热喷涂生物陶瓷涂层的研究进展

采用热喷涂技术在金属(合金)基材表面制备的生物陶瓷涂层,兼具金属材料较高力学强度和陶瓷材料优良生物学性能,作为骨植入材料的研究和应用备受关注。本文介绍骨植入涂层材料的研究概况,重点阐述热喷涂羟基磷灰石(HA)涂层的研究现状,并概述新型生物活性硅酸钙陶瓷涂层的研究进展。

真空等离子喷涂HA/Ta复合涂层

羟基磷灰石(HA)具有良好的生物相容性和骨传导能力,采用等离子体喷涂技术在钛合金等金属基材上制备的HA涂层材料已在临床医学上被广泛使用。但是,HA涂层与钛合金基材之间较低的结合强度影响了植入物在体内的长期使用。本文采用真空等离子体技术制备钽(Ta)掺杂的HA涂层,以期在保持其良好生物学性能的同时提高其结合强度。HA/Ta复合涂层的微观形貌、元素组成和相组成由SEM及配套的能谱仪(EDS)和XRD分析技术表征。按ASTMC-633标准对涂层的结合强度进行了测试。将涂层试样浸泡于模拟体液中以评估其生物活性。结果表明:Ta增强HA涂层具有粗糙的表面和层状结构,其结合强度随着Ta含量的增加而增加。掺60%Ta(H4T6)涂层的结合强度达到37.2MPa,约为HA涂层的1.9倍。模拟体液浸泡试验显示,掺钽HA涂层表面形成了类骨磷灰石,表明具有良好的生物活性。

骨科内植物多功能涂层研究进展

无菌性松动和植入物周围感染是骨科内固定术失败的两个主要原因,随着手术数量的日益增长,如何降低此类手术失败风险变得格外重要。在这个领域中,近期大量的研究工作致力于研制各种各样的内植物涂层,而这些涂层大多只具有抗感染作用而无骨整合作用;或者只具有骨整合作用而不具备抗感染作用。但是要使内植物长期有效,理想的涂层应兼顾骨整合和抗感染这两个功能。本文将对同时具有骨整合性和抗感染性的多功能涂层近期的研究进展和未来研究方向进行综述。

氧化锆涂层喷涂工艺对涂层显微结构及热物理性能影响研究

采用大气等离子喷涂(APS)技术制备氧化锆涂层,并以SprayWatch-2i在线监测系统观测喷涂过程中氧化锆粒子的飞行速度和表面温度。采用扫描电镜(SEM)对氧化锆涂层的显微结构进行观察,并测定涂层的部分热物理性能,研究颗粒飞行特性-涂层结构-性能之间的关系。结果表明,采用较大功率制备的涂层,其结构较为致密、气孔率低。适当降低喷涂功率,有利于制备气孔率较高、导温系数和热导率较低的涂层。涂层的高孔隙率阻碍了热量的传播,导致了导温系数和热导率的降低。

生物医用钛涂层结构调控与成骨性能研究

在骨植入体表面构建类骨多级结构是改善植入体早期骨整合和长期稳定性的有效手段。本文采用模板辅助等离子喷涂法制备了具贯通大孔结构的图案化钛涂层,其孔隙率超过30%,弹性模量较钛合金显著降低(更接近自然骨),前成骨细胞(MC3T3-E1)在涂层表面的粘附和增殖亦明显改善。对钛涂层的进一步表面纳米化处理可刺激细胞的成骨分化行为,其ALP、OC、OPN、COLI等相关基因表达显著提高。加入ROCK阻滞剂后,细胞的成骨基因表达明显降低,表明纳米表面调控细胞成骨分化行为与细胞骨架张力增大相关。

等离子体喷涂新型生物活性涂层研究

为改善骨植入体涂层材料在临床应用中存在的不足之处,如生物活性不高、抗感染能力缺乏、长期稳定性不够等,对等离子体喷涂生物活化钛涂层、抗菌羟基磷灰石涂层以及抗降解硅酸钙复合涂层等新型生物活性涂层进行了研究。所获得的涂层材料综合性能优良,有望用于新一代骨植入体。

比格犬颈前路涂层螺钉的生物力学稳定性研究

目的了解钛涂层、羟基磷灰石（hydroxyapatite,HA）涂层和钛＋HA复合涂层螺钉置入体内后早期的生物力学稳定性。方法选取成年比格犬32只平均分为4组：普通螺钉对照组（对照组）、HA涂层螺钉组（HA组）、钛涂层螺钉组（钛组）、钛＋HA复合涂层螺钉组（复合组）。每组4只用该组相应螺钉固定于C2~7作为无应力螺钉测试组（无应力组）,共测试32枚螺钉,其中16枚螺钉作旋出扭矩测试,16枚螺钉作拔出力测试。记录旋出扭矩峰值、拔出力峰值和拔出能量。每组另4只作C4/C5椎间融合后采用该组螺钉＋钛板固定于C4,5椎体上作为应力螺钉测试组（应力组）。每组16枚螺钉作抗拔出力测试。记录螺钉的拔出力峰值和拔出能量。结果在应力及非应力条件下,各组螺钉旋出扭矩峰值、拔出力峰值、断裂能量比较,HA组〉复合组〉钛组〉对照组。结论螺钉表面涂层能提高螺钉-骨组织界面的结合力。HA涂层螺钉的生物力学稳定性最好,钛涂层＋HA复合涂层其次,提示HA的生物活性在置入早期可能对螺钉的生物力学稳定性起重要作用。

喷涂粉体粒径对铁基非晶涂层腐蚀行为的影响

选用三种不同粒径的Fe43Cr16Mo16C10B5P10粉体为喷涂原料,利用等离子体喷涂技术制备铁基非晶合金涂层,研究粉体粒径对涂层显微结构和耐蚀性能的影响。结果表明,采用三种粉体制备的涂层均表现出高的非晶相含量。采用小粒径的喷涂粉体制备的涂层结构最为致密,孔隙率仅为1.03%,且涂层中孔隙尺寸小,无明显的微裂纹,涂层具有最高的显微硬度,高达1013 HV0.1。涂层经不同的表面处理后,耐蚀性差别显著。经封孔处理后的涂层,由于表面缺陷减少,耐腐蚀性能显著高于抛光处理和喷涂态的涂层。对于封孔处理的涂层,随喷涂粉体粒径的增大,涂层耐蚀性逐渐降低。其主要原因是较大粒径粉体所制备的涂层含有较多的缺陷,为腐蚀溶液的渗透提供了通道。

微/纳米结构含锌硅酸钙基涂层成骨性能研究

骨科植入物涂层的表面形貌和化学组成对炎症反应的进程和骨形成的发生都发挥着重要调节作用。为综合利用微/纳米仿生结构和生物活性元素的优势,将含锌(Zn)的纳米结构物质引入到经水热处理后的等离子喷涂硅酸钙(calcium silicate,CS)涂层表面,对所制备涂层的物相组成、表面和截面形貌、比表面积、Zeta电位和生理环境下离子溶出等物理化学性能进行了表征。相比于常规CS涂层,具有微/纳米复合结构的CS和含锌CS涂层拥有更高比表面积和孔容,可吸附更多血清蛋白和纤维连接蛋白,通过刺激细胞内整合素以及下游vinculin和FAK基因表达,提高了骨髓间充质干细胞(BMSCs)铺展能力。涂层中锌的引入进一步提高了其表面BMSCs的增殖能力和与成骨细胞分化相关的基因表达。具有微/纳米复合结构的涂层明显上调了RAW264.7巨噬细胞中M2表型因子(CD206和ARG)基因表达,而涂层中溶出的Zn^(2+)显著提高了RAW264.7细胞中抑炎症因子(IL-1ra和IL10)基因表达,促使其向抑炎症表型转化。骨科植入物涂层表面锌元素和纳米结构的引入有利于创建良好的骨免疫微环境,促进骨形成的发生。

微/纳多级结构TiO_2涂层的制备及生物学性能

表面形貌是影响骨植入体稳定性的重要因素,仿生微/纳多级结构表面能加快早期细胞响应,加速植入体与骨组织间的整合,并改善其长期稳定性.以锐钛矿相二氧化钛悬浮液为喂料,采用液相感应等离子喷涂(induction suspension plasma spraying,ISPS)技术制备微/纳多级结构Ti02涂层,并对其细胞相容性进行了研究.扫描透射电子显微镜(scanning transmission electron microscopy,SEM)观察结果表明,通过对进料速率的调控,可制备典型微/纳多级结构的Ti02涂层,气孔率随进料速率的增大而增大.X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)结果表明,涂层以金红石相为主,并含少量锐钛矿相,金红石相含量随进料速率的增大而降低,这可能与等离子体喷涂的高温过程有关,锐钛矿相二氧化钛在此过程中发生相变,产生了更为稳定的金红石相.通过体外细胞相容性检测发现,ISPS制备的微/纳多级结构TiO_2涂层具有较高的蛋白吸附水平,成骨细胞在其表面能较好铺展,碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性、矿化等基因表达均高于大气等离子喷涂涂层和光滑钛表面.

ZrO_2改性CaO-SiO_2复合生物涂层的制备及表征

以CaO稳定的ZrO2为原料,与适量SiO2在1400℃下反应,制得Ca2SiO4不同含量(质量分数:20%、40%、60%)的ZrO2改性CaO-SiO2复合粉体,并采用大气等离子体喷涂技术制备涂层。利用X射线衍射(XRD)、电子探针(EPMA)及能量色散谱(EDS)对涂层相组成和形貌进行表征。涂层的体外生物活性和稳定性以模拟体液(SBF)和Tris-HCl缓冲溶液浸泡实验进行评价。结果表明:ZrO2改性CaO-SiO2基复合涂层在SBF中浸泡后,表面形成磷灰石能力与Ca2SiO4含量有关,Ca2SiO4含量低于40%的涂层表面难以形成磷灰石;改性涂层在Tris-HCl缓冲溶液中的降解率远小于纯Ca2SiO4涂层,其降解率随Ca2SiO4含量增加而增加。通过优化涂层各组分含量,可望获得生物活性好而又抗生理体液侵蚀的长效稳定涂层。

添加剂La(CH_3COO)_3和NaF对AZ31在Mg(ClO_4)_2溶液中电化学性能的影响

采用极化曲线、电化学阻抗、恒电流放电、析氢失重等方法,研究了AZ31镁合金在空白1.5 mol/LMg(ClO4)2溶液以及添加了L(aCH3COO)3和NaF的电解液中的电化学行为。结果表明,添加剂NaF使得AZ31在1.5 mol/LMg(ClO4)2溶液中开路电位和活化电位负移,极化曲线中腐蚀电流降低以及浸泡实验中析氢率和失重率降低,放电效率提高,更为重要的是缩短了放电滞后时间;另一方面添加剂L(aCH3COO)3提高了放电效率,但对于放电滞后没有改善,对于耐蚀性也没有提高。