鈦種植體表面五氧化二鉭涂層的制備及其促成骨研究進展*

王非凡 張 碩 劉洪臣

鈦及鈦合金生物相容性及機械性能較好，已成為種植植入的首選材料[1-3]。然而，鈦具有生物惰性，不易于蛋白的的黏附及骨細胞發(fā)揮成骨作用[4]，導致骨結合速度較慢，成骨周期較長。因此對鈦進行表面改性以提高骨結合是目前研究的熱點。

鉭(Ta)相比于鈦，耐腐蝕性及生物相容性較優(yōu)，有利于成骨細胞及骨髓間充質干細胞的黏附、增殖、分化、礦化，促進動物模型的骨結合形成，有“親生物金屬”之稱[5-8]。由于鉭彈性模量及成本較高，可作為涂層應用于種植體表面改性中[9,10]。此外，Ta涂層極佳耐磨性及耐腐蝕性可避免種植體釋放鈦顆粒、離子，降低對身體產生的潛在毒性[11]。

然而，Ta優(yōu)良的生物、耐腐蝕性能可歸功于其表面致密的氧化物，主要成分為穩(wěn)定的五氧化二鉭(Ta2O5)[12-14]。研究顯示，相比于Ta涂層，Ta2O5涂層有利于鈣磷沉積及巨噬細胞的黏附、存活，炎性因子釋放較低，具有較強的生物活性及較低的炎性反應[15,16]。因此，越來越多的學者將鈦表面改性研究轉移至Ta2O5涂層之中。本文對Ta2O5涂層的制備、促成骨研究作一綜述，為制備具有優(yōu)良成骨性能的鈦植入材料提供參考。

1.Ta2O5涂層制備方法

Ta其氧化物硬度及熔點較高，且Ta極易氧化成Ta2O5，因此Ta2O5涂層的制備需要獨特的工藝[17]，目前Ta2O5涂層的制備方法主要分為磁控濺射法、電離法、等離子體電解氧化(PEO)及溶膠-凝膠法。

1.1 磁控濺射法制備Ta2O5涂層 磁控濺射法是通過電場作用使Ta靶材濺射原子，隨后與氧反應后沉積到基材表面形成Ta2O5涂層，是一種較常用的工藝。B.Rahmati等[18-20]通過調控氧化鉭涂層的工藝參數(基體溫度、流量、氧流量和直流功率)，獲得了具有優(yōu)化結合強度、表面硬度、厚度、表面粗糙度性能的氧化鉭涂層。此外，還通過涂層熱處理(300℃-500℃)及在涂層與基底間引入Ta過渡層，進一步增強了Ta2O5涂層的結合強度及硬度。磁控濺射法工藝可控，涂層較致密且均勻、結合強度較高。然而此方法制備的Ta2O5涂層較薄，降低了Ta的利用率。

1.2 電離法制備Ta2O5涂層 電離法即將Ta電離后與氧氣反應，制備出Ta2O5涂層，主要有雙極輝光放電及脈沖真空電弧源沉積法。電離法制備出Ta2O5涂層不僅較為均勻致密，還具有較高厚度。Hu W等[21]采用雙輝光放電等離子體技術使稀薄氣體發(fā)生輝光放電，使Ta電離后與氧氣反應后沉積在Ti-6Al-4V基底形成致密均勻的Ta2O5涂層，檢測顯示該涂層可顯著提高Ti-6Al-4V的耐磨性和耐腐蝕性。然而電離法弊端為設備及流程較復雜，不易控制。

1.3 等離子體電解氧化(PEO)制備Ta2O5涂層等離子體電解氧化(PEO)并通過等離子放電產生瞬時高壓，使Ta的氟絡合物電解質在基材表面反應生成Ta2O5陶瓷涂層。PEO不僅工藝可控，還可同時制備鈣磷化合物及二氧化鈦等多種化合物，因此PEO技術多用于制備復合Ta2O5涂層。Rudnev VS等[22]通過通過等離子電解氧化法(PEO)獲得了鈣、鍶磷酸鹽/Ta2O5/二氧化鈦(TiO2)復合涂層。涂層表面部分含有磷酸鈣和磷酸鍶，而涂層主體中含有Ta2O5，基底為TiO2層，可協同改善鈦材料的生物相容性及生物惰性。

1.4 溶膠-凝膠法制備Ta2O5涂層 磁控濺射法、電離法、PEO法均需要特定的儀器，而溶膠-凝膠法操作條件較為簡單，可控性較好，在基底表面涂覆液相鉭醇鹽后進行水解、縮合化學反應后即可形成Ta2O5凝膠涂層。此外，溶膠-凝膠法還可通過引入功能活性物進一步改良Ta2O5涂層活性，因此溶膠-凝膠法是目前較為簡單有效的Ta2O5涂層制備方法。Tran PA等[23]通過溶膠-凝膠引入功能性活性聚二甲基硅氧烷(PDMS)制備出不同微米、亞微米、納米微納結構Ta2O5-PDMS涂層，并探討了其對成纖維細胞的活性的影響。

水解-縮聚反應是由溶膠-凝膠改良而來的Ta2O5涂層制備技術，其簡化了溶膠-凝膠的操作過程，耗時較短[24]。此外，聚合物輔助沉積也是從溶膠凝膠法發(fā)展而來的涂層制備技術。Xu GQ[25]等將可溶性聚乙烯亞胺和TaCl5螯合液沉積到鈦基底上，在氧氣條件下進行高溫退火處理，去除聚合物并形成Ta2O5涂層。聚合物輔助沉積技術不僅通過TaCl5降低了生產成本，還通過熱處理提高了涂層的致密度及結合強度，是一種優(yōu)良的Ta2O5涂層制備方法。

2.鈦種植體表面Ta2O5涂層促成骨改性研究

2.1 鈦種植體表面Ta2O5涂層促成骨改性 Ta2O5涂層具有良好的生物相容性及成骨性能，可促進羥基磷灰石沉積、成骨蛋白表達和骨細胞的黏附、增殖、分化及礦化，是一種優(yōu)異的鈦種植體成骨改性方法。目前Ta2O5涂層成骨改性研究主要集中在細胞學研究階段。Xu J等[26]通過雙極輝光放電法在Ti-6Al-4V制備出Ta2O5涂層，相比于未涂層的Ti-6Al-4V具有更高的親水性，體外細胞及電化學檢測表明，Ta2O5涂層可促進小鼠成纖維細胞的黏附、增殖及類骨磷灰石層形成，生物相容性較好。Ying-Sui Sun等[25]研究得出水解-冷凝法制備的Ta2O5涂層表面的羥基及亞微孔形貌可顯著促進鈦對成骨蛋白的吸附及骨髓間充質干細胞的黏附及增殖，有較大的骨應用潛力。Xu GQ[24]等采用聚合物輔助沉積技術在鈦基板表面制備了Ta2O5涂層，細胞學結果顯示，此涂層顯著提高了鈦生物相容性，可促進成骨細胞的黏附、增殖、分化、礦化及成骨基因的表達。

2.2 鈦種植體表面Ta2O5涂層復合處理促成骨改性 然而，Ta2O5仍是一種生物惰性化合物，為進一步增強其成骨能力，對Ta2O5涂層的復合處理以增強其成骨作用是目前重要的研究方向[27-29]。

2.2.1 Ta2O5涂層與鈣磷化學涂層聯用 鈣磷化學涂層生物相容性較好，可誘導、促進骨生長并與周圍骨組織形成化學性結合。然而鈣磷化學涂層機械性能、結合強度及穩(wěn)定性較差，因此將其與Ta2O5聯用可形成具有優(yōu)化成骨、機械性能、結合強度及耐腐蝕性的改性涂層[30]。Sun YS等[31]采用溶膠-凝膠法在鈦制備出Ta2O5層，隨后通過電化學陰極沉積工藝在其表面制備了雙相磷酸鈣(BCPS)層。BCPS/Ta2O5雜化層可提高鈦表面的耐腐蝕性和生物相容性，有利于骨髓間充質干細胞的黏附。

2.2.2 Ta2O5涂層磷酸化修飾 對Ta2O5涂層進行有機磷酸化修飾，磷酸基團可作為端基促進鈣離子沉積，進而顯著增強Ta2O5涂層與羥基磷灰石的結合[32]。Arnould C等[33]在鈦表面通過溶膠-凝膠法沉積Ta2O5涂層，在其表面通過自組裝1,4-丁二膦酸進行修飾，表征檢測顯示此復合涂層可顯著改善羥基磷灰石的生成。

2.2.3 Ta2O5涂層與生物納米管聯用 二氧化鈦(TiO2)納米管與碳納米管為成骨性能較佳的生物納米管結構。其具有一定仿生學，尺寸與骨組織的有機、無機成分相近，納米孔結構與基底膜相似。因此將Ta2O5與生物納米管相結合可協同增強涂層的成骨作用[34]。

鈦通過電化學法可形成TiO2納米結構，研究表明，TiO2納米結構可促進骨細胞成骨作用的發(fā)揮及成骨相關基因的表達[35-36]。Rudnev VS等[22]采用萃取-熱解法與PEO法制備出Ta2O5、鈣磷化合物和TiO2納米孔結構的段交替的涂層，以提升鈦生物相容性及化學穩(wěn)定性。

碳納米管不僅可促進羥基磷灰石的沉積，促進骨生成、抑制骨吸收，其表面羥基還可與Ta2O5形成緊密的化學鍵結合[30,37]。Maho A等[38]通過溶膠-凝膠法，在鈦基底形成磷酸化修飾的Ta2O5/碳納米管復合涂層，磷酸化修飾的碳納米管不僅可緊密、均勻地結合Ta2O5，還可協同增強羥基磷灰石沉積，提高鈦生物活性。

3.總結

將鈦種植體進行表面改性以提高成骨能力是學者們研究的熱點。Ta2O5涂層具有優(yōu)良的生物相容性、機械性、耐腐蝕性及成骨性能，為鈦種植體成骨改性提供了一個新方向。Ta2O5涂層的制備方法較為獨特，主要可分為磁控濺射法、電離法、等離子體電解氧化(PEO)及溶膠-凝膠法。其中，溶膠-凝膠法不需要特定的設備支持，操作較為簡便且可控較好，可通過引入功能基團進一步改良Ta2O5涂層活性，是較為簡單有效的Ta2O5涂層制備方法。研究表明Ta2O5涂層可提高鈦生物相容性，促進羥基磷灰石沉積、成骨蛋白表達和骨細胞的黏附、增殖、分化及礦化。而Ta2O5仍具有一定生物惰性，對其進行鈣磷、磷酸化及生物納米管修飾以增強其成骨作用是未來研究的重要方向。然而目前Ta2O5涂層促進鈦種植體成骨改性研究主要在細胞實驗階段，動物學及臨床效果還需進一步研究與驗證。