专文推荐:骨科用钛合金表面改性技术

2022-06-13

钛合金因其优异的耐腐蚀性能和良好的生物相容性,在骨科修复领域得到广泛应用。对国内外骨科用钛合金表面涂层制造技术的研究进展进行了总结,本文2022年上海医疗器械展会Medtec China在本文重点介绍了等离子喷涂、阳极氧化、热氧化、微弧氧化等处理方法的最新进展,供各位医械制造工程师学习。

随着生物材料加工技术的进步,不同类型的新型生物材料被研发出来,这些新型生物材料具有独特的生物相容性等优势,被用于临床骨科、药物输送、组织工程等领域。目前,常用的骨科修复材料主要有钛合金、不锈钢、钴铬合金、羟基磷灰石、 碳化硅陶瓷等。其中,钛合金具有良好的生物相容性、优良的耐蚀性等,常用于替代人体中的踝、肩、 膝、肘、腕关节等,或用于制造骨修复产品。钛合金植入物在使用过程中也会遇到一些问题, 如临床上大量使用的 Ti6Al4V合金会析出钒离子和铝离子,降低了细胞适应性且有可能对人体造成危害。在钛合金表面进行改性处理,形成保护层或生物改性层,能够大大提高其在人体环境中的长期可靠性。因此,国内外研究人员针对钛合金表面改性进行了大量研究,所采用的方法主要有等离子喷涂、阳极氧 化、热氧化、微弧氧化等。

1 钛合金涂层制造技术

1 钛合金涂层制造技术

热喷涂以等离子体弧、电弧、气体火焰等作为热源,将喷涂材料以高速气流的形式喷射到基体表面形成涂层。该技术属于表面改性技术的物理方法范畴,具有沉积速度快、涂层抗氧化、容易得到较厚涂层等优点。缺点是工艺过程难控制、涂层表面不光滑。用于制备 HA 涂层的热喷涂技术主要是等离子喷涂技术,已在临床骨科领域获得较为广泛的应用。Ullah 等首次利用等离子喷涂技术在 Ti6Al4V 合金表面制备了一种新型的( Sr,Zn)-HA 涂层,并应用于承载种植体。在 HA 涂层中掺杂 Sr2+和Zn2+, 能够改善细胞-材料间的相互作用和抗菌性能,因而提高了涂层的生物学性能。等离子喷涂的( Sr,Zn)-HA 涂层与基体有较高的粘结强度。经 500 ℃ 热处理后,( Sr,Zn) -HA涂层具有优异的力学性能、生物学性能以及较高的抗菌性能。殷亚康采用等离子喷涂技术在 Ti6Al4V 合金表面制备出 HA-30% Ti 涂层和 HA-50% Ti 涂层。研究表明,在喷涂功率 40 kW、喷涂距离 100 mm 的工艺参数下,制备的 HA 涂层强度最高,达到 15. 8 MPa。该热喷涂涂层显著提高了 Ti6Al4V 合金作为骨科植入物的承载能力。

1.2 阳极氧化

阳极氧化是一种电化学改性方法,该技术是将置于电解液中的金属或合金作为阳极,在外加电场的作用下发生电化学反应,使阳极表面形成氧化层。Li 等利用阳极氧化技术在 Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(Ti2448) 合金表面形成一种骨状纳米管涂层。对阳极氧化Ti2448合金的表面形貌、化学成分、物相组成、润湿性等进行了表征,并与未进行阳极氧化处理的 Ti2488 合金进行了对比。通过观察体外培养的骨髓基质细胞( BMSCs) 的行为和材料植入体内后的组织学分析,评价了植入材料的生物相容性和骨- 植入物的整合性能。研究表明,经过阳极氧化处理后的 Ti2448 合金具有更好的生物相容性和骨整合性能。这种新型骨状纳米管涂层在骨科具有潜在的应用前景。



图1 阳极氧化化 3D 打印 Ti6Al4V 合金的 SEM 照片

为了增强细胞功能以响应植入物表面,Gulati 等采用 3D 打印技术制备 Ti6Al4V 合金植入物,并通过阳极氧化技术在其表面获得一种由微米级球形颗粒和二氧化钛纳米管组成的层级结构。图3 为阳极氧化 3D 打印 Ti6Al4V 合金表面的 SEM 照片。研究结果表明,通过阳极氧化工艺在含有微粒子的 3D 打印钛表面上生成的二氧化钛纳米管(TNTs) ,在保持微粒子排列的同时实现了额外的“纳米形 貌”。通过电化学阳极氧化实现了 3D 打印钛植入物表面微尺度和纳米形貌的独特组合,为人类成骨细胞提供了出色的细胞黏附基质,并能够促进成骨细胞形成。细胞实验结果表明,种植体表面的层级结构能够增强骨细胞的黏附和生物相容性。

为解决金属植入物与人类皮质骨之间因杨氏模量差异而导致的应力问题,Tanaka 等设计出一种低杨氏模量的 Ti-Nb-Sn 合金,并评价了阳极氧化和水热处理对 Ti-Nb-Sn 合金骨结合特性的影响。结果表明,经阳极氧化和水热处理后,Ti-Nb-Sn 合金具有更强的磷灰石形成能力、更高的骨结合能力和更好的生物相容性。

1.3 热氧化

钛合金经过热氧化可在其表面形成氧化层和氧扩散层,能够提高钛合金的硬度和强度,改善摩擦磨损性能。Lieblich 等用氧化铝、氧化锆颗粒对 Ti6Al4V 合金进行粗化处理,在 400 ~ 700 ℃ 下热氧化 1 h,然后出炉冷却至室温。利用同步辐射衍射技术测量热氧化处理前后的残余应力变化情况。结果表明,热氧化温度在 500 ℃ 时,样品表现出显著的压缩残余应力松弛( 约 70% ) ,最大应力出现在深度 50 ~ 70 μm 处; 热氧化温度提升至 700 ℃ 时,压缩残余应力完全松弛。Tan 等采用水平管式热处理炉,经过 700 ℃ /8 h 热氧化处理,成功在 Ti6Al4V 合金表面制备出晶体 TiO2纳米线阵列。研究表明,与无涂层的 Ti6Al4V 合金对照样品相比, TiO2纳米线阵列表面成骨细胞的碱性磷酸酶( ALP) 含量更高,细胞外基质( ECM) 中的矿化胶原纤维也更多,因此 TiO2纳米线阵列能更好地促进细胞黏附和扩散。

1.4 微弧氧化

微弧氧化(MAO) 是一种电化学表面处理技术,用于金属( 如 Ti、Al、Mg 等) 表面制备陶瓷涂层,能够通过调控微孔结构和种植体表面化学成分等提高种植 体的骨整合能力。将微弧氧化技术应用于 Ti6Al4V 合金表面处理,在电解液中引入能够形成羟基磷灰石的 Ca、P 盐,有望进一步提高种植体的骨整合性能和耐腐蚀性。经微弧氧化技术处理的多孔 Ti6Al4V 合金具有良好的生物相容性和较高的强度,在骨科植入物中具有巨大的应用潜力。为了研究 Ti6Al4V 合金中钒离子的骨组织响应和体内释放特性, Zhang 等在含有 0.065mol/L Ca(CH3COO)2·H2O、0.03mol/L NaH2PO4、0.04mol/L C10H14 N2Na2O8、0. 5 mol /L NaOH 的电解质溶液中对 Ti6Al4V 合金进行微弧氧化处理。用电感耦合等离子体质谱法( ICP-MS) 测定钛、铝、钒在 Hanks’s 溶液中浸泡后的离子释放量。通过体外细胞培养和皮下包埋的方法检测其生物相容性。结果表明,经微弧氧化处理的多孔 Ti6Al4V 合金释放的 V 对其生物相容性和使用安全性的影响不明显。Duarte 等在弱酸性磷酸盐电解液体系中利用微弧氧化技术在纯钛、Ti6Al4V、Ti-6Al-7Nb 合金表面形成多孔的氧化 层。纯钛、Ti6Al4V、Ti-6Al-7Nb 3 种基体对应的微弧氧化反应的击穿电位分别为 200、130、140 V。通过微弧氧化法在上述生物材料表面所形成的高度多孔的氧化膜能够促进骨整合。研究表明,如果氧化物膜层中存在 Al,则会干扰骨与种植体的结合速度,而上述 3 种基体表面所获得的氧化膜内均不含 Al、V 等合金元素,就组成而言有利于骨整合过程发生。为提高种植体的成骨能力, Jing 等采用微弧氧化技术在 Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb 合金表面制备出多孔 HA 涂层,然后植入 Beagle 犬左侧股骨近端髓管 4、12、24 周,右侧植入没有涂层的 Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb 合金种植体作为对照组。通过组织形态计量学评价骨生长情况,通过拔出试验评估骨 - 种植体界面的力学性能。结果表明,HA 涂层组的骨 - 种植体接触强度明显高于未涂层组,力学测试显示涂层组的骨- 种植体界面最大受力明显高于未涂层组。通过微弧氧化技术获得的 HA 涂层能够显著促进骨向种植体内生长,提高骨 - 种植体界面的结合强度。

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1.5 水热合成

水热合成法是指在一定温度和压力条件下利用水溶液中物质化学反应合成膜层的方法。肖帆等采用水热合成法在 Ti6Al4V 合金表面原位生长 TiO2 纳米棒阵列薄膜。研究表明,该 TiO2纳米棒阵列薄膜在[001]方向择优生长,并具有混晶结构和均匀的表面形貌。在模拟体液( SBF) 中浸泡 3d 后,TiO2薄 膜表面生长出 HA,表现出优异的生物活性。Hang 等采用水热合成法在 NiTi 合金表面成功制备出菱形NiTiO3纳米片。研究表明,随着水热处理温度升高,腐蚀电流密度降低,电化学阻抗增大,NiTi 合金表面成形的氧化膜增厚,耐蚀性提高。水热处理时间较短( 30 min) 时,NiTi 合金的镍离子释放量少, 延长水热时间会促进纳米片的成核与生长,导致NiTi合金比表面积增加,进而增加镍离子的释放量。作为生物医用药物载体系统的备选材料,表面含有菱形NiTiO3纳米片结构的 NiTi 合金具有良好的耐腐蚀性和细胞相容性,有望在医学领域获得应用。Yuan 等首先通过 3D 打印技术制备出多孔 Ti6Al4V 和 CoCrMo 合金支架,然后采用水热法在支架表面沉积羟基磷灰石纳米粒子( HAp) 。通过人成骨细胞的体外生物相容性试验,发现原位沉积 HAp 的 Ti6Al4V 和 CoCrMo 合金种植体支架不仅无细胞毒性,还能促进人成骨细胞增殖。

1.6 自组装合成

自组装技术因其可在纳米尺度上控制膜层厚度、控制表面结构、组装过程中不需要干预、可涂覆任意形状的材料等优点,被广泛应用于医用钛及钛合金的表面改性。自组装机制主要依赖于弱共价键、氢键、离子键、范德华力和疏水作用力。Chen 等将 β-环糊精( β-CD) 接枝到壳聚糖( CHI) 分子上,通过层层 自组装技术将激素活性代谢物骨化三醇 ( VD3) 与降钙素( CT) 共组装到 Ti-6Al-7Nb 合金种植体上。体外实验表明,VD3 /CT 复合负载种植体释放的 VD3 和 CT 分别上调了种植体周围区域成骨细胞钙结合蛋白和骨形成蛋白( BMP2) 的表达水平,促进钙沉积和分化。体内显微 CT 和组织学分析结果表 明,VD3 /CT 复合负载种植体能显著促进骨质疏松条件下的骨重建,提高界面剪切强度,促进骨整合。将抗骨质疏松性药物固定在钛基种植体表面是提高骨质疏松性骨折愈合率的一个很有前途的技术策略。Sr 作为骨骼中的重要微量元素,可以刺激细胞膜上的受体,促进新骨形成和抑制骨吸收,在骨重建过程中起着维持骨稳态的重要作用。Ding 等运用自组装方法在钛基体上成功制备出掺锶溶菌酶纳米膜。细胞形态学观察、细胞活力测定、碱性磷酸酶染色 和定量分析结果表明,掺锶溶菌酶纳米膜可促进骨髓基质细胞的早期黏附、增殖和成骨分化。实时定量聚合酶链反应( qRT-PCR) 检测证实,掺锶溶菌酶纳米膜在分子水平上促进BMSCs 成骨相关基因 ( BMP2) 的表达。显微 CT 和组织学分析表明,掺锶溶菌酶纳米膜修饰的钛种植体在植入大白兔体内 4 周后具有明显的新骨形成能力。该技术为钛基植入物的表面改性提供一种简便有效的途径,将有助于新型植入装置的开发。Zorn 等以烷基膦酸单分子层为交联剂,将含精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸( RGD) 的多肽附着在低弹性模量的 Ti-Nb 合金表面,评价 RGD 涂层对成骨细胞附着的影响。11-氯乙酰基-1- 十一烷基膦酸( CAUDPA) 分子通过沉积十六烷基膦酸( HDPA) 自组装单分子膜( SAM) 附着在经电解抛光和阳极氧化的 Ti-45Nb 合金表面。相对均匀但略显无序的 CAUDPA-SAM 分子以共价键结合在基体上,其中膦基转向 Ti-45Nb 基体,乙酰氯末端基团转向自由表面。通过与半胱氨酸肽端的巯基反应, 将氯化物与含精氨酸- 甘氨酸- 天冬氨酸- 半胱氨酸 ( RGDC) 交换,使 RGDC 固定在金属表面。细胞培养实验表明,成骨细胞优先黏附于 RGDC-Ti-45Nb 合金表面。

2 结语

目前,表面涂层制备呈现出多种技术复合的发展趋势,并已成为近年来钛合金加工制造领域的焦点,探索涂层表面改性新技术是未来钛合金植入物材料的发展趋势也已经成为参加2022年上海医疗器械展会Medtec China的工程师的热门讨论话题。近几十年来出现了许多先进的表面改性技术, 如等离子喷涂表面改性、激光表面改性、微弧氧化等。虽然各种表面改性方法都可以在很大程度上改善钛合金的性能,但这些技术还存在许多缺点,如获得的涂层不均匀、涂层硬度较低、制备成本高等。随着生物医学的发展,对材料表面性能的要求也在不断提高,必须进一步推进表面改性方法的研究, 尤其是表面改性机制的研究。

来源:春立正达