第二次世界大戰(zhàn)以后[1-4]，由于航空航天和軍事產(chǎn)業(yè)對材料制備及加工工藝的嚴格要求，鈦及鈦合金開始應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域。
由于其良好的綜合力學性能和可加工性、生物相容性，鈦及鈦合金被廣泛應(yīng)用于牙科、人體矯形外科以及醫(yī)療器械等醫(yī)學領(lǐng)域，成為人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、人工牙齒等硬組織的替代或修復的優(yōu)選材料。對于生物醫(yī)用材料，在其植入人體后，必須考慮生物相容性，即生物材料與組織、血液以及免疫和全身反應(yīng)，同時又必須滿足足夠的強度和韌性，適宜的彈性模量，以及高度的穩(wěn)定性（耐磨、耐蝕）和持久的耐用性（疲勞和斷裂）等力學相容性。
但是，從目前應(yīng)用來看，鈦及鈦合金仍然存在諸多問題，無法滿足生物材料的所有要求，主要集中在以下幾個方面 ：
第一，生物相容性較差。鈦合金的彈性模量與骨組織彈性模量相比，約為骨組織的 4~10 倍，植入后易產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，在界面上機械性能不匹配，無法與骨形成強有力的化學性結(jié)合，僅為機械嵌連性結(jié)合，易與周圍宿主骨組織分離而發(fā)生松動，導致植入失敗。第二，耐磨性相對不佳。鈦合金摩擦系數(shù)大，在植入人體后，大量的磨損是由于摩擦和磨損的產(chǎn)生，導致鈍化膜破裂，在周圍組織的生物反應(yīng)，導致各種炎癥，抑制成骨細胞的增殖，使骨骼重塑紊亂和骨質(zhì)吸收差，使植入體松動并最終導致植入失敗。第三，鈦合金醫(yī)用材料的抗腐蝕性還具有可提高空間。
在自然條件下，鈦合金的表面迅速與氧反應(yīng)生成一層致密的氧化膜，這種氧化膜在自然條件下可長期穩(wěn)定存在，并阻止鈦合金與空氣或水的反應(yīng)，經(jīng)過分析得出，鈦合金在自然條件下耐蝕性能良好。然而，在較為復雜的人體中，引用鈦合金材料在身體體液腐蝕作用下，表面氧化膜容易出現(xiàn)剝離或溶解可能性，疲勞性能劣化，并且在 U 期間將植入有毒物質(zhì) Al、V 等緩慢滲入體內(nèi)，Al，V 元素具有一定的細胞毒性，可能導致骨組織表面無法生成磷灰石，對人體產(chǎn)生不利影響。
針對上述應(yīng)用中的問題，人們通常通過兩種途徑來解決，提高醫(yī)用鈦合金的綜合應(yīng)用性能 ：第一，通過合金成分設(shè)計、調(diào)節(jié)金屬材料組織結(jié)構(gòu)提高其應(yīng)用性能。第二，通過改變鈦及鈦合金材料的表面性能。目前，鈦合金的表面改性在生物醫(yī)學領(lǐng)域引起越來越多的關(guān)注。表面改性不僅保持了基質(zhì)材料的優(yōu)良機械和生物學性能，而且大大提高了其臨床性能。
因此，采用各種表面改性技術(shù)來提高鈦合金的生物相容性，耐磨性和耐腐蝕性已成為生物醫(yī)用鈦合金的熱點問題[7]。
1、 羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）涂層[5-7]
羥基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2）是人體骨骼和牙齒的重要無機組成部分之一，在鈦及鈦合金表面增加羥基磷灰石涂層后植入人體，磷和鈣會游離出材料表面，被身體組織吸收，并促進生成新的組織。
對鈦合金進行表面改性而得到的鈦合金 / 羥基磷灰石涂層復合材料，兼具了良好的強度韌性和生物兼容性，引起了大量學者的廣泛興趣。HA 涂層和人體骨骼的成分以及構(gòu)成相似，可以有效地促進成骨細胞的貼附和聚集，新骨可同時在周圍骨組織的表面和 HA 涂層的表面生長，它還促進植入物與骨組織之間的直接化學鍵合。較為常見的圖層處理方法
有 ：等離子體噴涂、激光熔覆、激光凝覆、激光合金化、溶膠—凝膠法、水熱合成、電化學沉積和離子注入等。Chien將納米羥基磷灰石和精氨酸 - 甘氨酸 - 天冬氨酸多肽固定
在鈦植入物表面，發(fā)現(xiàn)植入物具有顯著的誘導成骨作用，促進成骨細胞分化，抑制成骨細胞凋亡。
Hanawa 發(fā)現(xiàn)鈣離子注入可以加速磷酸鈣在鈦表面的沉積，從而提高鈦的骨傳導性。Kruoa 將磷離子注入鈦表面，使鈦的抗腐蝕性得到了顯著提高。Maitz 通過實驗證實了將 Na 離子注入鈦表面后，促進羥基磷灰石的沉積，提高生物活性。目前臨床用 HA 涂層雖然可改善鈦合金植入物的生物活性，但仍然存在涂層與基體結(jié)合強度差的問題[7]。隨著植入體內(nèi)時間的增長，基體與涂層的界面結(jié)合強度逐漸減小，這極大地降低了植入體的生物穩(wěn)定性。
為了提高基體與 HA 涂層的結(jié)合強度，研究者又進行了深入的研究。Montenero 等利用溶膠—凝膠法在基體與HA 涂層之間引入氧化鈦或鈣鈦礦過渡層，從而成功制備出表面組織良好、無裂紋的 HA 復合涂層，顯著提高了復合涂層與基體的結(jié)合強度。
雖然許多學者已經(jīng)研究和論證了 HA 表面涂層在提高內(nèi)部植物材料的穩(wěn)定性方面的作用，但由于 HA 涂層與襯底表面之間的結(jié)合力低，導致 HA 層在注入過程中剝離，限制涂層的推廣應(yīng)用。
2 、耐蝕耐磨涂層[6-7]
鈦合金作為植入材料植入人體后，在體液的長期侵蝕下，表面的鈍化膜被溶解，抗腐蝕性能嚴重下降，對人體產(chǎn)生不利影響，因此提高植入物表面抗腐蝕性能變得尤其重要[7]。朱勝利等通過實驗考察了化學表面處理對醫(yī)用 TiNi 形狀記憶合金耐蝕性能影響。實驗結(jié)果表明，經(jīng)化學處理后的合金表面形成了活鈣磷層，使合金在人工模擬環(huán)境中的耐蝕性得到了提高。Wu 等采用等離子束沉積技術(shù)在 Ti-6A1-4V 合金表面制備了類金剛石復合涂層，研究了復合涂層在 3.5%NaCl 溶液中的腐蝕性能。結(jié)果表明 ：復合涂層有效的提高了鈦合金的耐腐蝕性能。吳曉宏等采用微弧氧化法在鈦合金的表面制備陶瓷層，形成了均勻一致的陶瓷膜。
對改性前后的鈦合金進行電偶電流和循環(huán)伏安測試，證明改性后表面陶瓷膜層的存在明顯提高了基材的耐腐蝕性能。秦妍梅等利用雙輝等離子滲金屬方法在純鈦表面制備了Mo-N 改性涂層，并考察了試樣在 0.5 mol/L 的稀硫酸溶液中的耐蝕性。
結(jié)果表明，經(jīng) Mo-N 共滲后鈦合金的耐腐蝕性能明顯提高。陳飛等采用輝光離子滲碳技術(shù)在 Ti-6A1-4V 合金表面制備了 TiC 涂層。考察了改性前后試樣在 0.5 mol/L 稀硫酸溶液中的腐蝕性能。結(jié)果表明 ：改性后鈦合金表面耐蝕性能顯著提高。
目前開發(fā)的醫(yī)用鈦合金仍存在耐磨性能較差的問題。對于金屬植入體，特別是人體關(guān)節(jié)而言，應(yīng)當具有良好的耐磨性，避免因經(jīng)常磨損而失效。
因此在鈦合金表面形成一層耐磨層來提高其耐磨損性能尤為重要[8]。馬等在 Ti-6A1-4V 合金表面上通過微弧氧化方法合成了 TiO2 涂層，并研究了涂層在人工模擬體液中的摩擦學性能。
結(jié)果表明，與 Ti-6A1-4V 基體合金相比，涂層的磨損量減少，摩擦磨損性能顯著提高。王風彪等用微弧氧化法在鈦合金表面制備羥基磷灰石（HA）膜，考察了浸泡在模擬體液中的膜的耐磨性。結(jié)果表明，膜的厚度隨浸泡時間的增加而增加。
浸泡后，隨著摩擦時間的增加，薄膜的摩擦系數(shù)先增大后減小，耐磨性提高。Wang 等采用物理氣相沉積法在 TC4表面制備 TiN 涂層，并對人工模擬體液中涂層的耐磨性進行了分析。結(jié)果表明，與 TC4 基體合金相比，改性合金的比磨損明顯降低，耐磨性顯著提高。
結(jié)果表明，TiN 復合涂層能進一步提高涂層與基體的結(jié)合強度，改善涂層的摩擦學性能。黃楠等準備一個 TiN/Ti-O 梯度涂層，該涂層是在 TC4 鈦合金表面制備的，結(jié)合等離子體浸沒注入與沉積技術(shù)下完成。實驗研究了涂層的磨損性能和力學性能。結(jié)果表明，復合涂層的硬度為 19.5 GPa左右，耐磨性能具有顯著提高。
3、 表面抗菌涂層[8]
長期植入生物醫(yī)用材料會導致細菌和其他微生物粘附在其表面，導致感染。人工種植牙與人造關(guān)節(jié)等人體植入類醫(yī)療器械被大眾所接受，醫(yī)療器械引起的細菌感染已成為各臨床科室關(guān)注的重要問題之一。
目前在我國牙科植入領(lǐng)域，鈦合金以其優(yōu)良的耐腐蝕性、綜合力學性能及生物相容性占據(jù)人工種植牙材料使用巨大比例。骨創(chuàng)傷產(chǎn)品和人造關(guān)節(jié)（如人體硬組織替代物和假體）的首選材料。但生物醫(yī)學鈦及其合金植入材料在植入人體后也會遇到感染問題。一方面要減少細菌污染，包括在植入生物材料之前徹底治愈慢性感染，生物材料植入過程以嚴格的無菌操作和用預防性應(yīng)用抗生素。另一方面，生物材料的性能應(yīng)該得到改善和提高。最有效的方法之一是生物醫(yī)學鈦合金的表面改性。
鈦合金表面抗菌涂層的改性大致可可分為兩類即活性與惰性，這取決于抗菌物質(zhì)在涂層中的有效性。
惰性抗菌涂層不會自動將殺菌物質(zhì)釋放到周圍組織中，而活性涂層從周圍組織釋放殺菌物質(zhì)，如抗生素，阻止細菌粘附或殺死細菌。惰性抗菌涂料主要抑制細菌粘附，如以物理或化學方式在鈦合金植入物表面上構(gòu)建抗菌聚合物涂層。但 Hetrick 指出，惰性涂料減少細菌粘附，很大程度上取決于細菌的種類。
活性抗菌涂層可以主動釋放抗菌成分，頭孢菌素，羧芐青霉素，阿莫西林，頭孢霉素，萬古霉素等抗生素已用于骨水泥和羥基磷灰石涂層中，但涂層添加方法和最佳釋放動力學仍然是很多問題。還未得到有效沒解決。Campbell 將釋放藥物洗必泰吸附在 TiO2 層，具有良好的抗菌作用。此外在 Ti 合金表面進行透明質(zhì)酸、殼聚糖等聚合物修飾，也可以起到很好的抗菌作用。鑒于抗生素耐藥性和其他風險，近年來非抗生素涂層的研究一直蓬勃發(fā)展。含 Ag 的抗菌涂層是抗生素涂層最有前途的替代品。Ag 一方面對細菌粘附有較好的抑制作用，另一方面具有廣譜抗菌性，對革蘭氏陰性和陽性菌有持久的抗菌作用。
閆鳳英采用在電解液中加入 Ag2O 中，乙二醇作為分散劑進行了載銀 HA/TiO2 的復合微弧氧化膜的初步制備，獲得了最高銀含量為 1.67％的 MAO 薄膜。但該文獻并未對銀
的分布，存在形式，進入機制和抗菌性能進行進一步的研究。
Futao 等在電解液中加入 AgNO3 和 H2PtCl6，使 Ag，Pt 添加到材料中。
在實驗中發(fā)現(xiàn)銀的引入提高了反應(yīng)劇烈強度，提高了電解液溫度。
根據(jù)在材料表面生長的細菌的特性，可以發(fā)現(xiàn)，為了得到有效的抗菌材料，需要抗菌劑具有高效和快速的抗菌效果，細菌在未侵入醫(yī)用材料表面前就已經(jīng)將其殺死。如何使涂層不僅具有良好的力學性能，如粘接強度，但也使它成功地負載一定量的銀離子抗菌劑，達到符合要求的抗菌效率和長效抗菌，是目前醫(yī)用鈦合金材料和器件表面抗菌涂層的主要研究目標。
4 、結(jié)語
如何改進和提高生物 / 力學相容性和植入物安全性，是生物醫(yī)用鈦合金永久的研究課題。實驗及應(yīng)用研究證明，醫(yī)用鈦及鈦合金的表面改性材料與技術(shù)為其性能的改善提供了一個思路。如何對現(xiàn)有涂層制備技術(shù)進行優(yōu)化、開發(fā)新型涂層成為以后研究的熱點與方向。
參考文獻：
[1]A m i r e t a l . J o u r n a l o f B i o m a t e r i a l s a n d T i s s u eEngineering[J],2015,5,593-619.
[2]Alfred.Materials[J],2014,7,8168-8188.
[3]M Kulkarni et al.Nanotechnology[J],2015,26,062002.
[4]M i l e n a e t a l . M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n gC[J],2016,69,1429-1441.
[5]付濤,李紅偉,吳鋒,等.采用水熱方法在鎳鈦合金表面一步合成TiO2-羥 基 磷 灰 石 納 米 薄 膜 [J]. 稀 有 金 屬 材 料 與 工 程 ,2016,45(5):1128-1131.
[6]張大鵬 , 劉永慶 , 王志強 . 醫(yī)用多孔鉭的特性及其表面改性的研究進展[J]. 中國煤炭工業(yè)醫(yī)學雜志 ,2017,20(2):236-239.
[7]余森 , 于振濤 , 牛金龍 , 等 . 鈦合金植入物與人體組織表面 / 界面相互作用研究進展 [J]. 熱加工工藝 ,2017(22):18-22.
[8]馬凱 , 趙寶紅 , 鄧春富 . 醫(yī)用鈦及鈦合金牙種植體生物相容性及其相關(guān)抗菌性能研究進展 [J]. 中國實用口腔科雜志 ,2016,9(7):441-445.
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