（材料学专业论文）钛合金表面图案化处理及生物活性化机理.pdf

钛合金表面图案化处理及生物活性化机理 ( 国家自然科学基金资助) m i c r o - p a t t e r n e dt r e a t m e n t o ft ia l l o ys u r f a c ea n d i t sb i o l o g i c a la c t i v a t i o nm a c h a n i s m ( s u p p o r t e db y n a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ) 一级学科：材料科学与工程 学科专业：材料学 研究生：梁春永 指导教师：杨贤金教授 天津大学材料学院 二零零八年四月 摘要 钛及其合金因其优异性能己越来越多的被应用于临床医学。表面改性是目前解 决合金在医学领域应用的主要障碍的有效途径，其原因主要有两个方面，其一是将 植入材料进行表面图案化，以改变材料表面形貌和提高表面粗糙度，从而提高骨组 织与植入材料的机械锁合力和结合强度；其二是在金属表面制备生物强化层或活性 层，来改善材料的生物活性，以提高骨组织与材料的结合力，同时减少基体材料中 有害离子的溶出，降低材料的生物毒性。 本文采用飞秒激光和喷砂后酸蚀工艺在t i 及其合金表面加工不同显微图案结 构。比较分析了不同图案化表面和生物活性层对生物相容性的影响，采用计算机技 术模拟了h a 在样品表面的生长过程，制定合理的人工关节和骨修复器表面生物活 化层制备工艺。 主要研究结果表明： 喷砂工艺能有效提高样品的表面粗糙度。当砂粒尺寸为1 5 0 目时，得到了既满 足精度要求又具有较大生物活性的样品表面。喷砂后的样品先经草酸处理再进行硝 酸氧化的方法能够既有效去除表面污染，又能获得良好的氧化层，从而提高基体的 生物相容性。采用飞秒激光在n 讯合金及纯t i 为基的样品上加工不同周期结构图 案。仿生生长h a 的实验表明，在这种具有多级拓扑结构并具有t i 氧化层的表面， h a 的生长速度要高于在喷砂酸蚀处理的表面。 通过体外实验比较不同的图案化表面和有无类骨磷灰石t i 合金表面对成骨细 胞生长数量和形态的影响。m t t 测试表明，经飞秒激光及喷砂酸蚀表面图案化处 理的试样上细胞增殖总数及增殖速率均大于未处理试样，且样品表面的图案结构有 利于诱导细胞生长更多的伪足，使其按图案化结构定向攀附，从而提高细胞的贴附 生长能力。t i 合金表面生长类骨磷灰石层能有效屏蔽有害离子的溶出，从而显著提 高细胞增殖速率。与仅经图案化处理的样品相比，仿生生长h a 活性层的样品诱导 细胞分泌a l p 的能力更强，有利于c a 2 + 的矿化沉积。 根据第一性原理对溶液中各种离子在羟基化的t i 0 2 表面的沉积进行了模拟，分 析羟基磷灰石的动态生长过程。结果表明，在反应的初始阶段，溶液中的p 0 4 3 。首 先与水反应生成h 2 p 0 4 ，h 2 p 0 4 将诱导至羟基化的t i 0 2 表面。然后h 2 p 0 4 。离出的 仃与t i 0 2 表面的o h 结合形成水分子进入溶液，从而引起溶液中p 0 4 的沉积。为 保持溶液的电中性，沉积p 0 4 3 。后的表面将吸附c a 2 + ，并诱导了c a 2 + 的沉积，计算 结果表明，c a ：+ 将优先在p 0 4 3 一与t i 0 2 表面形成的八面体间隙位置沉积。随着反应 的不断进行，最终在t i 0 2 表面形成以化学方式结合的钙磷层。 根据理论研究和前期试验结果，提出最终的在骨修复器件表面制备生物活化层 的方案，采用自制设备在商用钛合金人工关节和骨修复器表面制备出均匀活性层， 所处理的商用钛合金植入体尺寸精度符合植入要求。并进行了动物体内试验。体内 试验表明，经喷砂加酸蚀预处理结合仿生化学法制备类骨磷灰石新工艺表面处理后 的植入体，更有利于成骨细胞的生长矿化，加速骨的传导和生长过程，能够迅速与 骨组织形成无缝隙的骨性结合。 关键词：钛合金；表面改性；飞秒激光；计算模拟；生物活性化 i i a bs t r a c t t ia n dt i a l l o y sh a v eb e e na p p l i e dt oc l i n i c a lm e d i c i n ef o rt h e i re x c e l l e n t p r o p e r t i e s s u r f a c em o d i f i c a t i o ni sa ne f f i c i e n tm e t h o dt oe l i m i n a t et h er e s t r i c t i o ni n m e d i c a la p p l i c a t i o n sf o rt ia l l o y s f o rt h es u r f a c em o d i f i c a t i o n ，t w oa s p e c t ss h o u l d b ec o n s i d e r e d ：o n ei st h ep a t t e r n e ds u r f a c eo f i m p l a n t ，w h i c hc a nm o d i f yt h es u r f a c e a p p e a r a n c ea n dr o u g h n e s s ，t h e ni m p r o v et h em e c h a n i c a ll o c k i n gf o r c ea n db o n i n g s t r e n g t hb e t w e e nt h eo s s e o u st i s s u ea n dt h ei m p l a n t ；a n o t h e ri st h ep r e p a r a t i o no f a c t i v el a y e ro nt h em e t a ls u r f a c e ，w h i c hc a ni m p r o v et h eb i o a c t i v i t yo fi m p l a n ta n d t h eb i n d i n gf o r c e ，d e p r e s st h er e l e a s eo fn o x i o u si o n i c ，a n dd e c r e s et h ec y t o t o x i t yo f t h em a t e r i a l s i nt h ep r e s e n tw o r k ，f e m t o s e c o n dl a s e rt e c h n o l o g y ( f l t ) a n ds a n db l a s t i n g f o l l o w e db ya c i dt r e a t m e n tt r e a t m e n t ( s l a ) w e r eu s e dt op r e p a r et h ep a t t e r ns u r f a c e o ft ia n dt i a l l o y s t h ee f f e c t s o fp a t t e ms u r f a c ea n db i o a c t i v i t y l a y e ro n b i o c o m p a t i b i l i t yw e r ei n v e s t i g a t e db yc o m p a r t i o na n a l y s i s ，a n dh y d r o x y a p t i t e ( h a ) g r o w i n gp r o c e s so nt h es p e c i m e nw i t hv a r i o u sp a t t e r ns u r f a c e sw a ss i m u l a t e d f u r t h e r m o r eu n i f o r mb i o a c t i v i t yl a y e rw a sp r e p a r e do nm e d i c a li m p l a n t s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a ts l ac a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es u r f a c e r o u g h n e s so fs p e c i m e n w h e nt h es a n dg r a i ns i z ei s 15 0 # ，t h es p e c i m e ns u r f a c ei s s a t i s f i e df o rt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n ta n de x h i b i t sg o o db i o a c t i v i t y t h eo x a l i ca c i d b yn i t r i c a c i do x i d a t i o nt r e a t m e n ta f t e rs a n db l a s t i n gc a ne l i m i n a t et h es u r f a c e c o n t a m i n a t i o n m e a n w h i l e ，t h ef a v o r a b l eo x i d el a y e ri sf o r m e d ，w h i c hc a ni m p r o v e t h eb i o c o m p a t i b i l i t y t h ep a t t e n so nt h en i t ia n dt iw i t hd i f f e r e n tp e r i o d i cs t r u c t u r e sw e r ef a b r i c a t e d b yfl t t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eg r o w t h i n gr a t eo fh al a y e ro nt h et io x i d e l a y e rw i t hm u l t i p l e v e lt o p o l o g ys t r u c t u r ei sf a s t e rt h a nt h a to nt h es u r f a c et r e a t e db y s l a t h ev i t r oe x p e r i m e n t sw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft ia l l o ys u r f a c e w i t hd i f f e r e n tp a t t e r no nt h eq u a n t i t ya n ds h a p eo fo s t e o b l a s t t h ei n f l u e n c eo ft i a l l o ys u r f a c ew i t ho rw i t h o u tb o n e l i k ea p a t i t ew a sa l s os t u d i e du s i n gs a m em e t h o d m t t ( 3 - 4 ，5 - d i m e t h y l t h i a z o l 一2 一y l 一2 ，5 一d i p h e n y l t e t r a z o l i u mb r o m i d e ) r e d u c t i o na s s a y s h o w st h a tt h ec e l lm u l t i p l i c a t i o nq u a n t i t ya n dm u l t i p l i c a t i o nr a t eo nt h ep a t t e m s u r f a c es u b j e c t e dt of l ta n ds l aa r eg r e a t e rt h a nt h o s eo nt h eu n t r e a t e ds u r f a c e m o r e o v e r ，t h ep a t t e r ns t r u c t u r ef a v o rt oi n d u c et h eg r o w t ho fc e l lp s e u d o p o d ，w h i c h c a ns p e e ld i r e c t i o n a l l ya l o n gt h ep a t t e mm i c r o s t u c t u r e t h e r e f o r e ，t h ea b i l i t yo fc e l l a n c h o r a g eg r o w t hi si m p r o v e d t h eh al a y e ro nt h et ia l l o yc a nd e p r e s st h er e l e a s e o fn o x i o u si o n s ，f u r t h e r m o r ei n c r e a s et h er a t eo fc e l lm u l t i p l i c a t i o n a sc o m p a r e dw i t h t h es p e c i m e no n l ys u b je c t e dt op a t t e r nt r e a t m e n t ，t h es p e c i m e nw i t hb i o n i cg r o w t h i i i h a l a y e rh a sb e a e ra b i l i t yf o ri n d c u c i n gt h ea l k a l i n ep h o s p h a t a s es e c r e t i o n w h i c hi s i nf a v o ro ft h em i n e r a l i z ep r e c i p i t a t i o no fc a z + a c c o r d i n gt ot h ef i r s tp r i n c i p l e s ，t h ed e p o s i t i o np r o c e s s so fd i f f e r e n ti o n si n s o l u t i o no nt h eh y d r o x y l a t i n gt i 0 2s u r f a c ew e r es i m u l a t e db yac o m p u t e rt oa n a l y z e t h eh ad y n a m i cg r o w t hp r o c e s s t h er e s u l t ss h o w ：t h ep 0 4 r e a c t sw i t hh 2 0t of o r m h 2 p 0 4 。g r o u p ，a n dt h eh 2p 0 4 g r o u pd e p o s i t e so nt h eh y d r o x y l a t i n gt i 0 2s u r f a c ea t t h ei n i t i a ls t a g e a n dt h e n ，t h eh + i nt h eh 2 p 0 4 一g r o u ps e p a r a t e so u ta n dc o m b i n e d w i mo h o nt h et i 0 2s u r f a c et of o r mh 2 0 t h i sw o u l dr e s u l ti nt h ea c u m u l a t i o no f p 0 4 g r o u pi nt h es o l u t i o n t ok e e pt h ee l e c t r o n e u t r a l i t yo fs o l u t i o n t h ea l l o ys u r f a c e w o u l da b s o r bt h ec a z + t of o r mt h ep r e c i p i t a t i o no f c a ”g r o u p t h er e s u l t so fc o m p u t e r s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ec a ”g r o u pd e p o s i t sa tt h eo c t a h e d r a l i n t e r s t i c e ss i t e so ft h e p 0 4 g r o u pa n dt i 0 2s u r f a c e w i mf u r t h e rr e a c t i o n t h ec a l c i u mp h o s p h o r u sl a y e r w i t hc h e m i c a lc o m b i n a t i o nm o d ew o u l db ef o r mo nt h et i 0 2s u r f a c e a c c o r d i n gt ot h et h e r o r e t i c a li n v e s t i n g a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h em e t h o d t op r e p a r eb i o a c t i v i t yl a y e ro nm e d i c a li m p l a n t s ( a r t i f i c i a lj o i n t sa n db o n er e s t o r i n g b o d y ) w a se s t a b l i s h e d ，a n dt h el a y e r , w h i c hw e r ep r e p a r e db ys p e c i a le q u i p m e n t ，a r e h o m o g e n o u s t h ed i m e n s i o n a la c c u r a c yo ft h ei m p l a n t ss u b j e c t e dt ot r e a t m e n tc a n m e e tt h ed e m a n do fi m p l a n t a t i o n s t h ev i v o t e s t sw e r ea l s oc a r r i e do u t t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ei m p l a n t ss u b j e c t e dt ot h es u r f a c et r e a t m e n tc o m b i n i n gt h ea c i de r o s i o n a f t e rs a n d b l a s t i n ga n db i o m i m e t i cc h e m i s t r yg r o w t h i n gh a l a y e ra r ef a v o u r a b l et ot h e g r o w t hm i n e r a l i z a t i o no fo s t e o b l a s t ，w h i c ha c c e l e r a t e so s s e o u sc o n d u c t i o n ，b o n e g r o w t ha n dt h ef o r m a t i o no fs e a m l e s ss y n o s t o s i sw i t ho s s e o u st i s s u e k e yw o r d s ：t i a l l o y ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；f e m t o s e c o n dl a s e r ；c o m p u t a t i o n a l s i m u l a t i o n ；b i o l o g i c a la c t i v a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：瓣 签字日期：2 。咯年j 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 尊躲 签字日期：加哆年5 - 月矿同 导师签名事勿愎套别雠：事勿凌岔 签字日期：多闻i j l 年厂月，y 一日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 骨缺损和骨损伤严重影响人们的生活质量。骨损伤的病人很多，仅我国每年 就有近3 0 0 万患者，而我国牙缺损、牙缺失患者人数更是达到总人口的1 5 1 3 。 随老龄化社会的到来，我国对骨修复材料的需求不断加大。但目前我国骨修复材 料的发展相对比较落后，主要依赖进口。因此，研制开发国产骨修复及替代材料 制品具有重大的现实意义。当今，骨修复及替代材料的研究和开发己成为全球关 注的课题，是生物医用材料研究中一个非常活跃的领域。 1 2 骨组织结构和骨修复及替代材料 用于人体组织修复和替代的材料与人体组织接触、参与体内反应并发挥作 用，要求其化学性能等与人体组织相适应，所以骨修复及替代材料应与被修复和 替代组织及器官的组成、结构和功能相匹配。骨是脊椎动物中存在最广泛的天然 生物矿化材料，具有优异的力学性能和生物性能，是身体中重要的承重器官2 1 ， 研究其结构及其矿化机理，对于骨修复材料及器件的开发具有十分重要的意义。 1 2 1 骨组织的结构特点 骨作为人体重要的组成部分，支撑着人体的运动及体内的各种生理活动，构 成了人体的整个结构框架。骨组织是人体坚硬的结缔组织，由多种细胞及大量钙 化的细胞间质( 又称骨基质或骨质) 构成。 骨组织细胞分为三个类型：成骨细胞、骨细胞及破骨细胞。其中骨细胞最多， 是骨组织的主要细胞，其余两种细胞均位于骨质边缘，在骨的重建过程中可以相 互转化，共同完成吸收旧骨和生成新骨的过程。成骨细胞是骨细胞的主要功能细 胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化，成骨细胞吸附至某适宜位置后可分泌骨质， 骨质矿化后形成新骨p j ，该转变过程对实现植入体与人体机体的理想结合至关重 要。 骨质含有机和无机两种成分：无机成分称为骨盐，主要是碱性磷酸钙，对骨 的硬度影响较大，占成人骨干重的2 3 ；有机成分主要为胶原纤维，主要影响骨 第一章绪论 的韧性占成人骨干重的1 ，3 。一般情况下两种成分的比例较稳定，如发生变化 则会改变骨的硬度及韧性。如幼儿骨告有机质相对多些，故韧性较好，可折而不 断；而老年人骨无机质相对多，骨较脆，所以容易折断。 从分子水平看，骨是由无机矿物和有机成分组成的复合材料，主要由三个部 分构成：胶原( 质量分数，2 4 ) 、羟基磷灰石( 质量分数，6 9 ) 和水( 质量 分数，1 0 ) n 另外还有少量的蛋白质、糖类、脂类等有机物。骨组织结构简 图如图1 - i 所示”j 。 。、一一一一一 兰3 罔1 1 自然骨组成示意图1 5 1 i - is k e t c hm a po f o r g a n i z a t i o ni nn a t u r a lb o n e 5 l r 1 ) 胶原( c o l l a g e n ) ：胶原是一种复杂的糖类蛋白，是哺乳类动物体内含量最 多的蛋白。占体内总蛋白的2 5 3 0 ，具有支撑器官、保护机体的作用，在承重 组织中浓度较高，是骨、骨膜、牙本质、肌腱及血管等多种组织的必需成分” 。 天然胶原分子是由三条多肽链组成的螺旋形纤维状蛋白质，骨质中胶原以微纤维 形式存在，主要呈平行排列，但也分支交互连接成错综的网状结构，随年龄增 长，喜径逐渐增粗，显得更密集，是骨具有良好韧性的主要原因。 ( 2 ) 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 ，简称h a ) ：h a 是人体内骨 和齿的重要组成部分，在人的牙齿釉质中h a 的含量达9 5 以上1 7 】。h a 具有优 怠的生物活性和生物相容性，但脆性较大，在骨组织中，h a 晶体位于胶原基体 第一章绪论 中，紧密而规律的排列使骨具有较高的硬度。骨中h a 晶体平行于胶原纤维排列， 方向与纤维的长轴一致。正是由于胶原和h a 两种物质形成的复杂而规律的三维 结构，才使得骨既具有优良的力学性能，同时又具有良好的生物性能。 1 2 2 骨组织修复及替代材料 骨修复材料是指替补、修复人体硬组织的生物材料，广泛应用于骨外科、整 型外科及牙科领域。骨修复及替代材料应与自然骨具有相似的性能，既具有足够 的强度，代替人体骨骼承受较大的应力，同时又具有良好的生物相容性，在人体 复杂的生理环境中性质稳定。 早期的骨修复及替代主要依赖于金属替代材料和自体骨移植，对于轻度关节 疾病，可通过软骨移植或外科修复治疗；重症关节疾病切除的关节或意外事故造 成的骨缺损等，需植入人工关节替代病变骨组织。自体骨移植局限性较大，因此 科研工作者正努力寻求最佳的骨修复及替代材料。常见的骨修复及替代材料可分 为三种：金属、陶瓷及复合材料。表1 1 总结了几种典型的骨替代材料及自然骨 的力学性能。 表1 - 1典型生物医学骨替代材料和自然骨的力学性能3 】 t a b 1 - 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t y p i c a lb o n e - r e p l a c e m e n tb i o m a t e r i a l sa n dn a t u r a l b o n e 【8 1 3 】 1 2 2 1 金属材料 金属材料因强度高且成型性好，很早就被使用在牙科和整形外科中。据记载 在公元前几千年前金等贵金属已经开始用于牙科的修复治疗。自十六世纪6 0 第一章绪论 年代p e t r o n i u s 首次在腭骨的修复术中采用了金制的板材后，金属材料作为植入体 就开始了医学上的应用。早期金属材料价格昂贵且机械性能差，植入人体后生物 相容性差，其耐蚀性也不尽如人意，无法与骨组织形成良好的骨结合。在以后 段时期金属材料的选择和设计都是基于材料的生物相容性、机械性能和耐蚀性来 进行的。1 9 5 2 年，b l u n t 、h u d a c k 和m u r r a y 【1 4 】研究出了耐蚀能力及综合机械性能 优良的3 1 6 型不锈钢，由于其易加工且价格低，至今仍被广泛应用。另外一种典 型材料是铬基合金，该类合金具有比不锈钢更加优良的耐蚀性和耐磨性。人体环 境对生物材料的要求极为苛刻，由于铬合金和不锈钢中主加元素c r 对人体组织有 害，植入人体后在人体环境中长期受体液的侵蚀、受负重冲击和摩擦磨损，会发 生腐蚀溶屑、离子溶出等现象，造成人体组织受损害甚至引起癌变，导致修复的 失败。不锈钢和铬基合金的生物毒性对其医学上的进一步应用带来不小的冲击。 因此在考虑金属材料的强度及生物相容性的同时，材料的生物安全性也日益成为 人们关注的重点。目前，不锈钢和铬基合金正逐渐被生物相容性更优越、比强度 更高、耐蚀耐磨性更好的t i 及t i 合金所取代。 由表1 1 可知，钛及钛合金不仅具有高强度、高比强度，韧性好，低弹性模 量等性能特征，而且还具有比其它医用材料更优异的物理和机械性能：密度低 钛制假牙轻便舒适；弹性模量低，具有形状记忆效应，不易发生塑性变形一 制作正牙丝、卡环丝，能有效地进行牙齿调整和齿列矫正等。目前，在整形外科 中使用量最大的是t i 6 a 1 4 v ，在人口老龄化趋势日益加速、人民生活水平不断 提高和各国健康计划实施的今天，t i 及t i 合金的人体植入需求预计将急剧增长。 与其它金属材料相比，虽然t i 及其合金作为植入材料具有明显的优势，但如 果直接将其作为植入材料应用，其生物活性仍然不能满足良好骨结合的需要，植 入后容易发生松动等问题，引起骨修复的失败。因此，还需要进一步处理以提高 其生物活性。 1 2 2 2 陶瓷材料 生物用陶瓷被称为生物陶瓷，具有不被腐蚀、生物相容性好的优点，但其脆 性大，不易加工。生物陶瓷大多用于填充骨缺损部分，此外也用于人工牙齿和涂 覆与骨组织直接接触的金属部分。很多种陶瓷在人体中得到了应用，典型的代表 是三氧化二铝a 1 2 0 3 、二氧化锆z r 0 2 、羟基磷灰石c a l 0 ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 、磷酸钙 c a 3 ( p 0 4 ) 2 等。从能否与骨组织进行化学结合分类，可以大致分为生物活性陶瓷 和生物惰性陶瓷，磷酸钙系和玻璃一陶瓷属于前者，氧化物陶瓷属于后者。 1 9 7 0 年h e n c h 等提出了生物活性玻璃( b i o g l a s s r ) 的概念，并成功研制了生 物活性玻璃陶瓷，b i o g l a s s r 与骨组织结合速度快，结合强度较高，但其强度仍 4 第一章镕 来达到承重组织的要求，不能用于承重组织的替换【l ”。a 1 2 0 3 对强酸和强碱都有 很强的耐腐蚀性，用作生物材料主要是o - a 1 2 0 3 ，它可在生物体内长期埋入而不 旋生溶解和变化，a 1 2 0 3 单晶体主要用于人工牙根和骨折针等，其多晶体主要用 于人工关节和人工骨【l q 。z r 0 2 被埋入生物体后没有发现异常反应，特别是其耐磨 性超过a 1 2 0 3 ，其多晶体也已被用于人工骨 。 由于h a 本身是生物骨的组成部分，因此它比其它生物陶瓷具有更好的生物 相容性，以h a 作为生物陶瓷材料具有明显的优势。羟基磷灰石( h a ) 属六方晶 系。晶格参数为a = 脚9 4 2 1a m ，c - 06 8 8 2 1 1 1 1 1 ，分子结构如图1 2 所示。近三十年 来，将h a 用于硬组织修复与替代材料己成为生物医用材料的热门研究课题。目 前，通过人工台成的h a 具有优良的生物相容性，植入体内安全、无毒，且骨传 导性良好是典型的生物活性陶瓷，在植入体内后能以化学性键合方式与骨组织 进行结合，达到植入体与本体之间良好结合。因此，h a 己在人工牙根及人工骨 填充方面得到了广泛的应用。 生物陶瓷的不足是力学性能差、弯曲强度和韧性低，不可单独用于承重型组 织的修复与替换因此其作为骨修复及替代材料的应用受到很大限制。 图1 - 2 羟基磷灰石的分子结构1 2 ” f i 9 1 - 2 8 t m c t u r eo f m e h y d r o x y a p a t l t e 1 2 2 3 复台材料 综上所述，金属材料强度高，成型性好，缺点是服役过程中有害离子溶出、 生物活性低等：生物活性陶瓷材料生物相溶性好，能与骨组织键台，但脆性大， 机械加工性差，不能用于承重组织的替换等。为克服它们的缺陷，人们开始研究 制备复合材料，使其兼具两类材料的优势，目前使用的复合材料主要有： 一类是金属材料做基体，陶瓷材料为生物涂层。即在钛及其合金、不锈钢等 金属材料上橡覆生物活性涂层。图l 一3 ( d ) f l 口为人体髋关节的复台替代材料。此类 复台材料兼备两种或两种以上单一组分的性质，同时性能具有可调性，通过选择 第章镕* 合适的复合组分或结构，改变组分之间的配比，调节其对组织的亲和力、生物相 容性及力学性能，以满足不同组织的特殊要求，近年来已成为研究热点。 另一类通过模拟骨的结构组成及特性，合成可以替代人体骨组织的人工骨。 骨的主要组成是胶原蛋白和h a ，通过人工合成h a 和胶原蛋白来制造人工骨。理 想的人工骨材料植入人体后，随着新骨的生成，替代材料逐步降解。图i - 3 ( a ) - ( c ) 所示为磷酸钙盐基人造骨，最明显的特征是具有多孔性，该性质有利于骨细胞吸 附并在其中生成新的骨细胞，促进新骨生成，解决了植八体与主体组织之间能否 牢固结台的问题，可以有效地实现人体硬组织修复的目标”j 。然而，这种人工 骨仍然存在强度不足的缺点，需要较长的时间诱导新骨生成。因此目前关于生 物植入材料的研究和应用仍然咀金属及金属基复合材料为主，特别是t 及其合金 的应用及其表面改性成为生物植入材料研究的重点。 硒 锺墓鏊；曩 图1 - 3 复合材料 人工骨及其多孔结构，( d 1 ：加涂层及未加涂层的人工髋关节 f i g 1 - 3c o m p o s i t e m a t e r i a l s ( a ) ，( b ) ，( c ) a r t i f i c a lb o n e a n d i t sp o r o u ss t r u c t u r e ；( d ) ：a r t i f i c i a lh i p j o i n w i t ho t w i t h o u tc o a t i n g 1 3t i 及t i 合金骨修复及替代材料表面改性 t 1 及_ 合金因其优于其它医用金属材料的特性，己越来越多的被应用于临床 医学。作为生物体硬组缀替代材料怎样使其在应用过程中达到最佳效果已成为研 究的重点。 人体硬组织替代材料与骨组织结台的理想方式是以化学键方式结合的骨键 合，这种结台方式既增加植入体与骨的结合强度，同时可缩短手术的愈合时间， k 一 第一章绪论 减少病人的痛苦。t i 及t i 合金为生物惰性材料，若未经处理植入人体，则与骨 的结合是一种机械锁合，在较大应力作用下，可能会在植入体与人体组织界面间 发生相对位移，导致材料界面纤维膜增厚而造成修复失效。此外，t i 合金中含有 对人体有害的金属离子如钒( v ) 等，在生理环境腐蚀作用下导致植入体金属离 子向周围组织的扩散，可能对机体产生毒副作用。由于植入生物材料和人体的相 互作用仅限于材料表面，因此材料表面的性质如材料表面的成分、结构、表面形 貌、表面的能量状态、物理及力学特性等都可对生物材料与生物体之间的相互作 用产生较大影响【2 引。通过对t i 和t i 合金表面进行不同方式的处理，可有效改善 t i 和t i 合金等材料的生物活性，降低合金元素的细胞毒性，提高生物力学适应 性，改善移植物与自然骨骼之间的界面问题，使其与骨组织结合接近理想结合状 态，在这种需求下，表面改性技术应运而生。 表面改性是通过对材料表面进行一系列处理( 如涂敷生物活性膜) 提高材料 的耐腐蚀和磨损性能、组织相容性和生物活性等的方法，是目前解决合金在医学 领域应用主要障碍的有效途径。t i 及其合金表面改性的研究主要有两个方面， 一是将植入材料进行表面图案化，以改变材料表面形貌和提高表面粗糙度，从而 提高骨组织与植入材料的机械锁合力以提高其结合强度；二是在金属表面制备生 物强化层或活性层，来改善材料的生物活性，以提高骨组织与材料的结合力，同 时减少基体材料中有害离子的溶出，降低材料的生物毒性。 1 3 1 表面图案化改性 研究表明，细胞的生长对材料的表面形态是有选择性的，通常细胞在具有沟 槽结构的表面将沿突起部分或是纤维方向进行取向和迁移。这一现象称为细胞培 养的接触诱导，细胞取向的程度取决于表面沟槽的深度与宽度。例如成纤维细胞 在带有沟槽的表面特别是沟槽的尺寸为1 8 9 m 时更易取向【2 4 1 。是否取向还与细 胞种类有关，在带有1 2 9 m 深和0 9 1 t m 宽凹槽的二氧化硅表面只有成纤维细胞 和单核巨细胞在表面伸展，而角质化细胞和中性粒细胞则不展开【2 5 1 。材料表面的 凹凸不平也会影响细胞的行为【26 | ，例如在p d m s ( 聚二甲基硅氧烷) 表面均匀分布 4 或2 5 9 m 2 的峰状突起时，成纤维细胞生长的最好，而1 0 0 9 i n 2 的峰或4 、5 、1 0 0 9 m 2 的谷状表面细胞生长情况都不如前者。 表面图案化主要影响蛋白，尤其是纤维连接蛋白的附着，它是成骨细胞识别 的连接分子，b r e t t 等【2 3 j 通过实验比较了成骨细胞在具有不同表面粗糙度材料表 面的吸附能力，证明成骨细胞对粗糙表面较光滑表面有更好地附着水平，从而利 于提高植入材料与活体组织间的结合强度。在聚合物及玻璃陶瓷上的研究表明 2 7 - 3 8 ，表面图案结构能够影响细胞的生长行为。图1 - 4 为表面形态影响细胞生长 7 第一章绪论 行为的结果，可以看出，细胞主要沿样品表面沟槽方向生长 图1 4 表面形态对细胞生长的影响”，”1 f i gl - 4 e f f e c t so f s u r f a c e m o r p h o l o g y o l lc e l lg r o w t h 在具有沟槽结构的表面，细胞的生长将沿沟槽方向爬行，细胞足紧紧抓住沟 槽结构表面，显著提高了细胞的贴附力。z h u 等p w 的研究表明，在具有拓扑结构 的粗糙表面，能够为细胞提供多种不同的粗糙度以适合细胞不_ 司部位的贴附。特 别是具有多孔结构的表面更有利于细胞伪足的攀附，增加细胞与基质村料之间的 作用力。而且多孔的基底有利于水分、无机盐咀及其他营养物质和细胞代谢产物 的运输与交换，故更有利于细胞的生长，多孔结构能显著增加成纤维细胞、软骨 细胞的生长速度，细胞分泌物增多8 “。 目前提高”及其合金表面租糙度及表面图案化的方法主要有等离子喷涂、 喷砂、酸处理、喷砂配台酸蚀( s l a ) 、电化学刻蚀、激光处理等方法。采用等离 子喷涂技术可阻在提高样品表面粗糙度的同时制各表面羟基磷灰石涂层，己在临 床得到广泛应用。但因工艺条件的限制，涂层晶粒较粗大，存在裂纹、孔洞及不 纯净相，涂层与基体热膨胀系数的差别还会影响二者的结合力，导致涂层脱落， 从而影响种植体的长期使用效果。喷砂处理能够有效提高样品的表面粗糙度， 研究表明，喷砂能够提供一个具有二级粗糙度的表面：在2 0 5 0 m 的粗糙度 表面上有亚微米级的孔洞。喷砂后会有部分砂粒嵌入样品表面，这会影响其生物 活性h 24 ”，因此通常需要一定的处理来去除表面的污染。另外，由于t l 是生物 惰性金属，表面还需要进行氧化以提高其生物相容性，酸处理能够通过选择不同 的酸有效的去除样品表面的污染，并在表面产生比基体具有更好生物相容性的 t i o ，层“4 ”。g u i z z a r d is 等研究了不同t i 表面对上颚骨细胞的影响t 研究表 明，与光滑表面相比。经s l a 处理后样品表面上生长的细胞密度史高，生长曲 线表明，细胞在s l a 的表面上的生长= 速度比光滑表面和等离子喷涂表面上要快。 r e f a i a k 等4 73 的研究也得n t 相似的结果。虽然s l a 能够提供适台细胞贴附生 第一章绪论 长的粗糙表面，但其所得到的粗糙度不均匀、不完整、不规则，这为进一步定量 分析骨与种植体的结合带来了困难 4 引。为得到具有规则图案的粗糙表面，激光加 工【4 9 】、反应离子刻蚀( r 皿) 【5 0 1 、电化学显微加工( e m m ) 4 8 】等新技术被开发。离子 刻蚀技术由于可能引入的杂质离子影响了细胞的生长，e m m 能够提供非常规则 的具有5 0 0 p r o 孔洞结构的表面，而进一步的碱处理能够活化样品表面，从而促 进磷酸钙的生长【4 引。但是，这样的孔洞过大，已远超过单个细胞的尺寸，导致其 对细胞生长的促进也大受影响。这些新技术所加工的表面图案虽然具有均匀、规 则的优点，但其应用还有较多问题，因此，目前最常用的方法仍然是s l a 。 激光技术的发展为材料表面加工提供了高效、便捷、可控的方法，其在骨组 织替代材料表面的加工研究已经取得了重大进展。应用激光技术能够提供既具有 合适粗糙度又具有规则结构的表面拓扑结构。随激光技术在生物材料表面加工研 究的不断深入，该技术将成为替代s l a 的重要方法之一。 1 3 2 激光技术在生物材料表面图案化改性中的应用 自6 0 年代初第一台红宝石激光器问世，激光就受到日益广泛的关注、研究 与应用，激光技术在诸多领域发展迅速，应用范围越来越广泛，尤其在加工领域 中成果显著。激光加工是指激光束作用于物体的表面而引起物体形状或性能改变 的加工过程。与传统的热加工处理方法相比，激光加工具有加工热影响区小、工 件畸变较小、可精确地控制处理层的宽度和深度等优点，并能进行选择性加工和 精密加工。随着激光加工技术的日趋成熟，激光技术获得了大规模系统化的工业 应用。进入二十世纪九十年代后，研究者加强了对强脉冲激光与物质相互作用的 研究。利用强脉冲激光的优点是：材料加工熔融区小，边缘加工清晰，能够加工 金属、导体、半导体及高硬度材料等多种材料，因此利用激光进行微细加工的研 究具有广阔的前景和重要的意义。 1 3 2 1 宽脉冲激光表面加工技术 利用激光加工制备具有生物活性的表面是一项较为先进的技术。激光可以使 试样表面具有良好的耐磨性、耐蚀