引 言

近幾十年來,金屬材料由于具有良好的機(jī)械性能和生物相容性而作為植入材料被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域[1]。其中,生物醫(yī)用鈦合金因其適宜的彈性模量、高強(qiáng)度和低密度的特性在醫(yī)用手術(shù)器械領(lǐng)域以及人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、心血管支架和牙齒種植體等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。例如,Ti-6A1-7Nb合金合制造用于治療股骨頸骨骨折的中空螺釘[3],多孔鎳鈦合金良好的成骨性可作為人工髖關(guān)節(jié)和骨種植體[4]。但是,鈦合金的一些缺點(diǎn)限制了其在醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用:(1)鈦合金摩擦磨損性能差,作為植入材料進(jìn)入人體后可能產(chǎn)生的磨屑會(huì)釋出 Al、V 等有害元素,引發(fā)身體炎癥以及毒性反應(yīng),而作為外科輔助器材,較低的摩擦磨損性能又會(huì)降低器材的使用壽命;(2)鈦合金生物活性較差,鈦合金表面的惰性氧化層會(huì)降低植入體與骨組織之間的結(jié)合力,造成松動(dòng)脫落而使植入失敗[5-6];(3)抗疲勞性能差,鈦合金表面疲勞敏感性強(qiáng),造成植入物疲勞折斷和塑型困難等問題;(4)抗菌性差,外部滅菌很難將細(xì)菌徹底清除極易造成其體內(nèi)感染。

為提高鈦合金摩擦磨損性能、抗疲勞性能、生物活性以及抗菌性能目前主要通過兩種方法改善鈦合金的性能,一種是通過調(diào)整合金成分來達(dá)到改善鈦合金整體性能的目的。合金添加元素的細(xì)胞毒性是合金化設(shè)計(jì)需要注意的首要問題,國外學(xué)者主要選用對人體有益的鈦合金β相穩(wěn)定元素 Nb、Mo、Ta、Hf和中性元素Zr、Sn以及α相穩(wěn)定元素 Al、O、N 等[7],但是合金化設(shè)計(jì)非常復(fù)雜且投入成本大。第二種方法是通過表面改性技術(shù)來改善鈦合金性能。材料的摩擦磨損、生物活性都與材料的表面狀態(tài)有關(guān),鈦合金的疲勞裂紋通常萌生在材料表面[8],對材料表面進(jìn)行處理可以有效提高其耐磨性、耐疲勞性能、生物活性和抗菌性。與合金化相比,表面處理操作簡單,成本更低,用表面改性技術(shù)提高鈦合金性能已成為研究的熱點(diǎn)[9]。本文就表面改性技術(shù)提高鈦合金耐磨性、耐疲勞性、生物活性和抗菌性能方面的工作展開論述。

1、表面改性提高鈦合金疲勞性能

金屬的疲勞斷裂失效是最常見的失效形式,約占機(jī)械失效的90%[10]。鈦合金常用于人體承重類植入體(如髖關(guān)節(jié)植入體),由于植入體形狀不規(guī)則,在跑步、跳躍或行走等活動(dòng)中處于非對稱循環(huán)載荷下,疲勞失效是導(dǎo)致植入失敗的主要原因[11]。外科用鈦合金(如超聲骨刀)需要在高頻超聲震蕩下對骨組織進(jìn)行切割、磨削、鉆孔等,循環(huán)周次高且時(shí)間短,很容易發(fā)生疲勞使刀頭斷裂。在承受疲勞載荷的結(jié)構(gòu)件中,疲勞裂紋會(huì)萌生于表面或內(nèi)部微觀缺陷處,逐漸展開會(huì)破壞疲勞壽命后期構(gòu)件。通常情況,疲勞的裂紋擴(kuò)展分為3個(gè)階段:疲勞裂紋紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展。

有研究表明,梯度納米結(jié)構(gòu)可以阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展。因此在對鈦合金進(jìn)行表面處理時(shí)若將表面結(jié)構(gòu)細(xì)化至納米尺寸,內(nèi)部保持粗晶結(jié)構(gòu),晶粒尺寸從表面到內(nèi)部呈現(xiàn)梯度變化,可有效阻止裂紋萌生和擴(kuò)展,從而提高鈦合金的疲勞性能[13]。Li等[14]研究梯度納米結(jié)構(gòu)對純鈦疲勞行為的影響發(fā)現(xiàn),梯度納米結(jié)構(gòu)的

微觀組 織 演 變 機(jī) 制 為 形 變 孿 晶、位 錯(cuò) 滑 移 和 相 變(HCP-FCC)的協(xié)同作用應(yīng)力控制疲勞,由于顯微組織和獨(dú)特力學(xué)性能的協(xié)同作用,改變裂紋萌生方式,提高了鈦的疲勞強(qiáng)度,使材料表面產(chǎn)生往復(fù)劇烈塑性變形的表面機(jī)械處理技術(shù)都具有實(shí)現(xiàn)材料表面納米化的潛力。

1.1噴丸

噴丸強(qiáng)化是工業(yè)上常見的表面強(qiáng)化方法,它通過將高速彈丸流噴射到零件表層,使表層加工硬化產(chǎn)生殘余應(yīng)力而形成一定厚度的強(qiáng)化層。噴丸處理后材料表面的細(xì)晶強(qiáng)化層和大量位錯(cuò)可以有效抑制疲勞裂紋的萌生,殘余壓應(yīng)力和內(nèi)部粗晶結(jié)構(gòu)能夠有效降低裂紋的 擴(kuò) 展 速 率,從 而 提 高 裂 紋 的 疲 勞 壽 命。Wang等[15]通過對 TC4鈦合金原始試樣和帶有單面切口的噴丸試樣進(jìn)行了單軸拉伸疲勞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與未噴丸處理前的 TC4鈦合金相比,噴丸處理后的 TC4鈦合金表面裂紋出現(xiàn)的時(shí)間比推遲了64.3%左右,疲勞壽命提高了34.2% 左 右,短 裂 紋 擴(kuò) 展 速 率 降 低 約 34% ~60%。同時(shí),羅學(xué)昆等[16]也研究了應(yīng)力集中條件下噴丸對其疲勞性能的影響規(guī)律,結(jié)果顯示當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)由 Kt=1(光滑試棒)提高至 Kt=2(粗糙試棒)時(shí),TB6 試 棒 的 疲 勞 極 限 從 537.5 MPa 下 降 至335.5MPa,表現(xiàn)出應(yīng)力集中敏感性;而經(jīng)過噴丸后,Kt=1和 Kt=2的試棒的疲勞極限分別提高了33.5%和22.2%,缺口敏感性下降了48%。對普通噴丸技術(shù)進(jìn)行改性或者與其他表面處理技術(shù)復(fù)合處理可以進(jìn)一步提高鈦合金的疲勞性能。Tsuji等[17]研 究 了 等 離 子 體 滲 碳 與 噴 丸 強(qiáng) 化 相 結(jié) 合 對TC4合金疲勞磨損性能的影響,發(fā)現(xiàn)噴丸處理可以有效改善滲碳處理 TC4合金的表面殘余應(yīng)力狀態(tài),使合金的疲 勞 壽 命 提 高。研 究 發(fā) 現(xiàn)[18]表 面 殘 余 壓 應(yīng) 力(CRS)隨 WSP溫度的升高而降低,與室溫噴丸相比,溫度升高提高了中低載荷下的的疲勞性壽命。劉亞鵬等[19]研究了噴丸強(qiáng)化(SP)和激光沖擊強(qiáng)化(LSP)以及復(fù)合強(qiáng)化對 TC4疲勞性能的影響,發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化、噴丸強(qiáng)化、及其復(fù)合強(qiáng)化均可提高試樣表面的殘余壓應(yīng)力,但是復(fù)合強(qiáng)化提高得更多;相比于未強(qiáng)化試樣,復(fù)合強(qiáng)化試樣在疲勞應(yīng)力水平提高37.9%的情況下,特征壽命提高了 57.3%。有研究結(jié)果表明[20]VF可以去除SP產(chǎn)生的表面損傷層,降低表面粗糙度,提高了室溫下的疲勞壽命;SP+VF 處理后,TC17鈦合金的室溫疲勞強(qiáng)度提高了24.6%。經(jīng)過200和300 ℃的熱處理100h后,復(fù)合熱處理樣品的疲勞強(qiáng)度略有下降,但仍高于基體。羅軍明等[21]也通過對比研究的方法發(fā)現(xiàn)噴丸+微弧氧化試樣的疲勞壽命為13321周次,遠(yuǎn)高于微弧氧化試樣的疲勞壽命3638周次,略高于原始試樣疲勞壽命13067周次。綜上所述,噴丸處理不僅可以提高材料的表面性能,還可以作為其他表面改性方法的預(yù)處理來改善其引入的殘余拉應(yīng)力和疲勞缺陷。

1.2 機(jī)械滾壓

表面 機(jī) 械 滾 壓 (surface mechnicalrollingtreatment,SMRT)技術(shù)通過硬度極高的可滾動(dòng)的球體對工件表面施加一定的壓力,從而使工件表面形成一層梯度納米層[22],如圖4所示。加工過程中按照預(yù)定路線對材料表面進(jìn)行處理,產(chǎn)生的塑性流動(dòng)將材料表層的波峰填入波谷,降低表面粗糙度,提高材料的表面完整性[23]。SMRT 技術(shù)可以通過改變滾動(dòng)載荷、滾壓道次、滾壓力等工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對工件更加精密可控的加工[24]。利用機(jī)械滾壓技術(shù)改善疲勞性能的機(jī)理可以歸結(jié)為殘余壓應(yīng)力、梯度納米結(jié)構(gòu)、表面塑性變形和表面粗糙度等因素的綜合影響[25]。

有研究[26]在鈦合金表面進(jìn)行滾壓處理后發(fā)現(xiàn),鈦合金的裂紋擴(kuò)展門檻值和疲勞壽命均得到明顯的提高,滾壓強(qiáng)化改善試樣的疲勞性能主要是通過減緩疲勞裂紋擴(kuò)展早期階段的擴(kuò)展速率實(shí)現(xiàn)的。2007年天津大學(xué)提出表面超聲滾壓(ultrasonicsurfacerolling process,USRP)的 概 念,推 動(dòng) 了 傳 統(tǒng) 納 米 技 術(shù) 的 發(fā)展[27]。USRP結(jié)合了超聲頻率振動(dòng)和軋制的優(yōu)點(diǎn),在超聲波沖擊和靜壓力滾壓的聯(lián)合作用下,保證了滾珠和曲面的連續(xù)接觸[23]。通過往復(fù)加工使表面受力均勻,產(chǎn)生殘余應(yīng)力,有效提高材料的耐疲勞性能。USRP技術(shù)對 TC4旋轉(zhuǎn)彎曲微動(dòng)疲勞(FF)行為的影響,研究表明 USRP產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力場深度為530nm,最大殘余壓應(yīng)力為 930 MPa;經(jīng) USRP 處理后,TC4合金的 FF極限提高了72.7%[28]。在探究不同加工次數(shù)的 USRP技術(shù)對鈦合金疲勞性能的影響中發(fā)現(xiàn) USRP處理對殘余應(yīng)力和疲勞性能均有所改善[29]。

2、表面改性提高鈦合金耐磨性

鈦合金因表面硬度較低、摩擦磨損性能較差,并不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。對于植入物,需要具有良好的耐磨性,以免產(chǎn)生磨屑導(dǎo)致植入這身體排異反應(yīng)。尤其是人造關(guān)節(jié),往往會(huì)因?yàn)樯眢w運(yùn)動(dòng)摩擦而產(chǎn)生微粒,這些微粒在關(guān)節(jié)組織內(nèi)堆積,從而導(dǎo)致排異反應(yīng)。對于外科用手術(shù)器械,對鈦合金的耐磨性能同樣有很高的要求。為解決上述問題,在鈦合金表面制備耐磨涂層來提高鈦合金表面的耐磨性是目前常用的方法,下面將從高硬耐磨涂層和自潤滑涂層兩方面來介紹耐磨涂層的研究進(jìn)展。

2.1高硬耐磨涂層

目前,研究較多的氮化物高硬耐磨涂層主要由過渡族金屬和 N 原子形成陶瓷結(jié)構(gòu)的金屬氮化物組成,這些強(qiáng)氮化形成元素的二元和三元氮化物因其鍵合強(qiáng)度高而具 有 較 高 的 熔 點(diǎn)、硬 度 和 耐 磨 性 等 優(yōu) 良 的 性能[39](表1)。大多數(shù)過渡族金屬氮化物符合 Hagg規(guī)則[40],具有 B1-NaCl結(jié)構(gòu)(TiN、ZrN、CrN 等)或六方結(jié)構(gòu)(NbN、TaN 等)。當(dāng)前硬質(zhì)氮化物耐磨涂層逐漸向成分多元化、涂層成分梯度化和納米多層化方向發(fā)展。

成分多元化主要是在傳統(tǒng)二元氮化物涂層的基礎(chǔ)上添加一種或者多種其他元素來提高涂層的性能。有研究通過磁控濺射技術(shù)制備 TiAlSiN 和 TiAlN 涂層來探索摩擦性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)涂層的摩擦機(jī)制相似,但 TiAlSiN 涂層的磨損率更低[41]。Soham 等[42]比較 TiN、TiAlN、TiAlSiN3種涂層的硬度發(fā)現(xiàn) TiN、TiAlN 和 TiAlSiN 涂 層 的 最 大 硬 度 分 別 為 17.7,23.59,27.32GPa,添加 Al和Si后可以降低晶粒尺寸,同時(shí)提高了薄膜的彈性模量。同時(shí) TiAlSiN 涂層中的Si3N4 相在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)?SiO2 相,導(dǎo)致涂層的硬度提高。

通過設(shè)計(jì)梯度涂層能夠降低甚至消除涂層與基體之間的應(yīng)力集中,并且降低薄膜整體的殘余應(yīng)力,使得基體和涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度得到提高[31]。他們進(jìn)一步[31]在 Ti45Nb合金表面制備了 CrN、TiAlN 單層膜和 TiAlN/CrN 多層膜并研究了其摩擦磨損性能,結(jié)果如圖所示,所有陶瓷涂層都比未涂層的 Ti45Nb基體材料表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能,其中多層涂層樣品的硬度最高,摩擦學(xué)性能最好[43]。多層涂層硬度的提高歸因于周期性的界面結(jié)構(gòu),它可以阻止層間位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),界面位錯(cuò)積累對硬度的提高也有積極的作用。相似的研究結(jié)果利用 PVD 技術(shù)制備了 TiAlSiN 多層梯度涂層,TiAlSiN 多 層 梯 度 涂 層 在 常 溫 下 的 摩 擦 系 數(shù) 為0.54,耐磨性能較好。耐磨性提高的原因主要是由于涂層中間的過渡層會(huì)阻斷裂紋的擴(kuò)展,增加抗疲勞磨損能力[44]。當(dāng)調(diào)制周期在亞微米量級(jí)和微米量級(jí)之間時(shí),多層結(jié)構(gòu)可以看作是晶界對位錯(cuò)的釘扎效應(yīng),符合 Hall-Petch理論[45]。納米多層化主要是通過交替沉積兩種及以上納米級(jí)厚度的結(jié)構(gòu)層,在厚度方向上形成周期性交替排列的多層結(jié)構(gòu)。由于納米多層膜體系內(nèi)存在大量界面,使得位錯(cuò)和缺陷的運(yùn)動(dòng)受到阻礙,從而使薄膜呈現(xiàn)優(yōu)良的耐磨性[46]。

碳化物 涂 層 材 料 主 要 有Ⅳ族 碳 化 物 (TiC、ZrC、HfC)、V 族 碳 化 物 (VC、NbC、TaC)和 VI族 碳 化 物(Cr3C2、MoC、WC)等。CoCrFeNiMn 高 熵 合 金 與CoCrFeNiMn-Cr3C2 復(fù)合涂層的硬度和摩擦性能的研究發(fā)現(xiàn)相較于 HEA涂層,復(fù)合 HEA 涂層硬度提升40%,復(fù)合 HEA涂層的摩擦系數(shù)為0.35,磨損量為4.9×10-4mm/(N·m)[47]。袁 明 制 備 了 NbC 涂 層,其 硬 度 為23.5GPa,磨損量為3.6×10-6 mm/(N·m),摩擦系數(shù)為0.4左右[35]。TiC涂層的性能與 TiN 的相似,都具有很高的硬度和耐磨性,但是 TiC的脆性比較大,所以通常在薄膜中加入氮元素來提高其韌性,固溶形成了單一化合物 TiC1-xNx 相[35]。TiCN 摩擦系數(shù)在0.18左右,磨損量為5×10-6 mm/(N·m),具有優(yōu)異的耐磨性[48]。

金屬硼化物通常是間隙相化合物,這決定了硼化物具有高硬度、化學(xué)性能穩(wěn)定等特性。利用磁控濺射制備了 TiB2 涂層,其硬度為35.17GPa,磨損率為5.12×10-5 mm/(N· m)[49]。Umanskyi等[50]研 究 了Ti、Cr和Zr二硼化物的加入對復(fù)合 NiAl涂層耐磨性的影響,發(fā)現(xiàn)涂層的耐磨性明顯高于初始金屬化物涂層。添加劑的加入提高了涂層的硬度和強(qiáng)度,減少了金屬化物基體在高溫下的塑性變形,在一定程度上防止了 Ni和 Al基氧化物的破壞。

2.2 自潤滑涂層

潤滑劑可以減小材料接觸表面的摩擦磨損,在材料表面制備一層自潤滑涂層,固體潤滑顆粒均勻分布在基體上,摩擦?xí)r固體潤滑劑發(fā)生轉(zhuǎn)移被擠入材料表面形成潤滑膜,由于固體潤滑劑剪切強(qiáng)度低,使摩擦副與材料之間形成過渡層,從而有效減小摩擦系數(shù),減低磨損。常用固體自潤滑材料的摩擦性能及特點(diǎn),可以分為4類,層狀固體材料(石墨、六方氮化硼(h-BN)和硫化物)、氟化物(CaF2、BaF2 等)、軟金屬(Ag等)和聚合物(聚四氟乙烯(PTFE))(表2)。

層狀固體內(nèi)原子呈層狀排列,同層原子間作用力大,鄰層原子間作用力較小,層間易剪切力和平面范德華力相對較弱,故擁有較低的摩擦系數(shù)。大氣環(huán)境對石墨和硫化物的摩擦有很大影響,在潮濕環(huán)境中,石墨吸附水分和氣體鈍化懸垂的共價(jià)鍵和界面邊緣以達(dá)到潤滑 作 用[54],但 是 濕 度 和 氧 氣 的 存 在 卻 使 MoS2 和WS2 層狀結(jié)構(gòu)顯著劣化,導(dǎo)致較高的摩擦系數(shù)和極短的磨損壽命[55]。針對 MoS2 對潮濕環(huán)境比較敏感的問題,耿中榮等[56]制備了 MoS2/C復(fù)合膜并在不同濕度環(huán)境下進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn),在低濕度環(huán)境中,MoS2 薄膜和MoS2/C復(fù)合薄膜的摩擦性能差別不大,在高濕度環(huán)境中 MoS2/a-C 復(fù)合薄膜具有較低且穩(wěn)定 的 摩 擦 系數(shù),耐磨性能也明顯提高。在利用雙靶共濺射技術(shù)制備了 MoS2/DLC復(fù)合薄膜的研究中[57],由于加入石墨后晶粒更細(xì),孔洞裂紋減小,韌性增強(qiáng),復(fù)合膜的摩擦系數(shù)比 DLC 薄 膜 有 一 定 的 提 高,遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 優(yōu) 于 MoS2 薄膜[34]。沈玲莉等[58]發(fā)現(xiàn)添加 h-BN 后磨損率和摩擦系數(shù)均有所降低。

氟化物具有較低的剪切強(qiáng)度和穩(wěn)定良好的熱性能,此類固體潤滑劑因在500 ℃時(shí)發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變而使涂層具備自潤滑能力。有研究者采用激光熔覆法制備了含少量 CaF2(2%質(zhì)量分?jǐn)?shù))的 Ni-Cr/TiB2 復(fù)合鍍層發(fā)現(xiàn)CaF2 的加入后摩擦系數(shù)為0.24,顯著提高了鍍層的摩擦性能[59]。

當(dāng)銀、鉛、錫和金等軟金屬作為涂層材料應(yīng)用在較硬的材料表面時(shí),由于較低的剪切應(yīng)力,晶格為各向異性,晶間易滑移,產(chǎn)生非常低的摩擦系數(shù)(μ~0.1)[52]。在 TiAlN 涂層中摻雜了5種不同含量比例的 Ag和Cu納米顆粒后摩擦系數(shù)明顯降低[60]TiAlN 涂層的主要磨損機(jī)制為磨粒磨損,而 Ag-Cu摻雜的 TiAlN 涂層,由于軟金屬顆粒的潤滑作用,主要磨損機(jī)制為黏著磨損,導(dǎo)致復(fù)合涂層摩擦系數(shù)小。

PTFE 沒有不飽和鍵,不易極化。在滑動(dòng)接觸過程中,它在接觸面上形成了一層薄薄的轉(zhuǎn)移膜,其接觸應(yīng)力較低,低分子間內(nèi)聚力導(dǎo)致分子鏈容易從聚合物的結(jié)晶部分拉出,具有較低的摩擦系數(shù)[61]。PTFE 薄膜不能同時(shí)具有低摩擦系數(shù)和低磨損率,所以一般作為自潤滑復(fù)合材料的基體或者添加物使用。有研究通過在 TC4表面制備 Ni-P-PTFE 自潤滑復(fù)合鍍層研究其磨損性能,發(fā)現(xiàn)添加 PTFE 后,Ni-P 的摩擦系數(shù)和磨損量都顯著降低,說明嵌入的 PTFE 粒子起到了減摩和潤滑作用[62]。

3、表面改性提高鈦合金生物活性

生物相容性是指醫(yī)療器械或材料在一個(gè)特定應(yīng)用中引起恰當(dāng)宿主反應(yīng)的能力[63]。鈦合金材料屬于生物惰性材料,其不具備生物活性和骨誘導(dǎo)性,進(jìn)而無法與骨界面形成良好的骨整合[63]。天然骨組織是由近致密的密質(zhì)骨和多孔的松質(zhì)骨組成,表面包含微米、亞微米和納米等多級(jí)結(jié)構(gòu)[64]。基于仿生學(xué)原理,鈦合金表面結(jié)構(gòu)尺度的差異會(huì)對鈦合金生物活性產(chǎn)生不同的影響。研究表明具有表面粗糙、微納米結(jié)構(gòu)的植入體等有利于骨細(xì)胞的黏附、分化和增殖[65]。一方面微米級(jí)的表面結(jié)構(gòu)可以提高植入體與骨組織之間的嵌合力[66];另一方面,亞微米級(jí)的表面結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長和分化[67]。目前常用的方法主要有通過噴砂、酸蝕和堿熱等工藝得到微納多孔結(jié)構(gòu),從而提高其界面潤濕性和粗糙度而提高其成骨性;表面制備生物活性涂層提高材料骨誘導(dǎo)性和骨結(jié)合能力。

3.1在微植納入多體孔

表結(jié)面構(gòu)引入微納多孔結(jié)構(gòu),可以增加材料表面的比表面積,提高粗糙度并改善界面潤濕性,從而提高骨結(jié)合能力。噴砂、酸蝕和堿熱復(fù)合工藝常用于微納多孔結(jié)構(gòu)的表面改進(jìn)。噴砂可以去除鈦表面的氧化層,使之露出新鮮的純鈦表面,且殘余壓應(yīng)力層有利于涂層與鈦表面的結(jié)合[68]。機(jī)械方法雖然在一定程度上可以改變鈦表面粗糙度和表面形貌結(jié)構(gòu),但運(yùn)用此方法僅能構(gòu)造微米級(jí)別的粗糙表面,難以形成誘導(dǎo)細(xì)胞其他功能的空間尺度。在噴砂之后對鈦合金表面利用不同種類或者不同濃度的酸性溶液進(jìn)行酸蝕,可以去除表面的雜質(zhì),使表面光潔[69]。且行酸蝕處理后的鈦表面與經(jīng)過單純機(jī)械處理的鈦表面相比,具有更高的表面自由能,可以使細(xì)胞更好的與之結(jié)合,不僅促進(jìn)骨整合,同時(shí)促進(jìn)結(jié)締組織與血管組織的形成與附著[68]。堿熱處理法是目前制備生物活性涂層較為常用的方法之一。通過堿熱法可以進(jìn)一步在鈦合金表面制備出微球型和納米型形貌,并且還可以誘導(dǎo)形成羥基磷灰石涂層,進(jìn)一步提高成骨性能[70-71]。

基于多次酸蝕法在鈦合金表面制備微納米結(jié)構(gòu),Zhang等[72]發(fā)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)表面能促進(jìn)成骨細(xì)胞粘附和增殖,并且有更好的 HA 形成能力和細(xì)胞活性。Salemi等[73]將純鈦樣品堿熱處理表面得到微孔表面結(jié)構(gòu),在仿生溶液放置28d后表面形成磷酸鈣涂層,提高了材料的成骨性。通過對噴砂酸蝕和鈦鈮鋯錫合金表面成骨細(xì)胞粘附、增殖和分化的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過噴砂酸蝕處理后在材料表面形成納米級(jí)及微米級(jí)的凹坑,產(chǎn)生均勻分布的粗糙結(jié)構(gòu),經(jīng)過處理后,材料仍保持親水性;可以有效促進(jìn)成骨細(xì)胞在其表面增殖、分化[74]。趙 穎 等[75] 對 比 分 析 了 未 處 理 與 噴 砂 酸 蝕(SLA)、噴砂酸蝕 + 堿熱(AHH)后鈦成骨性,AHH后細(xì)胞黏附、細(xì)胞鋪展情況以及在模擬體液中浸泡1周后表面羥基磷灰石涂層的沉積情況都是最好的,結(jié)果如圖5所示。噴砂酸蝕混合堿處理后的純鈦表面,具有更優(yōu)地促進(jìn)骨形成能力、表面活性和生物性能。通過噴丸、雙酸酸蝕、堿熱處理的復(fù)合工藝在鈦合金材料表面制備出了微納分級(jí)多孔結(jié)構(gòu),結(jié)果表明處理后的鈦合金具有良好的親水性和 Ca/P 沉積能力,其中經(jīng)過噴丸、雙酸蝕和堿熱處理后界面潤濕性和 Ca/P沉積能力都達(dá)到最佳[76]。

3.2 生物活性涂層

在鈦合金表面制備涂層可以在保持鈦合金優(yōu)異性能的同時(shí)對鈦合金的表面結(jié)構(gòu)、表面成分和界面潤濕性等進(jìn)行調(diào)整。生物活性涂層不僅可以為成骨細(xì)胞提供三維生長空間,還可以負(fù)載生物活性因子和生長因子等,促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化[77]。

羥基磷灰石化學(xué)式為 Ca10(PO4)6(OH)2,是人體骨骼主要的無機(jī)成分,具有良好的生物相容性[78]。當(dāng)它植入人體后,鈦合金會(huì)游離出鈣、磷離子而被人體吸收,新組織在骨組織表面以及 HA 涂層表面同時(shí)生長,實(shí)現(xiàn)骨骼和植入物之間的緊密化學(xué)鍵結(jié)合,并且可以充當(dāng)體液與植入物之間的屏障,這樣有利于植入物的穩(wěn)定[79]。許瑩等[80]探究 HA/MO 復(fù)合涂層的生物相容性,采 用 陽 極 氧 化 法 在 Ti-10Mo-28Nb-3Zr-6Ta合金表面先制備納米氧化管,接著通過等離子噴涂法在納米氧化層表面噴涂 HA 生物涂層,制備 HA/MO 納米管復(fù)合涂層;通過細(xì)胞增殖速率分析,試樣表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)胞活性,對細(xì)胞的增長速率促進(jìn)效果良好。HA涂層具有多孔結(jié)構(gòu),孔隙率和孔隙直徑都對成骨效果產(chǎn)生重要影響。就微孔孔隙率對成骨誘導(dǎo)能力的影響研究提示孔隙率的增加,植入物的早期骨誘導(dǎo)作用明顯增強(qiáng)[81]。為了提高 HA 涂層與鈦合金基體的結(jié)合率,在 TC4表面制備了 Ti/TiN/HA 涂層,結(jié)果表明HA 涂層與基體之間 Ti/TiN 過渡層的存在使 HA 涂 層與基體的結(jié)合強(qiáng)度提高了44.57%。

細(xì)胞外基質(zhì)(extracellularmatrix,ECM)是構(gòu)成細(xì)胞外微生物的主要成分,在細(xì)胞成分和周圍微生物環(huán)境相互作用的過程中整合了許多細(xì)胞黏附、生存、增殖和分化等進(jìn)程[83]。常用的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白有膠原蛋白、纖維連接蛋白、骨橋蛋白等。有研究在 Ti種植體表面涂覆I型膠原后發(fā)現(xiàn) ECM 分子涂層可以加速骨愈合、增 加 新 骨 形 成 和 鈦 骨 科 植 入 物 周 圍 骨 結(jié)合[84]。Ⅰ型膠原可以通過整合素與細(xì)胞結(jié)合,將細(xì)胞外信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi),刺激細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路,引導(dǎo)細(xì)胞附著、增殖和分化等行為。有研究發(fā)現(xiàn)在噴砂后的 Ti種植體表面涂覆纖維連接蛋白(FN)后,種植體的細(xì)胞黏附和細(xì)胞增殖增強(qiáng)[85]。等離子噴涂技術(shù)制備了多孔 HA 涂層并用膠原進(jìn)行修飾,研究對比發(fā)現(xiàn),間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)在膠原修飾的 HA 涂層上的粘附、增殖和分化明顯改善,部分膠原在 HA 表面的自我重建時(shí)形成纖維網(wǎng)絡(luò)。

精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列(RGD序列)能促進(jìn)成骨細(xì)胞在骨科植入物上的黏附和增殖,不僅可以刺激成骨細(xì)胞的分化,還對內(nèi)皮細(xì)胞的增殖分化有積極作用[86]。田壘等[87]利用超聲微弧氧化技術(shù)(MAO)在鈦表面進(jìn)行粗化處理后,利用多巴胺(PDA)作為偶聯(lián)劑,將 環(huán) 形 肽 c(RGDfk)聯(lián) 接 在 表 面,構(gòu) 建 MAOPDA-c(RGDfk)涂層,發(fā)現(xiàn)成骨生長肽(OGP)具有良好的骨誘導(dǎo)活性,當(dāng)其固定在表面和支架上時(shí)可以促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和骨生長。同時(shí)也有研究發(fā)現(xiàn)成骨生長肽對小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的的增殖分化,促進(jìn)骨形成[88]。蔣志平等[89]在鈦表面進(jìn)行堿熱處理后涂覆OGP涂層后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞增殖情況優(yōu)異,OGP 在早期可以增加 ALP活性,促進(jìn)骨細(xì)胞的分化與成熟。

在骨形成和修復(fù)過程中,生長因子(骨形態(tài)發(fā)生蛋白、血小板衍生生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子等)被克隆和重組表達(dá)[90]。血小板衍生生長因子是要通過組織損傷后血小板釋放,通過細(xì)胞的增殖來加快愈合。姜濤等[91]通過血管內(nèi)皮細(xì)胞相關(guān)標(biāo)志物鑒定,血小板衍生生長因子 BB可以促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向血管內(nèi)皮細(xì)胞分化。為了改善傳統(tǒng)涂層的成骨誘導(dǎo),各種生長因子(如甲狀旁腺激素、骨形態(tài)發(fā)生蛋白2和成骨蛋白1)也被嵌入到多孔結(jié)構(gòu)中以制造雙功能植入物[92-93]。

通過陽極氧化和化學(xué)介導(dǎo)的方式將血小板衍生生長因子固定鈦表面的研究發(fā)現(xiàn),生物活性/仿生表面修飾有效地增強(qiáng)了細(xì)胞附著、增殖、人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體外的成骨行為[94]。張迪等[95]在理化修飾的基礎(chǔ)上,引入人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(hBMP-2)/人胰島素樣生長因子-1(hIGF-1),表明兩種生長因子的協(xié)同能顯著誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的增殖、成熟與鈣化。

4、表面改性提高鈦合金抗菌性

高壓蒸汽等外部滅菌方法難以對細(xì)菌在醫(yī)療器械表面形成的生物膜徹底清除,從而導(dǎo)致臨床感染。對于植入體來說,異體性以及手術(shù)操作過程都大大增加了臨床感染。首先細(xì)菌細(xì)胞與材料表面之間進(jìn)行快速可逆的初始相互作用,然后細(xì)菌表面結(jié)構(gòu)上的蛋白質(zhì)和材料表面結(jié)合分子之間特異性和非特異性相互作用,最終形成生物膜[96],過程如圖8所示。一旦形成生物膜,細(xì)菌在體內(nèi)就很難被殺死。因此,防止抗菌表面形成生物膜是避免病原體傳播和材料變質(zhì)的最佳途徑。

鈦植入材料的表面粗糙度、化學(xué)性質(zhì)、表面能和帶電荷量等特性對細(xì)菌在種植體表面的初始粘附和生物膜的形成都有著重要影響[97]。因此,可以通過調(diào)節(jié)材料表面的性能來抑制細(xì)胞黏附和生物膜的形成。紫外線照射導(dǎo)致 Ti6Al4V 表面的自發(fā)潤濕性增加,同時(shí)保持合金的體塊特性,這對其作為骨科和牙科種植體的性能至關(guān)重要。在紫外線輻照后 TC4表面細(xì)胞黏附性,發(fā)現(xiàn)幾種成骨細(xì)胞不受紫外線輻照的影響,但會(huì)導(dǎo)致 金 黃 色 葡 萄 球 菌 ATCC29213、表 皮 葡 萄 球 菌ATCC35984和表皮葡萄球 菌 HAM892 的 粘 附 率 降低[98]。同時(shí)有研究通過聚苯乙烯磺酸鈉(polyNaSS)以共價(jià)鍵枝接至純鈦(cpTi)表面對金黃色葡萄球菌黏附的影響,發(fā)現(xiàn)枝接鈦表面金黃色葡萄球菌黏附明顯減少,且并不影響成骨細(xì)胞的粘附、增殖與分化[99](圖9)。

目前主要通過在材料表面涂覆抗生素、有機(jī)抗菌劑和無機(jī)抗菌劑來達(dá)到滅菌的作用。抗生素的作用機(jī)制是抑制微生物細(xì)胞壁和蛋白質(zhì)的合成、干擾 DNA轉(zhuǎn)錄和翻譯[100]。抗生素涂層可以在局部特定位置達(dá)到高療效,且可以針對特定的種植部位周圍的病原體,對不同種類的細(xì)菌研發(fā)了相應(yīng)的抗生素涂層。有研究顯示表面有依諾沙星涂層的 Ti植入體對金黃色葡萄球菌有明顯抑制作用[101]。目前也有研究發(fā)現(xiàn)相比起純 HA 涂層,慶大霉素-HA 涂層的細(xì)菌感染顯著 降低[102]。但是抗生素的使用會(huì)產(chǎn)生生物耐藥性,有可能對人體正常細(xì)胞造成損傷,此外,抗生素的可控長效釋放也比較難以實(shí)現(xiàn)[103]。無機(jī)抗菌劑在人體內(nèi)成分穩(wěn)定,具有良好的抗菌性能和優(yōu)良的生物相容性,一般分為光催化材料和金屬離子兩類。光催化材料主要是通過光激發(fā)的強(qiáng)氧化自由基從而達(dá)到抗菌效果,如 TiO2、ZnO 和SiO2 等禁帶寬度為 n型的半導(dǎo)體氧化物[104]。鐘欣等[105]制備HA/ZnO/SiO2 涂層材料并研究其抗菌性,與純 HA涂層對比發(fā)現(xiàn),HA/ZnO/SiO2 對于對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌率分別為81.7%和89.4%。有研究利用溶膠-凝膠法制備 TiO2 薄膜后發(fā)現(xiàn),TiO2 在自然光誘導(dǎo)的光催化滅活和抗細(xì)菌粘附方面表現(xiàn)出良好的性能[106]。常 用 抗 菌 金 屬 離 子 有 Hg2+ 、Ag+ 、Pb2+ 、Cu2+ 、Zn2+ 、Co2+ 等,由于 Hg、Pb等對人體危害較大,所以 Ag、Cu、Zn等金屬離子應(yīng)用更加廣泛[107]。金屬離子抗菌機(jī)制有以下幾種解釋[108-109]:(1)破壞細(xì)菌細(xì)胞膜細(xì)胞壁;(2)與細(xì)胞質(zhì)中的核酸和蛋白質(zhì)結(jié)合從而使其失去酶的活性,影響細(xì)胞的代謝;(3)與細(xì)菌的遺傳物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致 DNA 結(jié)構(gòu)破壞而抑制細(xì)菌的增殖。基于納米銀羥基磷灰石涂層白色葡萄球菌的研究提 示,其 有 較 強(qiáng) 的 抑 制 作 用,抗 菌 率 均 在 95% 以上[110]。溶膠凝膠法制備的含鋅碳磷灰石涂層,存在鋅離子和碳酸根的取代反應(yīng),含Zn的碳磷灰石涂層材料具有良 好 抗 菌 效 果[111]。Jing 等[112]對 比 研 究 Cu 和Cu/Ag涂層的抗菌性能發(fā)現(xiàn),Cu具有較高的抗菌效果和良好的廣譜抗菌性能,Ag的加入大大提高了抗菌性和抗菌譜。

有機(jī)抗菌劑可以分為天然有機(jī)抗菌劑(殼聚糖等)和合成有 機(jī) 抗 菌 劑 (季 銨 鹽 類、醛 醇 化 合 物、咪 唑 類等)。有機(jī)抗菌劑通過直接接觸細(xì)胞膜,使胞膜發(fā)生收縮來達(dá)到抗菌效果[113]。有機(jī)抗菌劑制備工藝較為成熟,特點(diǎn)是抗菌性能好,選擇性強(qiáng),抗菌實(shí)效快有研究通過在 TC4表面涂覆膦酸鹽/季銨鹽共聚物并研究其抗菌性,結(jié)果表明 TC4底物對金黃色葡萄球菌的殺菌能力從39.4%提高到98.8%,對大腸桿菌的殺菌能力從70.0%提高到99.4%。

將不同種類抗菌劑結(jié)合制備復(fù)合抗菌劑也常用于鈦合金植入體表面抗菌涂層。有研究在多孔氧化鈦表面沉積ZnO/殼聚糖復(fù)合涂層,發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層對大腸桿菌的抑菌活性比單獨(dú)的殼聚糖涂層提高了1.2倍,其原因是由于Zn2+ 離子的釋放[115]。復(fù)合抗菌涂層兼顧無機(jī)抗菌劑的穩(wěn)定性和有機(jī)抗菌劑的高效性,大幅度提升了抗菌涂層的適用范圍。

5、結(jié) 語

綜上所述,鈦合金因其低的彈性模量、高強(qiáng)度、低密度以及優(yōu)異耐蝕性,是目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最常用的材料。匯總了近期通過表面改性方法對鈦合金的疲勞性能、耐磨性、生物相容性和抗菌性進(jìn)行提升的研究進(jìn)展,探討了目前的表面改性技術(shù)仍然存在的問題。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),涂覆涂層存在結(jié)合力差的問題,單一的處理技術(shù)不能滿足多種性能同時(shí)提升的需求,通過探索多種表面處理工藝相結(jié)合的方式提升鈦合金表面質(zhì)量和性能,可以在一定程度上解決單種技術(shù)存在的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益等問題。不同的研究方法再次表明,未來對于醫(yī)用鈦合金表面改性技術(shù)的研究不能僅止于單一性能,可以根據(jù)臨床的不同需求對鈦合金進(jìn)行相應(yīng)的表面改性處理,從而提高鈦合金摩擦磨損性能、抗疲勞性能、生物活性和抗菌等綜合性能。