鈦合金多孔材料生物涂層的制備及性能研究

鈦合金多孔材料生物涂層的制備及性能研究

人工關節(jié)的置換方法是治療關節(jié)晚病和重建關節(jié)功能的最有效方法。微孔人工關節(jié)作為一種生物內鎖固定技術的新力量，在臨床上被廣泛使用。與固定的骨水泥關節(jié)相比，它具有獨特的優(yōu)點。直接將體放在骨組織中，骨組織逐漸插入微孔中，這可以通過機械固定實現(xiàn)從有機鎖定到生物內鎖固定的轉變。近年來,關于此類關節(jié)假體的研究大多集中在表面改性方面,對于新型假體材料研究較少。TLM(Ti-Zr-Sn-Mo-Nb)是由西北有色金屬研究院研制的一種五元系合金,與其他鈦合金相比具有:高強度、低彈性模量,可減少由于應力屏蔽而引起的假體松動,是良好的人工關節(jié)假體材料。本研究以TLM為試驗材料,利用微弧氧化法,并對微弧氧化后試件進行BMP(骨形態(tài)發(fā)生蛋白)復合,制備微孔-微弧氧化HA(羥基磷灰石)涂層、微孔-微弧氧化HA-BMP2種復合涂層試件,對上述試件進行表面形貌分析,并與單純微孔涂層試件對照,進行動物體內植入評價分析。1多孔-微弧氧化-bmp復合試件基于pv-pa試件分為3組,其制備分別為:第1組:多孔涂層試件(PCI組):將新型β型鈦合金材料(TLM,西北有色金屬研究院)用等離子旋轉電極法制備球形鈦粉,直徑為500~700μm,將中心桿插入自制模具,然后將球形鈦粉松裝填入,在真空、1300℃保溫2h燒結,燒結后帶涂層尺寸為長60mm、直徑7mm的多孔涂層鈦合金試件,多孔涂層厚度約2mm,孔隙率為35%~45%,燒結層的表面形貌如圖1所示。第2組:多孔-微弧氧化涂層試件(PCI/HA組):取上述多孔涂層鈦合金試件置于去離子水和β甘油磷酸鈉:0.04mol/L;乙酸鈣濃度:0.2mol/L。采用脈沖直流電源微弧氧化設備進行表面處理,恒壓模式,電壓:350V;電解時間:5min;占空比50%;頻率:50Hz。制備多孔-微弧氧化HA復合涂層的鈦合金試件,微弧氧化層的表面形貌如圖2所示。第3組:多孔-微弧氧化-BMP復合試件(PCI/HA/BMP組):取牛骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)(第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院骨科實驗室)20mg溶于3mL、4mol/L鹽酸胍中,將多孔-微弧氧化Ca、P涂層試件多孔涂層部分置入溶液中,2℃、pH3.01檸檬酸緩沖液透析24h后冷凍干燥。試件均經(jīng)超聲清洗、環(huán)氧乙烷熏蒸6h。動物實驗:取成年健康雜種犬12只,雌雄不限,年齡1.5~2.5歲,體重(13±2)kg,隨機分為4周、12周2個時間組,每組6只。按3.2mg/kg體重的劑量用鹽酸賽拉嗪注射液作肌肉注射麻醉。手術顯露犬股骨大粗隆及粗隆下,用直徑7mm鉆頭自大粗隆頂端沿縱軸鉆開股骨近端骨髓腔,用鼓錘將柱形試件完全植入骨洞內。生理鹽水沖洗切口后,逐層縫合切口。同法對側股骨植入一枚試件,術后青霉素400萬單位肌注3d。在4、12周各處死6只動物,大體觀察試件周圍組織形態(tài)和周圍有無水腫、膿腫、變性壞死和增生等情況,取標本后切割、手工磨至顯露涂層-骨組織界面,在Pilips環(huán)境(低真空)掃描電鏡下直接觀察多孔涂層內、外新骨形成、骨小梁的成熟程度及涂層的降解情況等。2結果與討論2.1鈦基導電材料tio的晶型轉變圖3為微弧氧化HA涂層的XRD圖譜。可以看出該涂層主要由銳鈦礦型和金紅石型TiO2組成,這是由于在微弧氧化時電火花擊穿部分表面形成弧光,產(chǎn)生高溫可達2000℃使鈦基體熔化,遇電解液快速凝固形成TiO2相,而這遠超過了銳鈦礦型TiO2到金紅石型TiO2的轉變溫度,隨著在電解液中的快速凝固會有部分TiO2由金紅石型轉變?yōu)殇J鈦礦型,而其它部分尚來不及轉變,這使得2種晶型的TiO2同時存在。衍射峰尖銳無分叉,說明涂層具有較高的結晶度。從圖中還可以看出由于微弧氧化作用,導致Ca、P的引入,形成了HA相,但量較少,更多的Ca和P可能是以非晶相的形式存在,同時有部分Ca與TiO2反應結合生成CaTiO3相。2.23多孔-微弧氧化涂層的微觀結構從多孔件燒結后的SEM照片可以看出,鈦珠之間結合緊密,所形成的孔隙均勻(圖1),從高倍照片中可以看出孔徑為400~600μm。從多孔-微弧氧化HA涂層SEM照片中可以看出,微弧氧化層均勻無裂紋、剝落,能夠在鈦珠表面很好地形成膜層,不受多孔層形狀的影響,其微孔直徑1~10μm之間,微孔分布均勻(圖2)。圖4為多孔-微弧氧化HA-BMP涂層的SEM照片。從圖中可以看出在多孔-微弧氧化HA層的表面有絮狀BMP附著沉積。由于鈦珠均為近球形,那么假設在松裝填充模具過程中球與球之間密切接觸,即球與球之間可構成近乎金屬學中描述的面心立方與體心立方,而根據(jù)金屬學知識,它們的孔隙率分別為33%和45%,多孔件的孔隙率介于33%至45%之間,介于這個孔隙率范圍內的多孔件有利于骨組織的長入;微弧氧化層所形成的微孔與多孔鈦珠層結合形成的孔隙形成尺寸連續(xù)的多孔結構,這有利于提高多孔件植入動物體內后生物固定性的提高(生物活性)。BMP在體內具有誘導新骨生成活性,復合BMP的多孔-微弧氧化HA層在植入體內后BMP發(fā)揮其骨誘導活性并逐漸被降解,促使新骨長入微孔間隙中。2.3涂層組織結構觀察實驗動物術后活動、進食正常,手術切口均一起愈合,動物無死亡,術后三維CT重建示植入試件位置良好(見圖5)。按各時間點分別處死實驗動物,取材后可見植入部位無水腫、膿腫、壞死等,植入體裸露部分周圍有新生軟骨組織包裹,無明顯炎癥反應,植入試件與股骨結合緊密。在Pilips環(huán)境(低真空)掃描電鏡下觀察可見:試件植入后4周,3組試件周圍均可見新生骨小梁結構,以PCI/HA/BMP組含量最多,該組亦有較多量新生骨組織長入內層微粒間隙,PCI/HA組次之,PCI組新生骨小梁結構未見長入內層微粒間隙(圖6)。PCI/HA組及PCI/HA/BMP組可見微粒表面HA涂層僅少部分降解(圖7)。植入后12周,3組試件表面骨小梁結構進一步增多,均有新生骨組織長入試件內層微粒間隙,PCI/HA組及PCI/HA/BMP組較PCI組多,且內層微粒表層有較厚的板層骨形成(圖8),微粒間隙內骨小梁結構亦趨向成熟,并可見微粒表面HA涂層大部分已被降解(圖9)。3組涂層組織相容性較好;掃描電鏡觀察均顯示試件植入初期PCI/HA/BMP組和涂層-骨組織界面新生骨小梁形成明顯較其他兩組多,且已有新骨組織長入內層微孔中,后期3組試件周圍新生骨組織均趨向成熟,但PCI/HA/BMP組試件內層微孔中可見板層骨組織形成,且新骨組織成熟度較高,掃描電鏡可見植入中后期HA涂層降解較初期明顯增多。2.4微弧氧化復合涂層隨著人工關節(jié)技術的不斷深入,大量有關微孔人工關節(jié)的實驗研究大多集中在材料及假體表面處理領域,HA是微孔人工關節(jié)最常見的表面材料,它具有與人體骨組織相同的化學和晶體形狀結構,有著良好的生物活性及誘導新骨形成的能力,許多基礎實驗及臨床研究表明,相對于非涂層假體,HA涂層假體有著更好的誘導新骨形成能力和更為牢靠、長久的固定效果。目前,HA涂層的制備技術有等離子噴涂、溶膠-凝膠、電泳沉積、激光熔覆、等離子增強沉積等,但上述技術制備的涂層無法在結合強度、多孔性及復雜表面上的成型性方面達到兼顧。微弧氧化(MAO)是近年發(fā)展的金屬表面改性新技術,它直接把基體金屬氧化并燒結成陶瓷層,其優(yōu)勢在于不僅可在復雜形狀表面均勻成膜,而且所制備的膜層呈多孔形態(tài)、與基體間無界面并具有高于40MPa的結合強度,因此MAO技術不僅為假體表面同時具備生物活性、多孔性和納米形態(tài)提供了可能,也可進一步改善新型鈦合金假體的力學相容性。近些年來,使用具有生物誘導活性的有機或無機成分來制作假體表面復合涂層也成為研究熱點,如骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。BMP是一種多功能細胞因子,能夠調控多種生物學過程,具有很強的誘導軟骨和骨形成的活性,并且可以和多種不同性質的載體復合,組成不同類型的具有骨誘導活性的矯形修復材料。許多研究表明載有BMP的骨修復材料能顯著促進新骨形成。Y.Liu等研究發(fā)現(xiàn),復合有BMP的鈣磷涂層在促進假體-骨組織界面新骨生成方面非常有效,這些研究均提示此類涂層在增強假體骨整合方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?多孔材料