醫(yī)用鎂合金激光熔覆羥基磷灰石涂層的生物活性分析

孫金娥，劉 杰

（1.北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津 301800；2.天津第四市政建筑工程有限公司，天津 300000）

鎂是一種對(duì)人體溫和的元素，醫(yī)用鎂合金屬于可降解醫(yī)用材料的一種，被譽(yù)為第三代生物醫(yī)用材料。作為現(xiàn)代臨床常用的一種生物體植入材料，鎂合金除了良好的可吸收性和生物相容性以外，還具有與骨接近的密度和彈性模量，因而廣泛應(yīng)用于骨科植入領(lǐng)域。

但鎂合金在生物環(huán)境下耐腐蝕性差，降解產(chǎn)物會(huì)使周邊環(huán)境pH升高和氫氣的產(chǎn)生導(dǎo)致炎癥反應(yīng)，這將嚴(yán)重限制其在骨板、骨釘?shù)裙枪潭ú牧现械膽?yīng)用。因此，如何基于人體復(fù)雜的生理環(huán)境，尋找有效途徑解決醫(yī)用鎂合金耐蝕性較低的問(wèn)題成為了當(dāng)前醫(yī)用鎂合金研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)所在。

近年來(lái)，隨著臨床研究的不斷深入，越來(lái)越多的證據(jù)表明，在醫(yī)用鎂合金表面激光熔覆羥基磷灰石涂層可同時(shí)發(fā)揮醫(yī)用鎂合金可吸收、生物相容好和羥基磷灰石涂層耐腐蝕的優(yōu)勢(shì)，使醫(yī)用鎂合金得以在骨固定材料中得到廣泛應(yīng)用。其中，羥基磷灰石屬于磷酸鹽系無(wú)機(jī)非金屬材料的一種，其化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)與脊椎動(dòng)物的骨、牙齒的礦物成分十分接近，是近年來(lái)被廣泛關(guān)注的一種生物陶瓷涂層材料。

多項(xiàng)研究證實(shí)，在醫(yī)用金屬材料表面覆蓋羥基磷灰石涂層，不僅能夠解決羥基磷灰石作為一種生物陶瓷材料力學(xué)性能差的問(wèn)題；同時(shí)能夠克服金屬材料無(wú)生物活性、易腐蝕的缺點(diǎn)。與此同時(shí)，采用激光熔覆技術(shù)實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其他表面改性技術(shù)無(wú)法達(dá)到的效果，如提高涂層生物相容性、使涂層結(jié)構(gòu)更加接近自然生物的組織結(jié)構(gòu)等。

就我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)于醫(yī)用鎂合金激光熔覆羥基磷灰石涂層的研究來(lái)看，大部分研究依舊集中材料的制備工藝之上，關(guān)于材料生物活性的研究相對(duì)較少。而本文主要論述了醫(yī)用鎂合金的發(fā)展，探討了鎂合金表面激光熔覆羥基磷灰石涂層的生物活性等內(nèi)容，這對(duì)于兩者的進(jìn)一步結(jié)合與應(yīng)用具有較好的借鑒價(jià)值。

1 醫(yī)用鎂合金

鎂合金作為生物可降解材料的應(yīng)用可以追溯到1878年，Edward C.Huse首次用純鎂絲為出血血管縫扎并提出臨床報(bào)告[1]。在這方面最有影響力的先是內(nèi)科醫(yī)生Erwin Payr，其臨床應(yīng)用和報(bào)告啟發(fā)了許多其他臨床醫(yī)生，使得鎂植入物應(yīng)用到不同的外科領(lǐng)域。1900年，Chlumsky在狗與兔子膝關(guān)節(jié)的骨表面間插入厚度為0.1mm～0.8mm的鎂片，不同厚度的鎂片在18d或幾周后完全腐蝕。

試驗(yàn)結(jié)果表明在對(duì)動(dòng)物與人體的強(qiáng)直關(guān)節(jié)骨分離后，鎂片植入手術(shù)能夠成功預(yù)防關(guān)節(jié)僵硬，恢復(fù)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。1944年Troitskii等[2]報(bào)道了多例使用鎂植入物來(lái)治療各種骨折的病例，手術(shù)結(jié)果反映良好，在患者血清未發(fā)現(xiàn)鎂離子的升高，植入物也未引起明顯的炎癥反應(yīng)。1945年，Znamenski等[3]用含10%Al的鎂錫合金醫(yī)治兩例槍傷，四周后兩例病患的鎂骨釘均消失，六周后骨折處融合，鎂骨板消失。20世紀(jì)40年代，由于鎂金屬在人體內(nèi)的腐蝕問(wèn)題得不到足夠的解決，外科醫(yī)生開始使用耐腐蝕性強(qiáng)的V2A鋼，因此鎂及其合金不再是生物材料的研究重點(diǎn)。1999年，隨著鎂在心血管介入器械中的應(yīng)用，鎂及其合金作為醫(yī)用材料再次被關(guān)注。2005年，Witte[4]報(bào)道了用四種商業(yè)鎂合金進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)的結(jié)果，為后來(lái)的醫(yī)用鎂合金的研究打下基礎(chǔ)。Janning等人[5]報(bào)道指出在六周時(shí)間內(nèi)，植入兔子膝蓋的純Mg(OH)2柱體在六周內(nèi)緩慢溶解損失了19%的體積，其他的含鎂金屬鹽顯示出更低的溶解度，很難從植入部位中清除，然而卻表現(xiàn)出良好的生物相容性。Yang等人設(shè)計(jì)了一系列Mg-Sn-Mn合金支架，發(fā)現(xiàn)當(dāng)比例為Mg-3Sn-0.5Mn時(shí)，支架表現(xiàn)出最優(yōu)力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

2 羥基磷灰石涂層

羥基磷灰石與人體的硬組織具有相似的成分，可以很好的誘導(dǎo)骨的生長(zhǎng)。但其脆性十分大，很難應(yīng)用于人體承重的部位，所以經(jīng)常被用于涂層的應(yīng)用。醫(yī)用鎂合金表面覆蓋羥基磷灰石，很好地降低了醫(yī)用鎂合金在人體降解速率過(guò)快的問(wèn)題，提高其生物相容性。研究表明覆蓋羥基磷灰石的醫(yī)用鎂合金在生理鹽水和細(xì)胞溶液中被均勻的腐蝕，這一特點(diǎn)提高了人工置換關(guān)節(jié)的長(zhǎng)期療效。

獲得羥基磷灰石的方法主要有化學(xué)沉積、電化學(xué)沉積、離子束輔助沉積以及激光熔覆。其中，激光熔覆是將HA熔覆于AZ91鎂合金表面，涂層與基體呈冶金結(jié)合，涂層的相組成為HA和β-TCP。

3 激光熔覆羥基磷灰石涂層的生物活性分析

激光熔覆技術(shù)，是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù)，它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料，此外，激光熔覆技術(shù)比生物陶瓷涂層具有其他表面改性技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)；界面結(jié)合方式為牢固的冶金結(jié)合；涂層具有擇優(yōu)取向、有序分布的胞狀微晶組織特征，這種組織與自然生物的組織結(jié)構(gòu)有相似之處，提高涂層生物相容性；改善生物硬組織的匹配性與植入材料彈性模量。因此，世界上各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。

在Erlin Zhang等人[6]的研究中，其通過(guò)激光熔覆方法在醫(yī)用鎂合金的表面覆蓋一層羥基磷灰石涂層后，涂層與基體的交界面之間發(fā)生了相互擴(kuò)散的現(xiàn)象，體現(xiàn)了良好的生物相容性和生物活性與此同時(shí)，涂層表面未見(jiàn)空隙，這證實(shí)了激光熔覆羥基磷灰石涂層在提高鎂基體耐蝕性中的積極效果。HA是親水化合物，導(dǎo)致血漿纖維蛋白吸附減少血小板難以黏附，有研究測(cè)得激光熔覆涂層的PT（凝血酶原）值約為19.508s，鎂合金的PT值約為11.025s，激光熔覆涂層的抗凝血性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鎂合金，體現(xiàn)出良好的血液相容性。

HA具有人體硬組織相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，當(dāng)其植入人體會(huì)有輕微的溶解，溶解的鈣磷與周圍骨組織形成化學(xué)鍵，從而和骨原細(xì)胞結(jié)合，慢慢的骨原細(xì)胞逐漸進(jìn)入HA，并演變成骨細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞均勻地鋪在HA表面，呈長(zhǎng)條形和多角形生長(zhǎng)，表面細(xì)胞皺褶較多，有大量的細(xì)小細(xì)胞偽足呈散射狀分布于細(xì)胞四周。表明了HA涂層具有適宜骨原細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，具有很好的細(xì)胞相容性。趙常利等人[7]通過(guò)激光熔覆法在鎂合金表面得到了致密均勻，耐蝕性好，降解周期較長(zhǎng)的羥基磷灰石涂層。與此同時(shí)，研究證實(shí)了羥基磷灰石涂層植入人體會(huì)有輕微溶解的現(xiàn)象，可能產(chǎn)生彈性回縮、導(dǎo)致酸性產(chǎn)物降解、引發(fā)炎癥反應(yīng)的問(wèn)題，對(duì)此，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎長(zhǎng)期應(yīng)用。

4 醫(yī)用鎂合金激光熔覆羥基磷灰石的應(yīng)用展望

從目前生物材料發(fā)展來(lái)看，鎂及其合金確實(shí)為一種具有優(yōu)越性的生物醫(yī)用材料，開發(fā)研究鎂基生物陶瓷復(fù)合涂層不失為生物材料領(lǐng)域很有前途的一種發(fā)展方向。然而，迄今為止，并沒(méi)有開發(fā)出一種單一的表面改性技術(shù)，能夠充分保護(hù)鎂不受腐蝕，目前的制備羥基磷灰石涂層的方案為幾種工藝混合使用。另外，由于人工合成的純 HA 自身所屬陶瓷性質(zhì)的限制，導(dǎo)致涂層材料脆性大、強(qiáng)度低，抗折強(qiáng)度和斷裂韌性等指標(biāo)均低于人體骨的，使它在人體承重部位的應(yīng)用受到限制。為改善這些情況，通常將羥基磷灰石和其他材料復(fù)合制備成HA生物復(fù)合材料，如：金屬-HA生物復(fù)合材料，生物惰性陶瓷-HA生物復(fù)合材料，高分子復(fù)合物-HA生物復(fù)合材料[8-11]。

由于HA在人體骨中為納米級(jí)別并有序沉淀于骨膠原基體中，而目前的制備工藝方法很難制備出均勻的生物復(fù)合材料，進(jìn)而影響生物醫(yī)用鎂合金的耐腐蝕性能及生物活性，因此HA作為金屬基體表面涂層的應(yīng)用受到關(guān)注，但HA涂層薄、和基體結(jié)合力較弱等仍是制約其作為生醫(yī)用材料應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，開發(fā)更為理想的表面改性工藝，制備更高質(zhì)量的生物陶瓷涂層，提高涂層與基體的結(jié)合力，來(lái)改善生物醫(yī)用鎂合金的耐腐蝕性能及其生物活性仍是將來(lái)研究的方向。