钛生物种植体表面羟基磷灰石生成技术发展现状

钛生物种植体表面羟基磷灰石生成技术发展现状

摘要：本文总结了现有的钛生物种植体表面羟基磷灰石生成技术以及这些技术的优缺点。并针对钛生物种植体表面羟基磷灰石涂层在制备过程中存在的界面结合强度以及膜层羟基磷灰石（HA）的分布密度等问题，进行归纳总结。

关键词：钛合金；羟基磷灰石；制备方法；发展现状

中图分类号：

文献标识码：

Development Status of Hydroxyapatite Generation Technology

of Titanium Bio-implant

Abstract: This paper summarizes the existing hydroxyapatite generation gechnology of Titanium bio-implant and the advantages as well as shortcomings.Furthermore,the key issues of hydroxyapatite coating preparation, such as coating/substrate interfacial bonding condition and the distribution density of hydroxyapatite in coating were discussed and reviewed.

Key words: Titanium Alloy ;Hydroxyapatite;Preparation Method;Development Status

1. 引言

钛及钛合金由于具有密度低、弹性模量低等优异的机械性能、优良的生物相容性、较高

1-。目前，钛及钛合金广泛应用于人体的耐腐蚀性，是目前最具有吸引力的金属生物材料[]2

硬组织材料（牙、骨和关节），然而将其植入到人体中存在结合强度低、生物活性差、愈合时间长等问题。首先对材料表面进行多孔粗糙化的处理有利于改善上述性能[]3。羟基磷灰石(HA)优点是生物活性较好，但强度低和韧性差。结合两者优势的钛基羟基磷灰石复合材料具有重要的科学研究价值和很好的临床应用前景[]4。

目前在钛合金表面制备羟基磷灰石薄膜的方法主要有等离子喷涂法、涂覆烧结法、溶胶一凝胶法、仿生溶液生长法等[]5,等离子喷涂法和涂覆烧结法最大缺点是制备过程中温度高，易使HA发生分解，导致涂层中产生杂质相，同时冷却时基底与涂层界面会存在很高的残余应力引起涂层剥落；此外等离子喷涂是线型工艺，用于多孔或形状复杂的基底上难以使涂层均匀一致。溶胶一凝胶干燥过程中易开裂；难以得到较厚的涂层；仿生溶液生长法由于纯金属基板无生物活性，因此常需要对金属表面进行预处理，目前还没有形成较佳方法[]6。Hitoshi Ishizawa和Makoto Ogino[]87，，曾研究钛的高压阳极氧化，得到含钙磷的氧化层，氧化层与钛结合强度40MPa。首先利用微弧氧化(MAO)技术，在钛及钛合金表面生成一层含有一定浓度钙磷的多孔氧化膜(钙磷陶瓷涂层)，然后对氧化膜进行再次处理，使其表面生成一层羟基磷灰石薄膜(HA)是目前研究较多的方法，有很大的发展前景。

2. 生物陶瓷涂层的制备方法

钛及钛合金表面改性主要从提高其生物活性、耐磨性、耐腐蚀性以及与人体细胞的结合强度等几个方面来进行。到目前为止，陶瓷涂层的制备方法有喷涂法、物理气相沉积及离子注入、化学气相沉积、化学法、电化学法、涂覆熔覆法等，各种制备方法及其原理、特点和应用归纳如下。

表1 钛合金表面生物陶瓷涂层制备方法和特点

[]9

虽然表1中所列的制备方法繁多，但都或多或少的存在问题。等离子喷涂法为目前商业化应用比较成功的涂层制备方法，适用于工业化生产。但由于涂层与基体性能相差较大和热膨胀系数的不匹配等原因，使得涂层会在服役过程中产生脱落现象[]10；同时等离子喷涂法制备HA 涂层时，高温作用易使HA 发生分解，在涂层中会产生可体内降解的杂相和非晶HA 等，这些还会影响HA 涂层的稳定性[]11。涂覆烧结法与等离子喷涂法具有相同的缺点。溶胶－凝胶低温生成的HA 与基体结合强度不高，容易产生剥离、溶解，难以得到较厚的涂层，且在干燥过程中易开裂；仿生溶液生长法由于纯金属基板无生物活性，因此常需要对金属表面进行预处理，目前还没有形成较佳方法。

分类

制备方法 原理 特点 应用 喷涂法 等离子喷涂、爆炸喷

涂、高速氧焰燃烧喷

涂法 利用高温将涂层材料加热到熔融和半熔融状态，并将其高速碰上沉积到钛合

金表面

工艺简单；高温时涂层与基体结合能力较差；涂层易相变，成本偏高。 HA ，生物活性玻璃，玻璃陶瓷等。 物理气

相沉积

及离子

注入法

磁控溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射沉积、离子注入法、离子束动态混合 通过蒸发、溅射和电离等过程，使离子或粒子沉积或射入钛合金表面形成涂层 涂层与基体结合较好；形成涂层较薄。 HA 、TiO 、C 或N 膜等。 化学气

相沉积 化学气相沉积法 在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在

固态基体表面

形成薄膜，生成温度低。 无定形碳(a-C ：H)等 化学法 磁热处理法、酸碱两

步化学法、双氧水处

理法，表面诱导矿化

法

用酸碱等对钛合金表面进行化学处理，再浸入模拟体液中形成涂层 设备简单，成本较低；结合强度较低，步骤复杂，费时。 HA 或钙磷层等生物活性涂

层材料。 电化学

法 电沉积技术、电泳沉积、阳极氧化法 将钛合金作为阴极活阳极，在含有钙离子及磷酸

根离子的电解液中进行电

解 涂层均匀、制 备过程简洁 快速、条件温 和；结合强度

较低。

HA 等生物活性涂层材料。 涂覆熔

覆法 溶胶-凝胶法、涂覆烧结法、激光熔覆

法、放电等离子烧结

法 将涂层铺压、涂覆或浸涂于钛合金基体的表面，然后通过烧结等方法形成涂层 工艺比较简单，但温度过高会影响基体性能。 HA ，生物活性玻璃，玻璃陶瓷等。