表面改性技术在骨科植入物生物内固定中的应用

安俊波 李沅 董双鹏 姜熙 张晨 天津市医疗器械质量监督检验中心 （天津 300384）

内容提要： 钛合金表面改性处理技术的应用，极大地增加了植入物的骨长入能力。经喷砂处理的粗糙表面与新生骨组织黏合形成内固定。烧结钛珠工艺可以得到完全联通的孔隙结构，提高骨长入的能力。羟基磷灰石涂层植入体内后可以部分降解，诱导组织向涂层法向长入，降解残留羟基磷灰石形成框架结构，可以提高界面的稳定性。3D打印技术可以为患者量身定制多孔植入物，极大增强了骨长入的能力，有效提高了植入物的有效性和安全性。

钛及钛合金由于密度小、毒性低以及优良的耐腐蚀性和生物相容性以及与人体组织相似的刚度，被广泛地用作生物医用植入材料，特别是骨科和牙科植入物[1]。然而相对于人体组织而言，钛及钛合金仍然是一种异体材料，并不能完全为人体所接受，钛及钛合金植入人体后，首先通过表面与植入物周围人体生理环境接触并产生相互作用，其表面结构及微观特性对植入效果有较大影响。钛合金金属离子的释放和植入物样品表面磨损磨粒的形成以及生物惰性等缺点都能影响植入物的正常使用效果。假体植入物表面与新生骨组织结合不理想时会造成植入物内固定失效，进而导致手术失败。为提高手术成功率，使植入物假体能有效地结合人体新生骨组织，实现新生骨组织细胞长入假体表面改性结构中而实现刚性骨结合，迫切的需要对钛及钛合金植入物进行表面改性处理以达到植入物生物内固定的目的。

1.表面改性技术分类

将假体植入物植入人体后，根据植入物与骨组织相互结合并固定的方式不同，可以将植入物假体分为骨水泥方式固定型和生物结合固定型两种：骨水泥方式固定型为纯物理包埋填充式内固定，将骨水泥搅拌均匀成黏流态后挤入假体周围腔隙进而固定。生物结合固定型为经过表面改性处理的外科植入物与新生骨组织刚性结合的固定方式。不同固定类型的植入物设计和性能要求有明显差异，骨水泥一般在进行手术时进行粉体和液体的混合并不断搅拌，骨水泥凝固过程中达到面团时间时挤入腔隙的植入位置，进而将假体固定在股骨的腔隙位置。骨水泥进入并填埋植入物和骨髓腔之间的腔隙，经放热反应，在几分钟内固化，从而将骨和植入物紧密地连接在一起并形成包埋式内固定。骨水泥固定有两个显著的缺点，首先是骨水泥聚合放热时温度可接近70˚C，高温灼烧会对骨组织造成不可逆的坏死损伤，进一步加剧患者病情；其次是植入物假体的沉降导致骨水泥与金属界面间发生松动，导致假体失效而不得不进行二次翻修手术。

与骨水泥固定相比，生物型内固定通过骨性结合将植入物固定在骨组织界面上，使得骨组织和植入物之间形成永久性机械锁合。植入物间隙中长入的骨组织使骨和植入物结合为一个整体，界面结合强度超过22MPa，可以承担人体负重[2]。随着科技的不断发展，生物型内固定获得了越来越广泛的应用。调节改造植入物材料表面的结构和特性可以有效改善材料的植入效果，表面改性技术可以赋予钛及钛合金植入物优良的骨长入能力以使其能同骨组织形成良好的生物结合。表面改性技术可以在保留钛及钛合金低弹性模量高疲劳强度的基础上，大大改善其临床使用效果。根据材料表面改性层的制造工艺不同，可以将表面改性技术分为喷砂处理、烧结钛珠涂层、喷涂纯钛/羟基磷灰石涂层和3D打印多孔结构等类型，其中3D打印多孔结构为近年来发展起来的生物内固定表面改性新技术，正处于蓬勃的发展期，能够为个性化定制医疗器械提供更多的治疗方案，具有广阔的发展前景及应用潜力。

2.表面改性技术的分析

2.1 喷砂处理

喷砂处理是采用压缩空气为动力，喷出高速气流将喷料（石英砂）高速喷射到需要处理工件表面，撞击出凹凸起伏的表面结构。由于磨料对工件表面的撞击和碰撞效应，使工件表面可以获得一定范围的粗糙度。石英砂颗粒粒径在0.2～3.0mm，可以使工件表面获得不同的粗糙度。经过喷砂处理的股骨柄属于生物型内固定股骨柄，植入髓腔后骨组织附着在粗糙的股骨柄表面并且完全抓持股骨柄表面达到内固定作用。经喷砂处理的植入物表面粗糙度在1.5µm左右，骨结合作用依靠骨组织黏合在植入物的粗糙表面形成骨结合以达到内固定的目的。相比于等离子喷涂涂层、烧结钛珠涂层、3D打印多孔结构等类型，喷砂处理型生物内固定骨结合力较弱一些。

2.2 烧结钛珠涂层

烧结钛珠涂层为在植入物表层烧结厚度约1mm左右的钛珠，钛珠粒径约0.1～0.3mm，孔隙率约30%～65%，具有良好的骨长入效果。见图1。

烧结钛珠涂层可以得到完全联通的孔隙结构，提高骨长入的能力。相互联通的孔隙具有通路，使得各个孔隙得以联通，避免了盲孔的出现，盲孔为封闭孔，不与周围其他孔隙联通，是无效的闭合孔，盲孔率高的植入物中骨长入情况较差。

2.3 喷涂纯钛、羟基磷灰石及磷酸钙涂层

羟基磷灰石是人体骨骼和牙齿的主要无机成分，牙釉质中97%为羟基磷灰石，而牙本质的70%、骨骼的65%为羟基基磷灰石，其余为有机质和水。羟基基磷灰石可以诱导骨长入，促进新生骨长入涂层深度方向的能力。羟基基磷灰石涂层植入体内后可以部分降解，诱导新生骨组织向涂层法向长入，降解残留羟基基磷灰石形成框架结构，可以提高界面的稳定性。由于羟基基磷灰石涂层孔隙较少，主要利用界面新生骨组织结合羟基基磷灰石向内扩展，骨长入量较少。羟基基磷灰石涂层与假体间的结合力较弱，容易导致假体松动[3]。再加上羟基基磷灰石涂层的部分溶解产生破碎颗粒，引起结合强度进一步减低，界面会产生微动或者松动，并可能产生炎症[4]。认识到等离子喷涂羟基磷灰石及磷酸钙涂层存在的种种不足，促使人们研究并发展新的科技来克服这些缺陷。

2.4 3D打印多孔结构

3D打印也被称为增材制造技术，是将数字文件模转化为物理成品的一种快速成型技术。在制造过程中，电子束熔融和激光束熔融是目前的主流技术。金属粉末逐点融化形成微熔池并快速凝固，类似于逐点焊接。3D打印的优点在于个性定制化和转化数字模型的逐点铸造过程。患者解剖结构各异，基于个体需求定制化的植入物，完美匹配植入位置，并且植入物最大程度填充植入腔隙。极高的配伍契合度获得了良好的手术效果。快速打印复杂内部结构和外形结构的植入物有着无可比拟的临床应用优势，见图2。

图1. 烧结钛珠涂层

图2. 3D打印多孔植入物

3D打印技术可以获得30%～85%范围的孔隙率，也可以设计100～1200µm范围的孔隙尺寸，同时也可以在植入物内表面打印微结构。3D打印优点的价值尤其表现在规则孔隙的联通性方面。植入物的压缩强度和弹性模量可以通过3D打印技术调整孔隙率来达到与个体患者相匹配，减少应力遮挡效应。

孔隙结构及尺寸是影响成骨诱导和骨长入的重要因素。合适的孔隙尺寸可以为成骨细胞的增值与迁移提供充分的空间，也决定了骨组织是否易于附着并通过孔隙。研究确定适当的孔隙尺寸和孔隙率技术要求范围对植入物的检测评价并获得良好的临场应用具有重要指导意义。

3.小结

各种钛合金表面改性处理技术的出现，如喷砂处理、烧结珠表面、喷涂纯钛/羟基磷灰石涂层、3D打印多孔结构等，极大地增加了植入物的骨长入能力。经喷砂处理的粗糙表面与新生骨组织黏合形成内固定。烧结钛珠工艺可以得到完全联通的孔隙结构，提高骨长入的能力。羟基基磷灰石涂层植入体内后可以部分降解，诱导组织向涂层法向长入，降解残留羟基基磷灰石形成框架结构，可以提高界面的稳定性。3D打印可以制造出形态大小自由可控的内部结构，可以为患者量身定制多孔植入物，极大增强了骨长入的能力，有效提高了植入物的有效性和安全性。3D打印表面改性技术具有广阔的应用空间和巨大的市场前景。