作者:Longfei Shao et al. 来源:Coatings 发布时间:2022/2/25 18:16:39
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上海交通大学王立强教授团队——用于骨科和牙科的β钛合金:通过表面改性优化其性能的进展回顾 | MDPI Coatings

论文标题:β-Ti Alloys for Orthopedic and Dental Applications: A Review of Progress on Improvement of Properties through Surface Modification

期刊:Coatings

作者:Longfei Shao et al.

发表时间:25 November 2021

DOI:10.3390/coatings11121446

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/coatings

通讯作者介绍

王立强 研究员

上海交通大学

从事金属基复合材料、生物医用金属材料设计制备及转化医学研究。研制的部分关键材料实现了在国防及生物医用领域的应用。在多个期刊发表SCI论文150篇、ESI高被引论文3篇、封面文章3篇;授权发明专利18项;主编中、英文专著3本;合著7部英文专著;受邀在国内外学术会议报告20余次。目前担任多个SCI期刊副主编和编委等职务。

唐毓金 主任医师

右江民族医学院附属医院

长期致力于骨与关节退行性疾病的机制与临床研究、生物医用新材料的研究与转化、骨关节疾病相关临床医学研究。近三年发表科研论文50余篇,其中SCI收录20余篇;获广西科技进步二等奖2项;出版教材/专著4部。获得全国优秀医院院长、全国医德标兵、全国第三届白求恩式好医生、全国卫生系统2011年度职工职业道德建设标兵、全国医疗卫生系统职业道德模范标兵、广西医药卫生系统科技工作先进个人等荣誉。

刘佳 主任医师

右江民族医学院附属医院

研究方向为脊柱脊髓损伤、组织工程与新材料。担任广西医师协会第一届骨科医师分会脊柱外科专业委员会常务委员、《中国骨质疏松杂志》第八届委员青年编委、中国医疗保健国际交流促进会肿瘤整形外科与功能性外科分会医学生物材料学组员、中国老年学和老年医学学会骨质疏松分会青年专家委员委员

摘要

钛及钛合金具有优异的综合性能 (比强度高、耐腐蚀性强、生物相容性好),已成为骨科和牙科植入物的理想选择。然而,钛合金的弹性模量、耐磨性、细胞毒性等特性仍有待改善。β钛合金的弹性模量低、毒性元素少,已成为当前的研究热点。在本文中,作者系统地总结了通过表面改性处理来优化β钛合金性能的研究 (弹性模量、硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗菌和促骨再生能力),以适应临床需求。此外,本综述还提出了当前研究的不足和对未来的展望。

引言

在骨科和牙科中,钛及钛合金已被作为骨植入物广泛应用,尤其是CP Ti (α) 和Ti-6Al-4V (TC4, α + β)。然而,由于高弹性模量和毒性元素Al和V的存在,限制了其进一步发展。为了解决以上问题,研究人员开发设计出具有低弹性模量和低毒甚至无毒特性的β钛合金,针对具体的需求进行不同种类和不同含量元素的组合,最终研发出性能各异的β钛合金。

在近期的研究中,有许多对β钛合金进行表面改性处理从而应用于生物医用植入物的研究性论文。本综述旨在对表面改性β钛合金的文献进行回顾,重点是通过表面改性技术改善β钛合金在硬度、耐磨性、摩擦系数、耐腐蚀性、抗菌活性和骨再生方面的性能,从而实现在骨科和牙科领域的应用。

弹性模量

植入物与人骨的弹性模量不匹配会引起应力屏蔽,进而影响正常恢复。由于CP Ti (100 GPa) 和TC4 (112 GPa) 的弹性模量 (图1) 远远高于人骨的弹性模量 (15-30GPa), 会引起骨骼和相邻种植体之间的载荷分布不均匀,最终导致骨吸收和植入物的松动或失效。而β钛合金的弹性模量与皮质骨相匹配,此外,研究发现多孔钛合金的制备 (如脱合金化处理等) 均能降低其弹性模量。

图1. 常见钛合金的弹性模量

但是,过低的弹性模量使材料在受力后容易变形,其力学性能会大打折扣,导致钛合金难以与生物组织紧密粘附,最终致使植入失败。因此,在弹性模量和力学性能之间寻找一个平衡点对实现β钛合金在生物医用领域中的应用至关重要。

耐磨性

钛合金耐磨性较差,会使植入物在体内产生磨损的微粒,引起不良的细胞行为和炎症反应,最终导致植入物脱落。β钛合金的磨损机理主要包括氧化磨损、粘着磨损、磨粒磨损和层状磨损等。基体材料和环境温度等条件均会影响磨损行为。耐磨性除了与硬度有关外,也受粗糙度、摩擦系数和磨损量等因素的影响。本文总结了通过表面改性处理降低材料表面摩擦系数和磨损量以增强耐磨性的策略。

耐腐蚀性能

在体液环境中,研究证明Al、Ni、Cr、V等元素具有神经毒性,含有以上元素的钛合金会释放毒性离子,对骨修复和身体健康产生负面影响。在经过表面改性处理后,β钛合金的耐蚀性得到了改善,这主要是因为表面形成了更耐腐蚀的金属氧化物层,从而可达到延缓腐蚀进程的目的。在耐蚀实验中,常用的表面处理技术包括等离子体电解氧化、等离子体注入、气相沉积、溅射、碱处理等技术。然而,人体环境异常复杂,同时,植入人体修复的过程是长期的。因此,β钛合金的长期耐蚀性仍有待进一步的关注和研究。

生物性能

抗菌性是指材料在细菌或微生物环境中,抑制细菌粘附和杀灭细菌的能力。较强的抗菌性是植入材料预防感染的必要条件之一。在金属种植的过程中,细菌感染被认为是种植失败的主要因素。因此,通过表面改性处理 (如加入抗菌颗粒、设计具有抗菌效能的结构等) 赋予β钛合金抗菌性能对其进一步应用具有重要意义。

此外,钛种植体表面形态修饰对其生物活性的影响也受到广泛研究。越来越多的证据表明,表面微环境结构可以影响细胞增殖、分化和矿化,进而影响骨整合行为。据研究,Ti、Zr、Nb、Ta、Au、Mo和Sn是高度生物相容性的元素。此外,研究人员提出了各种表面改性的策略,可以通过表面改性技术在钛植入物上设计微米或亚微米的表面形貌及掺入活性粒子提高生物活性。

存在的不足和前景

β钛合金因其较低的弹性模量和较弱的毒性,在骨科和牙科领域具有显著的应用潜力。然而,β钛合金耐磨性较差,在体液环境中极易被磨损,从而可能导致感染和种植失败。β钛合金除了需要具备良好的生物相容性外,还需具有良好的抗菌能力和促骨再生能力。研究人员已经研究和开发了各种新型β钛合金,但仍缺乏系统性的优化和研究。传统的化学成分选择方法时间成本较高,这导致大多数β钛合金仍处于基础研究阶段,难以快速进入临床手术阶段。因此,使用高通量计算、机器学习等手段来筛选成分-组织-性能优异的钛合金是理想的选择。

结论

与其他合金相比,β钛合金更能适应生物医用材料的要求,但仍与理想的生物医用材料存在一定距离。因此,有必要系统性地开发新型β钛合金,从而满足不同需求。利用计算机模拟技术寻找和优化钛合金的成分是解决这一问题的有效途径。通过表面改性技术可以改善和调控β钛合金的力学性能、耐磨性、耐蚀性和生物响应行为。但是,这些性能之间的相互作用关系比较复杂,需要通过考虑更深层次的作用机制来阐明,不能仅停留于加工过程中的参数调整。β钛合金的开发和改进值得持续关注,这将为骨科和牙科领域的临床手术提供巨大帮助。

原文出自Coatings 期刊

Shao, L.; Du, Y.; Dai, K.; Wu, H.; Wang, Q.; Liu, J.; Tang, Y.; Wang, L. β-Ti Alloys for Orthopedic and Dental Applications: A Review of Progress on Improvement of Properties through Surface Modification. Coatings 2021, 11, 1446.

Coatings期刊简介

主编:Dr. Alessandro Lavacchi, Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici (ICCOM-CNR), Italy

Prof. Dr. Wei Pan, Tsinghua University, China

期刊专注于发表涂层、表面、界面及薄-厚膜领域的研究成果,刊载研究论文、综述及短讯,鼓励学者发表详细的实验和理论结果。

2020 Impact Factor: 2.881

2020 CiteScore: 3.0

Time to First Decision: 13 Days

Time to Publication: 33 Days

 
 
 
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