鉭涂層人工假體界面特性及生物學(xué)特性的研究.pdf

1、理想的關(guān)節(jié)置換假體不僅要具有較高力學(xué)強(qiáng)度及低彈性模量，假體表面還應(yīng)具有一定大小的微孔結(jié)構(gòu)，以利于骨組織能夠緊密地嵌合和長入假體的微孔中，增加假體術(shù)后的穩(wěn)定作用；隨著假體表面與骨結(jié)合的研究日益深入，假體表面處理方式也日趨多樣化。
　　目前，生物陶瓷涂層材料及微孔金屬涂層生物材料是假體表面處理的主要方向，分別以羥基磷灰石（Hydroxyapatite,HA，Ca10(PO4)6(OH)2）及鈦（Titanium,Ti）涂層為代表。它們

2、是通過燒結(jié)或等離子噴涂的工藝將HA及Ti金屬被覆在不銹鋼或Ti金屬基體表面，形成具有一定骨傳導(dǎo)或骨誘導(dǎo)功能的生物涂層復(fù)合材料，克服了以往人體植入材料在機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、耐腐蝕等綜合性能方面存在的不足，成為近年來比較理想的骨重建材料。但已有文獻(xiàn)報(bào)道，由于HA屬于人體可降解和吸收的材料，其涂層降解后會(huì)使材料基體與組織間產(chǎn)生間隙，逐漸導(dǎo)致假體松動(dòng)。對(duì)于Ti涂層復(fù)合生物材料而言，雖然在表面機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕以及假體晚期穩(wěn)定性方面優(yōu)于HA涂層生

3、物材料，但在假體植入早期，Ti涂層與HA涂層材料在骨誘導(dǎo)功能方面還存在一定差距，臨床長期的觀察也發(fā)現(xiàn)Ti涂層關(guān)節(jié)假體同樣存在涂層脫落而導(dǎo)致假體松動(dòng)的現(xiàn)象，因此，尋找和研究既有良好的生物相容性、又能保證術(shù)后假體長期穩(wěn)定的涂層材料仍是今后一段時(shí)間關(guān)節(jié)假體研究領(lǐng)域的主要方向之一。
　　自從1997年起，隨著多孔鉭材料作為小梁金屬在臨床矯形外科的廣泛應(yīng)用，各種鉭(Tantalum，Ta)制生物材料的優(yōu)勢(shì)也逐漸展現(xiàn)出來，其良好的生物相容性、

4、獨(dú)特的物理及機(jī)械學(xué)特性為鉭金屬生物材料發(fā)展提供了廣闊空間。
　　隨著假體表面研究的進(jìn)展以及多孔鉭“外襯”部件在人工假體表面應(yīng)用存在的局限性，使得研究者開始對(duì)鉭金屬是否可以作為假體涂層材料進(jìn)行了新的思考。但作為一種新型生物材料涂層，Ta涂層是否具備生物材料涂層應(yīng)有的材料學(xué)特性及良好的生物相容性？Ta涂層-基體結(jié)合強(qiáng)度、涂層的耐磨性是否能滿足其作為人工假體涂層的要求？Ta涂層假體植入后的骨長入量是否會(huì)對(duì)假體后期的穩(wěn)定性起到維持作用？這

5、些問題便成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。
　　本文通過三個(gè)部分對(duì)Ta涂層一般特性及生物學(xué)特性進(jìn)行了進(jìn)一步研究：第一部分為Ta涂層一般特性的研究；第二部分為Ta涂層生物學(xué)特性的研究；第三部分為Ta涂層人工假體生物力學(xué)行為及其涂層物理特性關(guān)系的初步研究。
　　一、Ta涂層一般特性的研究
　　1.Ta涂層界面物理特性的研究
　　目的：對(duì)Ta涂層界面結(jié)合強(qiáng)度、表面機(jī)械強(qiáng)度、涂層元素構(gòu)成進(jìn)行初步的研究和分析，為鉭金屬涂層材料的應(yīng)用提

6、供試驗(yàn)依據(jù)。方法：（1）采用大氣等離子噴涂系統(tǒng)制備鉭涂層試件，獲得二維孔隙率為25～35％、涂層厚度為150μm的Ta涂層試件，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察、金相顯微鏡觀察、能譜掃描（EDX）及X-射線衍射分析（XRD）等手段對(duì)Ta涂層的表面形貌、金相結(jié)構(gòu)和化學(xué)構(gòu)成進(jìn)行分析；（2）界面力學(xué)檢測(cè)：選用醫(yī)用Ti-6Al-4V基體材料，經(jīng)過噴砂及等離子噴涂工藝加工獲得二維孔隙率為25～35％、涂層厚度為150μm的Ta涂層試件作為實(shí)驗(yàn)組，

7、相同基體和規(guī)格的HA及Ti涂層的試件作為對(duì)照組；運(yùn)用WS-2005涂層附著力自動(dòng)劃痕儀、HV-120維氏硬度儀分別對(duì)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度及涂層表面硬度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果：(1)SEM觀察發(fā)現(xiàn)，Ta涂層表面粗糙、孔隙形貌清晰；鉭涂層組織致密，界面結(jié)合緊密，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部分層和裂紋；（2）Ta涂層料表面硬度及涂層界面結(jié)合強(qiáng)度明顯高于HA涂層和Ti涂層（P﹤0.01）。結(jié)論：Ta涂層界面結(jié)合緊密，表面孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與Ti涂層和HA涂層相比具有更高的結(jié)合

8、強(qiáng)度和表面硬度，這對(duì)預(yù)防涂層脫落、維持假體表面結(jié)構(gòu)及維持假體生物力學(xué)特性具有積極作用。
　　2.Ta涂層假體表面磨損機(jī)制的研究
　　目的：對(duì)Ta涂層假體表面的疲勞磨損機(jī)制及其生物磨損機(jī)制進(jìn)行初步的研究和分析，為鉭金屬涂層假體的臨床應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。方法：（1）實(shí)驗(yàn)組（A組）基體為醫(yī)用316不銹鋼（0Cr17Ni12Mo2），涂層厚度為400μm的Ta涂層試件，表面孔隙率為25-35％；對(duì)照組（B、C組）分別為316不銹鋼基體

9、HA與Ti涂層試件，試件標(biāo)準(zhǔn)與A組一致。采用MMW-2型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及0Cr17Ni12Mo2對(duì)磨件進(jìn)行涂層試件的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，對(duì)在一定載荷下的試件磨損外貌特征、磨損量進(jìn)行觀察、對(duì)比，采用SEM及XRD等方法對(duì)磨損實(shí)驗(yàn)前后涂層表面形貌、金相結(jié)構(gòu)和化學(xué)構(gòu)成進(jìn)行分析對(duì)比；（2）采用以0Cr17Ni12Mo2為基體的Ta、HA及Ti涂層試件作為實(shí)驗(yàn)組（A組）及對(duì)照組（B、C組）進(jìn)行試件-骨磨損試驗(yàn)，三種涂層厚度均為400μm、表面孔

10、隙率為25-35％；對(duì)磨件為豬骨股骨近端骨骼制成；利用MMW-2型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)一定載荷下的試件經(jīng)過骨磨損后外貌特征、骨磨損量及試驗(yàn)中各組摩擦副間摩擦系數(shù)的變化進(jìn)行分析，采用SEM及XRD等方法對(duì)磨損試驗(yàn)前后涂層表面形貌、金相結(jié)構(gòu)和化學(xué)構(gòu)成進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果：(1)各組涂層的滑動(dòng)摩擦失效行為主要表現(xiàn)為疲勞剝落,316不銹鋼基體Ta涂層表面耐磨性能明顯高于HA及Ti涂層（P﹤0.01）；(2)與金屬對(duì)磨的磨損實(shí)驗(yàn)不同，在采用骨對(duì)

11、磨件的磨損實(shí)驗(yàn)中三種涂層磨損試件的質(zhì)量并沒有明顯的減少（P﹥0.05）；隨著磨損時(shí)間的延長，三種涂層試件對(duì)骨組織的摩擦系數(shù)均逐漸減少，最終摩擦系數(shù)均維持在0.40左右；同時(shí)，骨磨屑堆積在試樣涂層表面孔隙里形成了一層平滑的固體潤滑界面，在摩擦副間起到阻礙磨損的作用；結(jié)論：（1）Ta涂層磨損失效行為主要為疲勞剝落，其具有明顯優(yōu)于Ti涂層和HA涂層的耐磨損、抗疲勞作用，這對(duì)預(yù)防涂層脫落、維持假體表面結(jié)構(gòu)及維持假體生物力學(xué)特性具有積極作用；（2

12、）由于固體潤滑界面形成及存在，使得骨-涂層摩擦不易對(duì)假體的Ta涂層造成破壞。
　　二、Ta涂層生物學(xué)特性的研究
　　1.Ta、HA、及Ti涂層假體細(xì)胞毒性對(duì)照研究
　　目的：通過對(duì)比研究評(píng)價(jià)Ta涂層假體的細(xì)胞毒性作用，初步了解和評(píng)價(jià)Ta涂層材料生物相容性，為Ta涂層假體臨床應(yīng)用的可行性提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。方法：通過對(duì)細(xì)胞相對(duì)增殖率（RGR）檢測(cè)及細(xì)胞毒性測(cè)定對(duì)Ta涂層材料的生物相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)；方法：（1）Ta、Ha、Ti涂層

13、材料及相應(yīng)浸提液的制備；（2）L929細(xì)胞系的培養(yǎng)及傳代；（3）利用Ta、Ha、Ti涂層材料浸提液對(duì)L929傳代細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，觀察不同浸提液培養(yǎng)的細(xì)胞生長形態(tài)，并通過MTT比色法對(duì)各組涂層材料的細(xì)胞毒性進(jìn)行分級(jí)；結(jié)果：(1)細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察顯示：Ta涂層組的細(xì)胞生長形態(tài)與HA和Ti涂層組一致，細(xì)胞生長形態(tài)良好，與空白陰性對(duì)照組無明顯差別，而含有0.64％苯酚浸提液作為培養(yǎng)液培養(yǎng)的空白陽性對(duì)照組細(xì)胞，細(xì)胞廣泛死亡；（2）MTT比色實(shí)驗(yàn)顯示：

14、Ta、Ha及Ti涂層組的細(xì)胞相對(duì)增殖率（RGR）無明顯差別﹙P﹥0.05﹚，Ta涂層與其它涂層對(duì)照組及空白陰性對(duì)照組的細(xì)胞毒性沒有顯著差異，三種涂層的細(xì)胞毒性均為0級(jí)；結(jié)論：（1）Ta涂層假體對(duì)生長增殖中的細(xì)胞沒有明顯的毒性及抑制作用；（2）Ta涂層具有相對(duì)穩(wěn)定的細(xì)胞相容性，與臨床應(yīng)用的Ti、HA涂層無明顯差別。
　　2.Ta涂層假體植入后早期假體周圍成骨量的對(duì)照研究
　　目的：通過對(duì)Ta、Ti涂層假體植入后周圍成骨量的對(duì)比

15、，對(duì)Ta涂層骨組織相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)；方法：（1）采用等離子噴涂工藝加工制備Ta、Ti涂層植入假體；（2）利用手術(shù)植入方法將不同涂層假體植入新西蘭白兔的股骨髁內(nèi)，術(shù)后分期通過假體表面肉眼觀察、組織學(xué)評(píng)價(jià)、假體的表面SEM觀察及EDX分析對(duì)假體周圍骨長入情況進(jìn)行觀察分析；結(jié)果：(1)組織病理學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)假體植入后4W、9W及15W時(shí)，Ta、Ti涂層與新生骨組織結(jié)合緊密而穩(wěn)定，涂層無脫落；（2）與假體植入4W時(shí)組織病理學(xué)觀察結(jié)果一致，假體植入4W

16、，SEM觀察顯示Ta、Ti涂層表面及周圍均有明顯的骨樣組織形成，骨樣組織結(jié)構(gòu)清晰、組織分布均勻；（3）各植入期Ta、Ti涂層假體周圍骨體積分?jǐn)?shù)對(duì)比無明顯差異（P﹥0.05）；（4）假體植入4W假體表面EDX分析結(jié)果顯示，Ta、Ti涂層假體表面新生組織的主要元素構(gòu)成中含有、Ca、P等骨組織元素；結(jié)論：（1）Ta涂層假體具有較好的骨組織相容性及周圍成骨效果，涂層-骨組織界面結(jié)合穩(wěn)定，無涂層脫落或涂層與基體分層現(xiàn)象；（2）在假體植入早期，Ta

17、涂層假體周圍骨形成量與目前臨床應(yīng)用的Ti金屬涂層假體無明顯差別。
　　3.Ta涂層假體植入后早期穩(wěn)定性的對(duì)照研究
　　目的：通過對(duì)Ta、Ti涂層假體及非涂層假體植入后假體周圍成骨量及假體生物力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比分析，對(duì)Ta涂層假體植入后早期穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；方法：（1）采用等離子噴涂工藝加工制備Ta、Ti涂層植入假體；（2）采用手術(shù)植入方法將Ta、Ti涂層假體植入實(shí)驗(yàn)兔的股骨髁內(nèi)，利用推出實(shí)驗(yàn)（pull-outtesting）及組織

18、病理學(xué)觀察方法對(duì)術(shù)后各期假體軸向極限抗剪切強(qiáng)度及假體周圍骨形成量進(jìn)行對(duì)比；（3）假體拔出后周圍組織HE染色及假體表面EDX分析對(duì)Ta涂層-基體界面抗剪切能力及假體植入后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；結(jié)果：(1)早期隨著植入時(shí)間的延長，Ta、Ti涂層假體周圍成骨量也在不斷增加；術(shù)后4W、9W及15W，Ta、Ti涂層假體周圍骨體積分?jǐn)?shù)對(duì)比無明顯差異（P﹥0.05）；（2）術(shù)后4、9及15W，Ta、Ti涂層假體間最大抗剪應(yīng)力無顯著差異（P﹥0.05）；T

19、a涂層假體植入4W與16W時(shí)假體的最大抗剪應(yīng)力之間有顯著差異（P﹤0.05），同種材料植入8W時(shí)的最大抗剪應(yīng)力與4W、16W時(shí)還不具有顯著差異（P﹥0.05）；（3）假體拔出后組織HE染色觀察結(jié)果顯示，非涂層假體周圍為環(huán)狀纖維組織，假體-組織界面平整，無異物存留；Ta、Ti涂層假體周圍可見骨組織形成，假體拔出造成涂層-骨組織界面斷裂、分離，但假體周圍骨組織表面未見涂層存留物；（4）EDX分析結(jié)果顯示，假體拔出后Ta、Ti涂層假體表面元素