懸浮液等離子噴涂制備羥基磷灰石納米生物涂層研究進(jìn)展

張金濤，吳 浩，魯 涵，曹 均，任 潞，張秀強(qiáng)，所新坤

(1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院多維增材制造研究所，浙江 寧波 315211；2.寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，浙江 寧波 315100；3.寧波展慈新材料科技有限公司，浙江 寧波 315338)

0 前 言

羥基磷灰石(HA)納米生物涂層因具有較大的表面積與體積比、易合成、易制造、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)在納米生物技術(shù)、環(huán)境治理、燃料電池的材料和催化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。HA 還具有良好的生物活性以及骨傳導(dǎo)性，在人工修復(fù)材料領(lǐng)域作為生物涂層而備受青睞。目前，制備生物涂層的方法包括:真空冷噴涂[2]、脈沖激光[3]、大氣等離子噴涂[4]等，各方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 各種制備生物涂層的方法的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of different preparation methods of biological coating

相比表1 中的制備生物涂層的方法，懸浮液等離子噴涂(SPS)不需要特殊真空或者氣氛保護(hù)環(huán)境，沉積效率較高、涂層制備成本較低，可以有效避免材料浪費(fèi)，無(wú)需二次造粒，工藝簡(jiǎn)單[5]。采用SPS 可制備具有優(yōu)異性能的HA 納米涂層，為此，本文綜述了近年來(lái)SPS 制備HA 納米涂層的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀。

1 制備生物涂層的原理

目前等離子噴涂技術(shù)是制備生物活性涂層的普遍方法[6，7]，而SPS 技術(shù)是在原有的等離子噴涂的基礎(chǔ)上，使用液體懸浮液代替干粉作為原料。懸浮液主要由液體介質(zhì)和原料兩部分混合而成:液體介質(zhì)通常采用蒸餾水或者乙醇，而原料是平均尺寸為幾納米的HA顆粒[8]。將原料混合在液體介質(zhì)中，確保體系具有良好的流動(dòng)性。與傳統(tǒng)的等離子涂層相比，可以獲得更薄的涂層和更致密的組織結(jié)構(gòu)[9]。懸浮液在未碰撞基板之前，會(huì)與等離子射流產(chǎn)生復(fù)雜的反應(yīng)。?atka 等[10]在噴涂沉積物中發(fā)現(xiàn)片層狀的致密區(qū)域和含有與初始懸浮液中的細(xì)小固體相對(duì)應(yīng)的細(xì)HA 晶粒的燒結(jié)區(qū)，共2 個(gè)特征區(qū)域；分析這2 個(gè)區(qū)域的成分，發(fā)現(xiàn)致密區(qū)的組成包括結(jié)晶HA 及其分解產(chǎn)物，如磷酸三鈣(TCP)和富含CaO 的相，而燒結(jié)區(qū)則由松散結(jié)合的初始HA 晶粒組成，為研究等離子噴涂沉積物的結(jié)構(gòu)和成分提供了直接的證據(jù)。Sánchez 等[11]認(rèn)為注入等離子射流的懸浮射流首先會(huì)經(jīng)受氣流破壞，形成大液滴；液滴和等離子體之間的阻力產(chǎn)生剪切變形，導(dǎo)致二次破裂，該研究為等離子噴涂中懸浮液的演化提供了重要的思路。Kozerski 等[12]對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)在此過程中可能還會(huì)出現(xiàn)圖1 所示的現(xiàn)象:液體在氣流的作用下分解、蒸發(fā)；顆粒的燒結(jié)、熔化；撞擊基板；涂層的SEM形貌證實(shí)了?atka 等[10]的發(fā)現(xiàn)，即涂層含有充分熔融顆粒的致密區(qū)和含有納米晶粒的燒結(jié)區(qū)；分析產(chǎn)生這2 個(gè)區(qū)域可能的原因是，二次破裂中形成的液滴的不同軌跡所致:致密區(qū)由熔融的顆粒組成，這些液滴處在等離子射流的中心線上，輸入到液滴的能量較多，能夠使顆粒和團(tuán)聚體充分熔化；燒結(jié)區(qū)由顆粒撞擊基板產(chǎn)生，液滴處于等離子射流的外圍，輸入到這些液滴的熱量可能足以燒結(jié)小顆粒和較大的團(tuán)塊，但無(wú)法將其熔化。

圖1 等離子體焰流中懸浮液滴的演化[12]Fig.1 Evolution ofsuspension droplets in plasma flame[12]

Candidato 等[8]也對(duì)懸浮液在飛行過程中的液滴演化及沉積機(jī)理進(jìn)行研究，將液體注入等離子焰流中并噴涂到基板上，發(fā)現(xiàn)液滴的3 種沉積機(jī)制如圖2 所示。圖2 中(a)表示液滴中部分水蒸發(fā)，使溶液濃度提高，產(chǎn)生過飽和現(xiàn)象，且過飽和先于液滴周圍HA 的均質(zhì)成核和固體殼的形成。此外，由于內(nèi)部蒸汽壓力過高，液滴的外殼產(chǎn)生破裂，破裂的外殼一部分直接落在基板上，另一部分熔化為球形后撞擊基板，由于蒸發(fā)，熔化粒子的尺寸會(huì)進(jìn)一步減?。?b) 表示當(dāng)液滴中包含小的固體顆粒時(shí)，固體顆粒會(huì)在熔化之后撞擊基板。此外，由于顆粒被液體所包圍，可能發(fā)生異質(zhì)形核；(c)表示固體顆粒周圍的部分液滴蒸發(fā)，當(dāng)固體顆粒熔化之后，一部分顆粒蒸發(fā)，另一部分撞擊基板。此外，Candidato 等[13]還對(duì)不同濃度的懸浮液與等離子射流接觸過程中可能發(fā)生的現(xiàn)象以及涂層沉積機(jī)制進(jìn)行了研究[13]。圖3 和圖4 分別為使用低濃度懸浮液和高濃度懸浮液制備的涂層的沉積機(jī)制和形貌，圖5 為低濃度懸浮液和高濃度懸浮液制備的涂層的表面和截面形貌。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)濃度較低的懸浮液注入等離子射流后，一部分大液滴由于受熱不均，在撞擊基體后會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚體的沉積物。另一部分熔化的小顆粒撞擊基體會(huì)附著在粗糙基體的峰上或者峰的邊緣上，隨著平行于基板的噴槍不斷地移動(dòng)，峰邊緣的細(xì)小顆粒會(huì)被等離子氣流橫向推動(dòng)。這些橫向運(yùn)動(dòng)的粒子會(huì)使沉積物不斷垂直生長(zhǎng)，形成圓頂狀的形貌結(jié)構(gòu)。高濃度的懸浮液中由于溶質(zhì)的濃度較高，這些液滴的表面會(huì)在等離子射流中形成結(jié)殼。隨著殼內(nèi)氣壓的增大，外殼破碎，形成更小的圓形顆粒。一方面懸浮液中的細(xì)小顆粒和圓形顆粒會(huì)在飛行中熔化，在撞擊基板時(shí)形成不規(guī)則形狀。另一方面，一些球形顆粒與破碎的外殼在飛行中聚集，形成顆粒簇，如圖4b 所示，沉積在涂層表面時(shí)，呈現(xiàn)出類似于花椰菜的形貌特征，如圖5c。

圖2 液滴的3 種沉積機(jī)制[8]Fig.2 Possible routes for the droplets[8]

圖3 使用低濃度懸浮液制備的涂層的沉積機(jī)制和形貌[13]Fig.3 Deposition mechanism and morphologies of coating prepared using low concentration suspension[13]

圖4 使用高濃度懸浮液制備的涂層的沉積機(jī)制和形貌[13]Fig.4 Deposition mechanism and morphologies of coating prepared using high concentration suspension[13]

圖5 低濃度懸浮液和高濃度懸浮液制備的涂層的表面和截面形貌[13]Fig.5 Surface and cross-section morphologies of coating prepared by low concentration suspension and high concentration suspension[13]

通過將懸浮液注入等離子體射流，利用SPS 工藝可以合成納米級(jí)的HA 生物涂層。研究者在涂層的微觀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)致密區(qū)和燒結(jié)區(qū)2 個(gè)不同類型的區(qū)域，并對(duì)其可能形成的原因進(jìn)行了分析。涂層的沉積物由細(xì)小顆粒、破裂的殼、球形顆粒和碎片殼團(tuán)塊所組成，這些特征的產(chǎn)生是由液滴的大小和液滴在等離子射流中的位置所決定的[10-12]。另一方面，只有溶液濃度對(duì)最終涂層的形態(tài)有影響，低濃度懸浮液制備的涂層的表面形貌呈現(xiàn)出圓頂狀，高濃度懸浮液制備涂層的表面形貌則呈現(xiàn)出花椰菜的形狀。目前懸浮液在飛行過程中的液滴演化過程仍不明確，需要對(duì)液滴在高溫環(huán)境中經(jīng)歷的化學(xué)反應(yīng)和物理轉(zhuǎn)變進(jìn)行深入研究。

2 制備生物涂層的影響因素

影響SPS 技術(shù)制備生物涂層的微觀結(jié)構(gòu)的因素可主要分為懸浮液特性、噴涂功率和速度、噴涂距離等。

2.1 懸浮液特性的影響

不同的懸浮液濃度將會(huì)使制備的生物涂層顯現(xiàn)出不同的特征狀態(tài)，d’Haese 等[14]研究了不同濃度懸浮液對(duì)等離子噴涂HA 涂層組織結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)涂層具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和兩層微觀結(jié)構(gòu)，分別是熔融的片層和細(xì)小的團(tuán)聚顆粒。Mejias 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，用高濃度懸浮液制備的涂層的表面顯現(xiàn)出一種類似于花椰菜的形貌，可以觀察到有細(xì)小顆粒和團(tuán)聚碎片；用高濃度懸浮液制備的涂層的表面顯現(xiàn)出圓頂狀的形貌，周圍聚集著細(xì)小球形顆粒。結(jié)果表明，高濃度懸浮液制備的HA 涂層更加致密且結(jié)晶性更好。

Candidato 等[13]的研究也證實(shí)了懸浮液濃度會(huì)導(dǎo)致涂層的形貌變化。在相同的噴涂參數(shù)下，使用高濃度懸浮液制備的單層涂層的厚度約為使用低濃度懸浮液制備的涂層厚度的2 倍，這種厚度的變化可能是由于高濃度懸浮液能夠產(chǎn)生更多的固體物質(zhì)。

制備質(zhì)量均勻的納米涂層需要穩(wěn)定的懸浮液，這就要求懸浮液中的顆粒分散良好，在沉積過程中幾乎沒有聚集趨勢(shì)。當(dāng)懸浮液中的顆粒較大時(shí)，顆粒之間會(huì)產(chǎn)生聚集結(jié)塊，導(dǎo)致噴涂堵塞并且會(huì)在懸浮液進(jìn)料過程中產(chǎn)生沉降，易使涂層產(chǎn)生缺陷[16]。Ca?as 等[16]使用2 種不同的研磨步驟在有機(jī)溶劑二丙二醇甲醚中研磨具有生物活性的非晶態(tài)玻璃粉體，獲得2 種具有不同粒度分布(D50 ＝8.3 μm 和D50 ＝2.2 μm)的懸浮液，使用TiO2粘結(jié)涂層時(shí)，只有采用較細(xì)粒度的懸浮原料才能制備出黏附在基體上的涂層。

SPS 原料可以在水性和有機(jī)介質(zhì)中制備得到，水和乙醇是SPS 原料制備中最常用的液體。Kozerski 等[12]在研究不同溶劑對(duì)沉積后顆粒分散狀態(tài)以及形狀的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用水基懸浮液時(shí)，涂層表面顆粒分離良好，部分顆粒熔融，呈球形，另一部分未完全熔化，呈不規(guī)則形狀；而使用乙醇基懸浮液時(shí)，涂層表面顆粒分離良好且基本熔融呈球形。Ca?as 等[16]對(duì)此進(jìn)入深入研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用水基懸浮液時(shí)，水蒸發(fā)時(shí)往往會(huì)帶走一大部分熱量，等離子體射流被冷卻，從而降低飛行粒子的熔化程度；而使用乙醇基懸浮液時(shí)，乙醇在等離子射流中燃燒，等離子體射流溫度會(huì)相對(duì)升高，因此，傳遞給粒子的熱量增加，有利于粒子的熔化。故在同等的噴涂參數(shù)條件下，使用水基懸浮液會(huì)導(dǎo)致更多的未熔化區(qū)域產(chǎn)生。

懸浮液對(duì)涂層的微觀結(jié)構(gòu)的影響，主要體現(xiàn)在懸浮液的濃度、懸浮液中粉末的粒度和分散劑介質(zhì)等方面。懸浮液的濃度不僅會(huì)影響涂層表面的形貌還會(huì)對(duì)涂層的厚度和致密性產(chǎn)生影響，高濃度的懸浮液制備的涂層更厚且致密性更好。懸浮液中粉末的粒度會(huì)影響涂層的附著力，細(xì)粒度的懸浮液原料有利于制備出與基體具有較好附著力的涂層。而不同的分散劑介質(zhì)種類會(huì)影響涂層表面的熔化狀態(tài)，與使用水基懸浮液的情況相比，使用乙醇基懸浮液制備的涂層的未熔化區(qū)域最少。

2.2 噴涂工藝參數(shù)的影響

噴涂功率和速度是影響噴涂質(zhì)量的關(guān)鍵因素，高的噴涂功率有利于懸浮液溶劑的蒸發(fā)和粒子的熔化，而低的噴涂功率容易導(dǎo)致顆粒熔化不充分，形成團(tuán)聚體。噴涂速度會(huì)影響沉積涂層顆粒的大小，噴涂速度越高，顆粒的粒徑越小。除此之外，電弧電力、噴涂距離也會(huì)對(duì)涂層表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，隨著電弧電力和噴涂距離的增加，涂層會(huì)更加致密，涂層表面顆粒的粒徑也會(huì)更小。

Khor 等[17]研究發(fā)現(xiàn)噴涂合成的超細(xì)HA 粉末的平均粒徑隨著噴涂功率的增加而降低，等離子體合成粉末的粒徑與噴涂功率的關(guān)系如圖6 所示。分解相含量在15 kW 達(dá)到最大值，當(dāng)噴涂功率超過該功率時(shí)，粉末的非晶相顯著增加，并且副產(chǎn)物減少。

圖6 等離子體合成粉末的粒徑與噴涂功率的關(guān)系[17]Fig.6 Particle size of plasma synthesized powder as a function of the plasma power[17]

Tomaszek 等[18]研究發(fā)現(xiàn)在40 kW 的噴涂功率下，HA 涂層的微觀結(jié)構(gòu)顯示出更少的孔隙和更好的內(nèi)聚力。在更高的功率輸入下，HA 分解為α-TCP、β-TCP、TTCP 甚至CaO。Candidato 等[8]在研究不同的沉積工藝參數(shù)對(duì)涂層表面的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)噴涂功率為36 kW、噴霧距離為80 mm 時(shí)，制備的涂層中HA 的含量較高。Bai 等[19]研究了噴涂功率對(duì)涂層孔隙率的影響，結(jié)果表明隨著噴涂功率的增加，涂層的孔隙率值不斷降低，這是由于噴涂功率的增加使得從射流到顆粒的熱傳遞足以熔化粉末，因此會(huì)形成相對(duì)致密的涂層。

除了噴涂功率外，氫氣的流速也對(duì)熱量的傳導(dǎo)起著重要作用。Xu 等[20]研究了氫氣流速對(duì)HA 涂層質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著氫氣流速的增加，涂層呈現(xiàn)出更粗糙和多孔的表面。Rocˇňáková 等[21]研究了噴槍速度對(duì)SPS 沉積HA 和TCP 涂層組織、成分和厚度的影響，發(fā)現(xiàn)噴槍的速度越低，涂層越厚，孔隙率越高，這是由于較低的速度增加了沉積涂層在熱等離子體中的暴露時(shí)間，從而促進(jìn)了傳熱，為再結(jié)晶和晶粒生長(zhǎng)提供了更多的能量。Unabia 等[22]研究了噴槍移動(dòng)速度對(duì)HA 形貌的影響，發(fā)現(xiàn)500 mm/s 掃描速度下制備的涂層主要由納米顆粒燒結(jié)的團(tuán)塊組成；而1 000 mm/s 掃描速度下制備的涂層主要由納米級(jí)球形顆粒組成。

涂層表面顆粒的熔化狀態(tài)與等離子體火焰的溫度密切相關(guān)，隨著電弧電流的增加，等離子體火焰的溫度也在不斷升高，從而能夠得到更多的熔融顆粒。Zheng等[23]研究了電弧電流對(duì)HA 結(jié)晶度的影響，發(fā)現(xiàn)低電流會(huì)導(dǎo)致顆粒熔化不充分，而高電流可能會(huì)導(dǎo)致顆粒蒸發(fā)。HA 涂層的表面隨著電弧電流的增加而變得更致密。當(dāng)電弧電流從400 A 增加到600 A 時(shí)，HA 的結(jié)晶度從68.68%增加到76.84%。

噴涂距離是影響最終涂層微觀結(jié)構(gòu)的重要因素，當(dāng)噴涂距離過大時(shí)(大于70 mm)，顆粒會(huì)在飛行中重新固化；而噴涂距離過小時(shí)(小于50 mm)，涂層表面會(huì)出現(xiàn)大量熔化的顆粒團(tuán)聚體[24]。Unabia 等[22]研究了不同的噴涂距離對(duì)HA 涂層的微觀形貌的影響，發(fā)現(xiàn)噴涂距離為50 mm 時(shí)，涂層表面存在納米顆粒的團(tuán)聚體；在噴射距離為60 mm 時(shí)，涂層表面存在小團(tuán)聚顆粒和破裂的外殼的細(xì)晶粒組織；當(dāng)噴射距離為70 mm 時(shí)，在涂層表面觀察到具有燒結(jié)納米顆粒的團(tuán)聚體。

目前開發(fā)純度更高的HA 涂層依舊困難，一方面HA 涂層的熱穩(wěn)定性較差并且會(huì)產(chǎn)生許多分解階段，在高功率、大電流和短的噴涂距離下制備的HA 涂層具有良好的附著力和高的致密性，但由于等離子體溫度的增加，會(huì)導(dǎo)致HA 顆粒的劇烈分解，因此需要通過優(yōu)化操作參數(shù)，在不使用大功率的情況下制備符合性能要求的生物涂層。另一方面需要更細(xì)小的原料制備懸浮液，選擇合適的懸浮液介質(zhì)以提高原料的溶解性，需要精確地優(yōu)化懸浮液的性能。

3 納米HA 生物涂層的性能研究

生物材料是專門為修復(fù)和重建人體受損部位而設(shè)計(jì)的，如用于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、牙齒等的替換。HA 作為一種生物活性材料，已廣泛應(yīng)用于骨科和牙科等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[25]。HA 因其化學(xué)成分與天然骨組織相似，具有良好的生物相容性，在骨修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛研究。目前常通過改變涂層制備工藝、制備參數(shù)、摻雜無(wú)機(jī)抗菌材料研究HA 涂層的性能。

3.1 力學(xué)性能

HA 涂層對(duì)醫(yī)用植入體的積極影響，包括植入體對(duì)宿主組織的快速固定、更強(qiáng)的骨-植入體結(jié)合、骨-植入體界面上均勻的骨生長(zhǎng)、減少金屬離子從植入體釋放到體內(nèi)。理想的用于骨科植入物的HA 涂層應(yīng)是一種孔隙率低、內(nèi)聚強(qiáng)度強(qiáng)、與基板結(jié)合力好、結(jié)晶度高、化學(xué)純度和相穩(wěn)定性高的涂層[26]。

?atka 等[10]在鈦基板上噴涂HA，將所得涂層在模擬體液(SBF)中浸泡不同時(shí)間，觀察涂層微觀結(jié)構(gòu)，研究涂層在SBF 中的浸泡時(shí)間對(duì)其力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，涂層的彈性模量不隨浸泡時(shí)間而改變；而浸泡的時(shí)間越久，涂層的硬度越大，最大莫氏硬度可達(dá)到1 GPa，這是由于SBF 溶解了HA 涂層中的細(xì)小晶粒，使得涂層中剩下了硬度較大的顆粒層片。Renghini 等[27]研究了HA 涂層厚度對(duì)其殘余應(yīng)力和粘接強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)厚度較薄的HA 涂層(約為50 nm)的殘余應(yīng)力比較厚的HA 涂層(＞80 nm)的殘余應(yīng)力高，這可能是由于涂層具有較高的孔隙率和微裂紋，較高的孔隙率和微裂紋會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力松弛；當(dāng)涂層厚度為50 nm 時(shí)，附著力高達(dá)(37±2.2) MPa，是傳統(tǒng)等離子噴涂HA 涂層的2 倍。涂層的制備方法會(huì)對(duì)涂層的力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下需采用不同的制備方法。Hameed 等[28]對(duì)比了大氣等離子噴涂(APS)和SPS 制備的HA 涂層的結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)現(xiàn)HA-APS 涂層具有更高的硬度以及較為致密的組織結(jié)構(gòu)；HA-SPS 涂層的孔隙率及耐腐蝕性能較好、結(jié)合強(qiáng)度較高，不同制備參數(shù)(見表2)下制備的HA-APS和HA-SPS 涂層的粗糙度、孔隙率、黏合強(qiáng)度和硬度對(duì)比見圖7。Aruna 等[29]對(duì)比了溶液前驅(qū)體等離子噴涂(SPPS)和SPS 共2 種方法在Ti6Al4V 合金表面制備HA 涂層的結(jié)構(gòu)及性能，發(fā)現(xiàn)HA-SPS 和HA-SPPS 涂層表現(xiàn)出相似的結(jié)晶度，分別為76.95%和77.41%；HA-SPS涂層表現(xiàn)出較高的生物相容性，在培育72 h 后成骨細(xì)胞(MG-63)的細(xì)胞活性高達(dá)97%；HA-SPS 涂層具有更優(yōu)的耐腐蝕性和耐磨性。

圖7 不同制備參數(shù)下制備的HA-APS 和HA-SPS 涂層的粗糙度、孔隙率、黏合強(qiáng)度和硬度對(duì)比[28]Fig.7 Comparison of roughness，porosity，adhesion strength and hardness of HA-APS and HA-SPS coatings prepared under different preparation parameters[28]

表2 APS-1、APS-2、SPS-1～4 的制備參數(shù)[28]Table 2 Preparation Parameters of APS-1，APS-2 and SPS-1～4[28]

3.2 抗菌性能

HA 與人體骨組織和牙齒中的主要礦物質(zhì)具有相似的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，因此適用于骨替代和重建[30]。然而，HA 優(yōu)異的生物活性以及人體適宜的溫度、濕度和營(yíng)養(yǎng)也有利于細(xì)菌在其表面黏附和繁殖，導(dǎo)致傷口感染和植入失敗[31]。因此，將抗菌成分摻入HA涂層中，對(duì)提高HA 醫(yī)用植入體的抗菌能力具有重要的意義。除抗生素外，傳統(tǒng)的抗菌介質(zhì)為無(wú)機(jī)抗菌材料和聚合物抗菌材料，不同抗菌介質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)如表3 所示，無(wú)機(jī)抗菌材料一般含有鍶、鋅、銀、銅等金屬[32，33]，具有良好的熱穩(wěn)定性、高的抗菌性和可控釋放等優(yōu)良特性；聚合物抗菌材料具有良好的生物降解性和止血性等特點(diǎn)。

表3 不同抗菌介質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)Table 3 Advantages and disadvantages of different antibacterial media

鍶用于治療臨床骨缺損已有多年歷史，鍶離子可以增強(qiáng)成骨細(xì)胞的活性，抑制破骨細(xì)胞的形成[34]。Hu等[35]制備了具有較高比表面積的摻鍶HA(HA-Sr)涂層，并負(fù)載具有優(yōu)異抗菌能力的傳統(tǒng)中藥抗菌劑鹽酸小檗堿(BBH)，構(gòu)建了具有良好成骨活性和抗菌能力的涂層；此外，研究了Sr 離子摻雜量對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)和生物性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Sr 離子含量的增加，涂層結(jié)晶度逐漸降低，這是由于Sr 的原子半徑較大，導(dǎo)致HA的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，但這種畸變更有利于Sr 離子從晶體結(jié)構(gòu)中釋放，從而更好地發(fā)揮生物效應(yīng)。Bhattacharjee 等[36]在Ti6Al4V 基板上制備了摻雜不同含量ZnO 以及CaF2的HA 涂層(即Zn-F-HA 涂層)，并研究了Zn2+和F-含量對(duì)HA 涂層的抗菌性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZnO 摻雜量為0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，CaF2摻雜量為0.3%時(shí)，24 h 后Zn-F-HA 涂層的抗菌效率高達(dá)70%，原因是涂層中的Zn2+和F-會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)性氧自由基(ROS)，Zn2+還會(huì)與PsaBCA 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合，促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)(氧化應(yīng)激是指自由基的產(chǎn)生和抗氧化系統(tǒng)之間的失衡)，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡；Zn2+可以激活絲裂原活化蛋白(MAP)激酶和酪氨酸激酶，促進(jìn)成骨細(xì)胞的成熟和生長(zhǎng)，F(xiàn)-可以促進(jìn)人體對(duì)酪氨酸磷酸化蛋白的吸收，有助于新的成骨細(xì)胞形成，因此，摻雜適量的Zn2+和F-的HA 涂層具有良好的抗菌效果和細(xì)胞相容性。

Song 等[31]分別采用APS 和液相先驅(qū)體等離子噴涂(LPPS)工藝制備了2 種具有致密和多孔結(jié)構(gòu)的HA涂層，在HA 涂層中摻雜抗生素(氨芐青霉素鈉鹽)和羧甲基殼聚糖培養(yǎng)金黃色葡萄球菌；觀察涂層表面組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)HA-APS 涂層表面非常致密且相對(duì)光滑，而HA-LPPS 涂層具有高度多孔的結(jié)構(gòu)和粗糙的表面，多孔結(jié)構(gòu)增加了HA 涂層的比表面積，這將有利于聚合物抗菌材料的吸附和保留；多孔結(jié)構(gòu)也有助于生成局部濃度較高的抗菌材料，從而增強(qiáng)對(duì)細(xì)菌的抑制作用；研究金黃色葡萄球菌的生物活性發(fā)現(xiàn)，負(fù)載抗生素的HA 涂層具有最好的抑菌效果，其抗菌效率約81%。

3.3 體外生物活性研究

納米HA 涂層具有增強(qiáng)骨質(zhì)形成、骨結(jié)合能力和抑制有害金屬離子釋放等優(yōu)點(diǎn)，還可以減少細(xì)胞凋亡和促進(jìn)細(xì)胞增殖[37]。

Aruna 等[38]對(duì)比了SPPS 和SPS 制備的HA 涂層，對(duì)人骨肉瘤細(xì)胞MG-63 的細(xì)胞活性展開了體外研究，發(fā)現(xiàn)在48 h 和72 h 后HA-SPS 涂層表面的細(xì)胞活性高于HA-SPPS 涂層，代謝活性細(xì)胞數(shù)量急劇增加。因此，HA-SPS 涂層比HA-SPPS 涂層具有更好的生物相容性。Hameed 等[39]研究了HA-APS 和HA-SPS 涂層表面間充質(zhì)干細(xì)胞hMSCs 的細(xì)胞活性，發(fā)現(xiàn)HA-SPS涂層表現(xiàn)出更好的細(xì)胞活性(99.7%)，整體的結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)38.84 MPa，，因此，與HA-APS 涂層相比，HA-SPS是更有潛力的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用改性涂層。Chen 等[40]采用SPS 在Ti6Al4V 基板上制備了石墨烯納米片(GNS)增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)性能的HA 涂層，并對(duì)其強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)GNS 的加入可以提高HA 涂層的生物相容性，促進(jìn)細(xì)胞的增殖與分化，在培育5 d 后MG63 在570 nm波長(zhǎng)下的光密度為1.1，即細(xì)胞增殖率110%，MG-63 細(xì)胞在不同涂層上的培育時(shí)間與細(xì)胞增值率的關(guān)系見圖8。Su 等[41]對(duì)比了SPS、超音速等離子噴涂(SAPS)和懸浮液等離子微波-水熱處理(SPS-MH)制備的HA 涂層在生物性能上的區(qū)別，結(jié)果表明，HA-SPS-MH 涂層的細(xì)胞黏附性比HA-SAPS 涂層和HA-SPS 涂層好；SPS-HA涂層上骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)的鋪展面積大于HA-SAPS涂層和HA-SPS-MH 涂層；HA-SPS 涂層和HA-SPS-MH涂層對(duì)蛋白質(zhì)的吸附能力優(yōu)于HA-SAPS涂層，所以HA-SPS-MH 涂層具有更優(yōu)的生物活性。

圖8 MG-63 細(xì)胞在不同涂層上的培育時(shí)間與細(xì)胞增值率的關(guān)系[40]Fig.8 The relationship between the culture time of MG-63 cells on different coatings and the cell proliferation rate[40]

HA 具有良好的生物相容性與骨傳導(dǎo)能力，作為涂層材料廣泛用于骨修復(fù)領(lǐng)域，考慮到HA 材料的缺點(diǎn)，如脆性、低韌性、低強(qiáng)度等，通常在HA 中添加微量的其他元素來(lái)改善涂層的物理化學(xué)性能，如通過摻雜其他金屬元素來(lái)改變結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度和電化學(xué)性能；通過添加無(wú)機(jī)抗菌材料或聚合物抗菌材料提高涂層的抗菌性能和細(xì)胞相容性；通過結(jié)合其他生物醫(yī)用材料形成高性能復(fù)合材料強(qiáng)化涂層的生物活性。HA 作為廣泛應(yīng)用的生物涂層材料之一，如何改善涂層的固有脆性以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的臨床應(yīng)用，仍有待研究。

4 結(jié)論與展望

SPS 是近些年來(lái)開發(fā)的一種新的涂層沉積技術(shù)，SPS 將粉末與懸浮液混合注入等離子射流中，從而避免了與粉末流動(dòng)性相關(guān)的問題。與傳統(tǒng)的沉積技術(shù)相比，該技術(shù)具有高的生產(chǎn)率和相對(duì)較低的生產(chǎn)成本。HA 作為一種生物材料，具有優(yōu)異的生物活性和生物相容性，在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。使用SPS 制備的HA 涂層，具有微觀結(jié)構(gòu)致密、附著力良好、生物活性好等特點(diǎn)，證實(shí)了其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛力。但是由于懸浮液中顆粒和團(tuán)塊的飛行軌跡的不確定性以及溶劑的蒸發(fā)問題，會(huì)產(chǎn)生多孔、粗糙的涂層，導(dǎo)致涂層的機(jī)械強(qiáng)度不高。目前臨床上未見有使用SPS 制備生物涂層的報(bào)道，大多數(shù)研究仍然使用大氣等離子噴涂制備生物涂層。SPS 制備HA 生物涂層的主要方向如下:(1)優(yōu)化工藝參數(shù)，提高原料的穩(wěn)定性、涂層的附著力以及消除結(jié)晶相；(2)利用SPS 在HA 的結(jié)構(gòu)中添加其他元素，實(shí)現(xiàn)具有附加功能的生物材料；(3)需要進(jìn)一步的研究來(lái)測(cè)試HA 生物涂層在體外的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及細(xì)胞毒性；(4)持續(xù)推動(dòng)HA 生物涂層在生物領(lǐng)域的研究和驗(yàn)證。