醫(yī)用金屬材料表面仿生處理研究進展

1、第22卷第2期2006年4月天津理工大學(xué)學(xué)報J O URNAL O F T I ANJ I N UN I VERS I T Y O F TECHNOLO GY Vol . 22No . 2Ap r . 2006文章編號:16732095X (2006 0220018205醫(yī)用金屬材料表面仿生處理研究進展崔忠波, 陳民芳(天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津300191摘要:介紹鈦(Ti 、鈦合金(Ti 26A l 24V 和鎳鈦形狀記憶合金等醫(yī)用金屬生物材料表面仿生處理研究以及醫(yī)用金屬表面修飾生物活性大分子的研究進展, 并對S BF 中影響Ca 2P 沉淀相的晶化成核、生長因素研究作一總結(jié).

2、 關(guān)鍵詞:鈦; 鎳鈦合金; Ti 26A l 24V; 羥基磷灰石; 仿生中圖分類號:T B383文獻標(biāo)識碼:AProgress of b i o m i m eti c process on the surface of i om ed i l l ter i a lsCU I Zhong 2bo, (School of M aterials Science and China p r bi m eticati on on the surfaces of titaniu m, Ti 26A l 24V and nickel -titaniu m all intr oduce the deve

3、l opment of bi om i m etic modificati on with bi oactive molycular on the sur 2face of bi metal materials, moreover, nucleati on and gr owth fact or influencing Ca 2P depositi on is als o su mmarized . Key words:titanium; nickel 2titaniu m all oy; Ti 26A l 24V; hydr oxyapatite (HA ; bi om i m etic醫(yī)用

4、金屬材料, 具有較高的機械強度和抗疲勞性能, 是臨床應(yīng)用最廣泛的材料之一. 研究發(fā)現(xiàn), 其植入體內(nèi)后可能釋放出的毒性元素(如V 、Cu 、N i 、Co 、A l 、Zn 等 會使細胞出現(xiàn)炎性反應(yīng)或壞死, 導(dǎo)致積9211等. 近10年來發(fā)展起來的仿生方法, 模擬了自然界中生理磷灰石的礦化過程, 減少了植入物在體內(nèi)長期固定的不確定性因素, 避免了二次手術(shù)的可能. 其獨特之處在于磷灰石層是在模擬體液(si m 2ulated body fluid, S BF 中自發(fā)沉積出來的, 具有如下種植體失效, 且只能和生物體骨整合而不能形成牢固的化學(xué)鍵合122. 脊椎動物骨和牙齒的無機成分是羥基磷灰石, 它

5、具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性, 植入生物體后會與骨組織緊密結(jié)合, 在界面處無纖維狀組織, 能保持人體正常的代謝. 但是純羥基磷灰石強度低、脆性大, 在生理環(huán)境中的抗疲勞性差, 這限制了其承重應(yīng)用3優(yōu)點:1 仿生磷灰石層沉積于類似人體組織內(nèi)的環(huán)境條件, 其成分更接近人體的骨無機質(zhì); 2 仿生法在低溫下進行, 避免高溫過程引起的相變和脆裂; 3 可通過改變?nèi)芤旱某煞謥砀淖兺繉拥某煞? 可以使蛋白質(zhì)、骨生長因子、抗生素等有機物質(zhì)在仿生溶液中與羥基磷灰石共沉積; 4 利用仿生技術(shù)可在形狀復(fù)雜和多孔的基體上形成均勻的涂層, 所需設(shè)備簡單、操作方便、沉積工藝易控制、費用較低.本文介紹了鈦(Ti 、鈦合

6、金(Ti 26A l 24V 和鎳鈦形狀記憶合金等醫(yī)用金屬生物材料表面仿生處理研究以及醫(yī)用金屬表面修飾生物活性大分子的研究進展, 并對S BF 中影響Ca 2P 沉淀相的晶化成核和生長因素的研究作一總結(jié).9211. 因此, 醫(yī)用金屬生物材料表面制備具有生物活性的羥基磷灰石, 可集金屬材料的強度韌性和生物活性陶瓷的抗蝕、耐磨及生物相容性為一體, 得到完全滿足臨床應(yīng)用需要的人體硬組織修復(fù)替代材料.目前醫(yī)用金屬材料表面制備活性涂層的方法很多, 主要有:等離子噴涂沉積64、激光熔覆5、離子束輔助8、溶膠-凝膠7、電化學(xué)沉積和仿生沉收稿日期:2005207208.基金項目:天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金(2

7、0041018 . 第一作者:崔忠波(1982 , 男, 碩士研究生. 通訊作者:陳民芳(1962 , 女, 教授, 博士. 1醫(yī)用金屬生物材料表面仿生處理1. 1鈦及鈦合金表面仿生處理鈦及合金表面會自發(fā)形成均勻致密的Ti O 2氧化膜, 其介電常數(shù)( 與水相當(dāng), 因此具有較好的生物性能, 且具有較高的強度和斷裂韌性, 是臨床應(yīng)用的金屬植入體中綜合性能最為優(yōu)異的生物醫(yī)用材料, 但它們?nèi)匀痪哂猩锒栊? 與骨的結(jié)合屬于機械鎖12合. 此外, 鈦合金(如Ti 26A l 24V 中的V 聚集在生物體內(nèi)的骨、腎、肝、脾等器官, 其毒性效應(yīng)與磷酸鹽生化代謝有關(guān), A l 可通過鋁鹽在體內(nèi)的蓄積而導(dǎo)13

8、214致骨軟化、貧血、神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂等癥. 為了在盡可能短的時間內(nèi)達到鈦及鈦合金種植體與周圍骨組織之間的生物活性結(jié)合, 目前國內(nèi)外科學(xué)家開發(fā)了多種仿生礦化處理的技術(shù). 1. 1. 1堿熱處理方法15早在20世紀(jì)出了S BF, . 將Ti 或Ti 26A l 24V 放置于60的Na OH 溶液中浸泡24h, 升溫至600并保溫1h, 再浸泡在36. 5的S BF 中, 制備出類骨磷灰石.其機理可歸結(jié)為水合鈦酸鈉溶膠層的作15218用. 堿處理后鈦及鈦合金表面形成水合鈦酸鈉溶膠, 熱處理后溶膠脫水形成凝膠, 并有少量金紅石晶體和聚鈦酸鈉(Na 2Ti 5O 11 晶體形成. 將其浸泡在S BF

9、 中, 非晶鈦酸鈉中的Na 與S BF 中的H 3O 進行+形核, 使HA 外延生長. 1. 1. 3鈣化溶液處理方法21223Barr ère F 等人研究發(fā)現(xiàn)提高溶液離子濃度可加快磷灰石涂層的生長速度, 采用5倍質(zhì)量分?jǐn)?shù)的S BF (簡稱5S BF 研究Ca 2P 沉積物在Ti 26A l 24V 表面仿生沉積過程. Ca 2P 沉積物的長大過程和機械鎖合與表面形貌密切相關(guān), 要求Ti 26A l 24V 基體表面粗糙度要高于0. 10m.其機理可歸結(jié)為弱酸性CO 2氣體的緩釋作用. 在溶液中通入弱酸性CO 2氣體, 可使5S BF 的pH 降至約為6, 溶液局部的pH 降低.

10、當(dāng)停止通入CO 2氣體, CO 2會從溶液中自然釋放, 伴隨著CO 32-21223/HCO 3的緩釋作用, 溶液的和Ca 2P 沉積-Ti 26A l 24V-CO 3. . 42提出了一種用H 2O 2溶液處理鈦金屬的表面活化技術(shù). 雙氧水處理可以在鈦金屬表面獲得一層富含Ti 2OH 基團的非晶態(tài)二氧化鈦.25Mao C B 等人將經(jīng)H 2O 2溶液浸泡的Ti 片放入HA 過飽和溶液中鈣化7d, 可觀察到從外到里形成OCP /HA/Ti 的梯度結(jié)構(gòu), 且雙層結(jié)構(gòu)的HA 和OCP 的每一層都以(001 晶面擇優(yōu)取向生長, 這有利于膠原纖維生長進入Ca 2P 涂層, 且OCP 可作為HA 的前

11、26驅(qū)體直接與骨組織接觸. W ang X X 等人在H 2O 2中加入TaCl 5, 并在300600之間進行熱處理1h, 浸泡在S BF 中2d 便可在Ti 表面沉積磷灰石層, 這進一步縮短了孕育期.其機理可歸結(jié)為含Ti 2OH 基團的銳鈦礦型Ti O 2水溶膠和負電性表面的雙重作用. 這同堿液處理的效果相似, 金屬表面形成富含Ti 2OH 基團的二氧化2+3-鈦水凝膠, Ti 2OH 先與Ca 結(jié)合, 再與P O 4共沉積, 磷灰石異向形核并自發(fā)生長, 形成類骨磷灰石. 雙氧水處理后形成的微觀多孔的負電性的表面可通過靜電力誘導(dǎo)磷灰石沉積. 經(jīng)300熱處理, 可以消除干擾磷灰石成核的表面過

12、氧化物, 同時形成銳鈦礦型Ti O 2, 使HA 沿(100 晶面外延生長. 1. 2N iTi 形狀記憶合金的表面仿生處理N iTi 形狀記憶合金具有獨特形狀記憶效應(yīng)、超彈性和與皮質(zhì)骨相似的彈性模量, 在牙科、外科矯形、骨科修復(fù)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)27用. 雖然N iTi 合金可在表面自發(fā)的形成一層C 等人Ti O 2氧化膜, 但其疏松, 易剝落, 且剝落后的N iTi 合24離子交換, 在金屬表面形成富含Ti 2OH 基團的二氧2+3-化鈦水溶膠, Ti 2OH 先與Ca 結(jié)合, 再與P O 4共沉積, 磷灰石異向形核并自發(fā)生長, 形成類骨磷灰石. 1. 1. 2酸堿二步處理方法1

13、0, 19220W en H B 等人通過酸堿化學(xué)二步法處理, 將鈦或鈦合金浸蝕在等體積的HCl/H2S O 4溶液中0. 5h, 然后在140, 0. 2mol Na OH 溶液中沸煮5h, 再在過飽和鈣化溶液(SCS 中浸泡處理. 在生物活性微觀多孔的鈦表面快速沉積鈣磷層, 沉積速-1率為1m h , 幾天后在鈦表面沉積的Ca 2P 涂層達20m , 從而縮短了鈣磷沉積物的孕育期.10, 19220其機理可歸結(jié)為微觀多孔Ti O 2的作用. Ti O 2在水溶液中易結(jié)合OH 而帶負電荷. 浸泡在SCS 中, 溶液局部的pH 升高, 過飽和度增加, 這種微-觀多孔結(jié)構(gòu)可更多地吸附HP O 4

14、和Ca , 促進HA 的沉積, 且微觀多孔的Ti O 2基團具有亞微米尺度, 銳鈦礦型Ti O 2和HA 之間低的晶格錯配度可誘發(fā)HA2-2+金表面自氧化能力差28. 因此, 通過仿生處理, 改善 其表面性質(zhì), 可大幅度改善抗腐蝕性和生物相容性,達到長期植入的穩(wěn)定性的效果.29231Bogdanski D 等人采用浸漬涂膜的方法對N iTi 合金進行仿生處理, 將N iTi 合金置入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H 2O 2中沸水煮1h, 經(jīng)4mol K OH 在120堿煮0. 5h, 隨后, 將N iTi 合金浸泡在過飽和鈣化溶液(SCS 中, 24h 后表面結(jié)晶層的厚度約為10m , 由類板狀的磷酸八

15、鈣(OCP 和羥基磷灰石(HA 的混合物組成. N iTi 形狀記憶合金經(jīng)飽和鈣磷溶液處理后, 可在表面形成Ca 2P 沉積物, 具有微觀多孔結(jié)構(gòu), 涂層的厚度為520m. 涂有OCP /HA 的S MA 細胞激動素的釋放量減少, 與未涂層的N iTi 合金相比, 白細胞和血小板使Ca 2P 沉積物和N iTi 基體間的粘合強度提高.32233天津大學(xué)的楊賢金等人通過酸蝕(HCl/H 2S O 4 、堿處理、預(yù)鈣化和S BF N HA d, N iTi , 尺度<200nm; 鈣化5d, 表面已形成一層均勻的Ca 2P 沉積物, 厚度超過1. 45m , 且與基體間存在梯度過渡層. 陳民

16、芳的研究表明11, 34236或化學(xué)鍵合的方法固定在材料的表面.381 抗生素. Stigter M 等人的實驗表明, 將Ti 26A l 24V 板浸泡在375S BF 溶液中24h, 表面首先沉積出薄的非晶鈣磷層(ACP , 隨后在37浸泡在0, 100, 200, 400, 600或800mg/L含托普霉素的過飽和鈣磷溶液(SCP 中48h, 可形成40m 厚的37碳酸化的HA 與抗生素的共沉淀物, 這是由于托普霉素中含有許多親水基團, 可與SCP 溶液中的2+2+2-2-Ca 、Mg 、HP O 4、HCO 3通過靜電力吸引, 且等電位點為8. 2, 在中性pH 環(huán)境下荷正電, 易被C

17、a 、HP O 4在沉積過程中俘獲, 高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的托普霉素2-2+可抑制CHA 的晶體生長。3922 蛋白質(zhì). L iu Y L 等人蛋白(, 將Ti 26A l 24V pH . 48h , 表, 可測得白3050m. 顯然, 蛋白質(zhì)分子2+可作為晶種影響形核位點的數(shù)量, BS A 可與Ca 形成強烈的化學(xué)鍵合, 并與P O 4共沉積, 抑制Ca 2P 沉淀的生長, 并進入Ca 2P 涂層的晶格內(nèi), 使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 由磷酸八鈣(OCP 轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓峄u基磷灰石(CHA . 這表明仿生HA 涂層可用于攜帶蛋白質(zhì).3 肽鍵. 精氨酸2甘氨酸2天冬氨酸(RG D 序列為纖連蛋白中最重要的短肽序

18、列. Roessler S 等41人在鈦表面沉積羥基磷灰石或礦化膠原涂層, 并將這些仿生涂層作為基質(zhì), 鍵接上粘附肽(RG D . 用于牙齦區(qū)域?qū)诱车鞍椎玫降木€性肽(T W YKI 2AF QRNRK 鍵連到膠原上, 用于骨界面將環(huán)狀肽(2RG DFK 分別通過疏基或硫酸酯鍵連到礦化膠原和羥基磷灰石, 這可歸結(jié)為肽鍵這種肽和蛋白質(zhì)的基本共價鍵對細胞表面特異受體的黏附作用. 含RG D 序列肽或蛋白對材料表面進行修飾, 可引入細胞識別位點, 模擬生物體的細胞外基質(zhì)環(huán)境, 改善材料的細胞親和性.3-, N iTi 合金置入60質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32. 5%的HNO 3溶液中20h, 然后用1. 2mol

19、/L的Na OH 水溶液溫煮5h , 在S BF 中浸泡1d2-后, 表面可自發(fā)地沉積含CO 3的類骨磷灰石, 其主要成分為HA , 還有少量的2Ca 3(P O 4 2. 且隨著堿液濃度的提高, N iTi 合金表面除形成鈦酸鈉外, 還有鎳酸鈉生成.其機理可歸結(jié)為HNO 3處理增加N iTi 合金的表面積, 使Ti O 2膜致密化, Na OH 處理使N iTi 合金表面形成以Na 2Ti 3O 7為主的納米網(wǎng)狀活性層, 預(yù)鈣化可誘導(dǎo)非晶鈣磷顆粒(Ca 2P 2O 74H 2O 在活性網(wǎng)格內(nèi)快速形成, S BF 浸泡使其仿生生長成含碳酸根的類骨磷灰石層. 經(jīng)過上述處理的試樣與未處理的試樣分別

20、植入兔子的左右腿中653周, 發(fā)現(xiàn)植入13周N iTi/HA為骨性界面, 種植體與骨直接結(jié)合, 緊密無裂紋, 類骨磷灰石涂層刺激骨母細胞增殖、活躍, 促進類骨質(zhì)礦化, 成骨速度加快, 26周和53周后該種植體與骨依然緊密結(jié)合.3S BF 中Ca 2P 沉淀相晶化成核及生長理論生理環(huán)境下, 人體內(nèi)的Ca 2P 沉積物主要包括HA 、OCP 和DCP D. HA 在生理條件熱力學(xué)最穩(wěn)定.2醫(yī)用金屬表面修飾生物活性大分子材料材料表面生物活性分子的固定和截留是制備具有生物特異性和識別性表面的基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用的方法, 該方法是將生物活性大分子通過物理吸附、包埋然而, OCP 和DCP D 由于其動力學(xué)擇優(yōu)

21、生長, 通常被看做HA 的前驅(qū)體或Ca 2P 沉淀的亞穩(wěn)相. 研究發(fā)現(xiàn), OCP 層或者DCP D 層雖然不容易在HA 和環(huán)境骨組織之間插入生長, 但是它們可以快速的轉(zhuǎn)化為HA, 可增強涂層與環(huán)境骨骼間的骨結(jié)合性.42 認為, Ca 2P 沉積物的形成與溶液(pH 、組分、過飽和度和離子質(zhì)量分?jǐn)?shù) 、磷灰石晶體固相(化學(xué)組分、溶解度、晶粒尺寸 和表面結(jié)構(gòu)(缺陷、吸附離子、原始形貌、相轉(zhuǎn)變 有關(guān), 并提出磷灰石晶體沉淀的8種理論模型, 分別為:1 擴散和動力學(xué)控制模型; 2 多晶形核模型; 3 富鈣層形成的自抑制模型; 4 定化學(xué)計量和非定化學(xué)計量比值的離解模型; 5 化學(xué)模型; 6 酸蝕坑形成模

22、型; 7 離子交換模型; 8 氧中子吸附氫電解模型. Ca 2P 沉淀的形成要經(jīng)歷的5個過程為:1 固/液界面處化學(xué)形核劑擴散; 2 磷灰石表面化學(xué)物質(zhì)吸附; 3 表面化學(xué)轉(zhuǎn)變; 4 晶格表面Ca 2P 沉積物脫附; 5 沉淀物擴散.44Lu X 等根據(jù)Ca 2P 沉積物在S BF 中的驅(qū)動力和形核率, 對其形成進行了系統(tǒng)的熱力學(xué)和動力學(xué)的解釋. 結(jié)果表明:1 從熱力學(xué)上來講, 當(dāng)pH 5. HA , 在6. 3時其; 整個與DCP D 范圍內(nèi)沒有DCP D (G DCPD >0 , DCP D 為常態(tài)下S BF 中熱力學(xué)最不穩(wěn)定的沉積物, 隨S BF 中鈣離子和磷酸氫根離子濃度升高而穩(wěn)

23、定提高. 2Dor ozhkin S V432李世普. 生物醫(yī)用材料導(dǎo)論M.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)從動力學(xué)上來講, 雖然隨著pH 值升高, HA 和OCP的沉積物的驅(qū)動力都增加, 但HA 的驅(qū)動力總是比OCP 的沉淀驅(qū)動力大. 換言之, 在生理條件下(pH =7. 4 , OCP 的成核率(J OCP 比HA (J HA 高10個數(shù)量級; 隨著pH 值升高, 成核率之間的差異降低, 當(dāng)pH 值接近于10, J OCP 與J HA 相近, 這表明pH 值是影響Ca 2P 沉積物成核的重要因素.4展望在醫(yī)用金屬材料表面進行仿生礦化處理是生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)研究中的一個重要領(lǐng)域. 它不僅受熱力學(xué)因素(如溫度、

24、壓力、濃度、pH 和Eh 等 、動力學(xué)因素(如成核、沉淀和相變等 控制, 也受生物學(xué)因素(空間、構(gòu)架和化學(xué)等 控制. 近年來, 對醫(yī)用金屬材料表面進行仿生礦化處理, 已制備出了具有生物活性的涂層. 但是, 也應(yīng)看到, 仿生技術(shù)尚不成熟, 因而應(yīng)從研究自然界中磷灰石的生物礦化角度來研究醫(yī)用金屬表面仿生沉積磷灰石涂層, 以期早日商品化并造福人類. 參考文獻:1俞耀庭. 生物醫(yī)用材料M.天津:天津大學(xué)出版社,2000.出版社, 2000. 3崔福齋, 馮慶玲. 生物材料學(xué)M.2版. 北京:清華大學(xué)出版社, 2004. 4K W EH SW K, KHOR K A, CHE ANG P . An in

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