文摘

许多钛及其合金的表面改性技术的角度提出了提高生物活性。本文包含表面处理方法的概述,包括与羟基磷灰石(HAp)涂层,综合分析化合物。有两种类型的涂层方法:高温冶金加工和加氢处理。摘要加氢处理与HAp涂层的钛衬底,碳酸磷灰石(有限公司₃- ap)有限公司₃- ap / CaCO₃HAp /胶原复合,概述了HAp /明胶复合。此外,评估通过植入大鼠胫骨的基团,样本描述。

1。介绍

(Ti)钛及其合金用作人工关节和牙齿根在骨科和牙科设置,因为他们有一个好处,那就是它们的力学性能接近的骨头比不锈钢、钴铬合金。然而,Ti和自然骨之间的力学性能差异导致的负面影响,如应力屏蔽。减轻这些影响,已经开发了许多新的Ti合金硬组织植入物,重点控制合金元素及其内容、阶段等特征。

当植入不进行表面改性提高osteoconductivity,需要一个相对长的时间修复金属植入骨头,这样它是稳定的。有很多方法改善osteoconductivity钛及其合金。这些方法可以分为以下两种方法:(1)生物活性化合物,加速骨形成涂在金属植入物和(2)在宏观的粗糙表面上形成的金属植入物,长在肉内的骨植入物的结果在安克雷奇。这些技术取得了一定程度的成功,和基团,植入临床使用。然而,仍然有弱点的涂料需要解决,以及不清楚点关于osteoconductivity表面性质的影响。加氢处理后可用于准备较薄的涂层基质和复杂的地形,许多植入物,我们专注于加氢处理的使用在许多技术涂层的生物活性化合物,特别是羟基磷灰石(HAp),阐述技术的特点和问题。此外,我们详细描述的评价osteoconductivity涂以HAp的植入体,使用在活的有机体内测试大鼠胫骨。

2。HAp涂层

HAp (Ca₁₀(PO₄)₆(哦)₂),这是哺乳动物骨头或牙齿的主要无机成分(1),吸引了注意力作为表面涂层osteoconductivity化合物由于其高。许多高温冶金加工方法形成HAp和其他磷酸钙涂层的金属基板已报告(例如,等离子喷涂2,3],溶胶-凝胶法[4,5],电子束溅射方法[6),和离子束溅射方法(7])。然而,都有弱点的关系与HAp涂层较薄植入物。等离子喷涂是最常用的技术,HAp涂层钛或钛合金基体制造的人工关节置换(1和endosseous牙科植入物2]。另一方面,许多hydrocoating技术(例如,阴极电解方法(8- - - - - -10),电泳法(11,12),和热衬底的方法(13- - - - - -18)已经被提议作为金属基体上形成薄膜涂层的方法。阴极电解和热衬底的方法是单步涂层技术在水溶液中,他们的外套HAp直接从解决方案。电泳方法省略了这篇文章,因为它使用HAp提前由其他方法,尽管加氢处理。因此,在本文中,我们描述了阴极电解和热基质的方法。

2.1。HAp涂层使用加氢处理的理论

众所周知,HAp在水溶液中溶解度的降低和增加温度和HAp溶度积之间的关系,/(摩尔dm⁻³)⁹和温度,,是由19] 因此,包含Ca水溶液中加热^{2 +}和离子钙磷酸盐沉淀的结果,如HAp的解决方案。

离子HAp的产物,L /(摩尔⁻¹)⁹表示如下: 在哪里表明摩尔浓度(摩尔L⁻¹离子的种类。(Ca的增加^{2 +}]或[)内容或pH值在解决方案启动HAp的沉淀,因为达到。此外,(]随着pH值的增加而增加(图1)。因此,pH值的增加直接加速HAp的降水,这间接提高了()的内容。

图2显示各种化合物的溶解度曲线正磷酸钙(19];如图所示,有许多偶然以外的化合物。这个数字表明CaHPO₄(DCPA)是最稳定的化合物在pH < 5, HAp最稳定pH > 5。因此,偶然可以很容易地获得在溶液中pH > 5和离子含量和温度控制。然而,偶然不能沉淀溶液pH < 5,加氢处理使用水溶液中沉淀现象不能给βca₃(PO₄)₂(βtcp),生物活性化合物。

2.2。热底物法在水溶液13]

这个过程包括通过交流电通过金属样品沉浸在水溶液中。浸金属样品加热电阻加热超过100°C,即使加氢处理发生在大气压力(图3)。因此,这种方法可以产生特殊的反应条件(> 100°C在水溶液中)不使用压力容器。

当热底物在水溶液中使用的方法,这一事实HAp的溶解度随着温度增加而减小意味着HAp降水只发生在衬底上。是很重要的外套HAp而控制溶质的浓度和溶液的pH值和温度,因为他们影响HAp的过饱和度在解决方案(方程(1)和(2))。数据4 - - - - - -4 显示样品的表面形态的变化下涂以HAp pH值和温度控制,其决定因素过度饱和的程度对HAp (14,15,17,18]。沉淀在pH = 4.0(图4 )似乎堆积像砖和被确认为DCPA、这是一个稳定的化合物。另一方面,在pH = 8.0解决方案,沉淀组成的HAp(数字4 - - - - - -4 )。从EDX分析、摩尔比率的钙磷(Ca / P)的HAp是1.41 - -1.43。这显示了涂布HAp是钙缺乏。的pH值依赖钙磷酸盐化合物的溶解度解释了为什么沉淀改变随着pH值的解决方案,即溶解度曲线DCPA和HAp交叉大约为各种化合物磷酸钙(pH = 519]。沉淀HAp的表面形态强烈取决于涂层温度:低温(40°C)呈网状HAp(图4 );高温(140°C)给了针状的HAp(图4 );中期温度(60°C)给平板状HAp(图4 )。采用加氢处理,我们可以控制晶体结构,使用传统方法无法取得。图5显示的扫描电子显微镜(SEM)照片HAp-coated样本多孔钛合金表面形成的烧结Ti6Al4V粒子(ca。100μ米直径)cpTi基质(16]。在100°C加热15分钟。在pH = 7溶液导致整个降水HAp Ti6Al4V表面烧结颗粒(正面和背面)和固定在底座上cpTi衬底的实验样品。特别是,它发现HAp沉淀也发现相邻粒子烧结颈部区域的基材上,虽然最初的open-pored几何是维护。因此,这种方法可用于HAp涂层应用于衬底和复杂的地形。

自然生物磷灰石骨不纯Hap的形式出现,它包含大量的碳酸根离子(20.)(约7.4质量%对骨骼和11.4质量%的自然骨无机成分(21])。碳酸磷灰石(有限公司₃- ap)取代和/或哦^{- - - - - -}离子与离子,与骨的无机成分相似,它似乎是一个更有前途的比化学计量HAp生物活性材料,因为有限公司₃- ap有溶解度大于纯HAp (20.]。此外,据报道,CaCO₃显示生物活性,如细胞兼容性和硬组织兼容性(22,23];也就是说,预计将影响生物反应和综合分析属性。这也是众所周知,CaCO的溶解度₃在水溶液中随着温度增加而减小(24]。在解决方案,离子的添加,有限公司₃- ap或有限公司₃- ap / CaCO₃复合基质电影很容易获得。典型的表面的SEM照片样本数据所示4 - - - - - -4 ,涂在溶液的pH值= 8 NaHCO < 0.5毫米₃添加在140°C一段15分钟。,和after the steam autoclaving treatment (5 mass% CO₃在这部影片中)[25,26]。的沉淀涂层解决方案> 0.5毫米NaHCO₃添加包含有限公司₃- ap和CaCO₃在所有温度下,x射线衍射光谱显示方解石、球霰石和霰石。水晶的公司形式₃- ap被改变,这取决于NaHCO补充道₃内容,以及涂层的温度。特别是,添加大量的NaHCO₃(> 5毫米)带来sphere-like有限公司₃- ap(图4 在140°C)涂层。在公司₃- ap电影、傅立叶变换红外光谱分析显示是代替(B型有限公司₃提前- ap),类似于生物磷灰石(27),添加更多解决方案给替换哦⁻(A型)。因此,在样本NaHCO < 0.5毫米₃补充说,B型有限公司₃- ap得到,在样本NaHCO > 5毫米₃(即补充道。,having the binary phase of CO₃- ap / CaCO₃),AB型有限公司₃- ap成立。

自然骨包含有限公司₃- ap和大量的有机成分,如胶原蛋白(约23质量% (21])。众所周知,混合有机-无机结构启动柔软的骨头。一些研究人员报道了纳米复合材料的制备HAp /胶原蛋白和HAp /明胶(28- - - - - -30.),自然骨是矿物质和蛋白质的纳米复合材料。此外,固定的胶原蛋白植入显示一个更严格的固定与周围的组织,由于胶原蛋白与细胞行为作为一种蛋白质的粘合剂,因为胶原蛋白分子中的氨基集团(31日,32]。从osteoconductivity的角度,我们将准备HAp /胶原复合涂层将是一个更有前途的方法比使用单个的涂料有限公司₃- ap或运气。溶液中酸溶性胶原蛋白添加,HAp /胶原蛋白或HAp /明胶复合衬底电影很容易获得,取决于涂层的温度。一般来说,哺乳动物明胶在变性胶原蛋白迅速> 45°C, HAp /胶原复合可以获得在< 40°C和HAp /明胶复合> 50°C。数据4 - - - - - -4 显示样品的表面涂层与72毫克的溶液pH = 8 L⁻¹胶原蛋白,来自小腿,在140°C和40°C(10 - 15质量%胶原或明胶薄膜)(33]。HAp /胶原蛋白的表面形态和HAp /明胶明显取决于涂层温度和不受是否影响复合膜包含胶原或明胶。胶原蛋白和明胶,只有一个小影响吸附到HAp的HAp晶体生长。加氢处理可以用来形成HAp /胶原蛋白和HAp /明胶复合薄膜,不能使用高温处理形成,胶原蛋白和明胶在电影的内容可以控制多达60个质量%。

2.3。阴极电解溶液(8- - - - - -10]

在电化学技术、氧化还原反应产生的过度饱和离子在电极附近包含Ca的水溶液^{2 +}和以同样的方式在热基质的方法。这个局部效应诱发异相成核的金属衬底作为电极。增加过氧化氢溶液防止H₂在阴极电极气体的产生,促进成核和生长的HAp涂层。添加H₂O₂电解质提高的形成离子修饰阴极电位较低,如以下所述反应(10]:

在这种方法中,沉淀HAp的表面形态很大程度上取决于涂层温度(34)以同样的方式在热基质的方法。温度对涂层的表面形态的影响样本数据所示4 - - - - - -4 。HAp晶体的形状形成类似使用热衬底的方法,尽管HAp晶体的大小不同阴极电解和热基质的方法。HAp的摩尔比率(Ca / P)几乎是一样,使用热基质的方法。> 100°C的涂料进行了压力容器。当使用电解溶液,或添加胶原蛋白有限公司₃- ap、HAp /胶原蛋白或HAp /明胶复合薄膜衬底,形成取决于涂层的温度。

3所示。评价Osteoconductivity

植入物的生物活性的评价方法分为在体外和在活的有机体内方法。在这个评论,在活的有机体内评价方法。在在活的有机体内评价,许多种类的动物在不同年龄段使用在不同的研究中,和不同的研究人员使用不同的植入动物的一部分。此外,一个统一的量化标准尚未建立,和各种研究中使用的标准不兼容。因此,我们使用骨植入重合度,,作为一个综合分析指标的基础上,观察植入人体组织。骨植入接触由线性测量直接决定骨与植入物表面接触。骨形成的长度之和植入表面测量和植入表示为一个百分比的总长度(骨植入重合度)松质骨和皮质骨部分(17,18,25,26,33]

图6显示了骨植入接触比率,的样品涂在上面提到的各种条件和分类基于以下四个表面形态:(一)针状的,(B)层状的,(C)网状的,(D) spherelike。样品然后与控制植入((E) noncoated Ti)。在图6样品是根据颜色区分基于是否包含CaCO涂层₃和胶原或明胶(白:偶然;灰色:有限公司₃- ap或HAp /明胶;黑色:有限公司₃- ap / CaCO₃或HAp /胶原蛋白)。的HAp-coated样品(白色bar)的值是一样的或高于光鲜亮丽的一个(E),特别是在松质骨的部分是最高的样本覆盖了针状的HAp (a - 1)。不同的表面形态的影响是明显的17,18]。少量的有限公司₃包括在公司₃osteoconductivity - ap并不影响,增加数量的有限公司₃(> 15质量%股份有限公司₃),包括在公司₃- ap / CaCO₃,有负面影响(黑条(a - 1)、(b - 1),(颈- 1)和(d 1)) (25,26]。的HAp / gelatin-coated样本的值是一样HAp(灰色和白色的酒吧(a)和(b - 2)),我们没有找到一个积极的影响除了HAp osteoconductivity,或任何负面影响的限度内使用明胶的内容。在HAp /胶原蛋白(c - 2)电影,osteoconductivity改善,最大值得到胶原蛋白含量时一样,在自然骨。添加胶原蛋白过多,超过自然骨的胶原蛋白含量,抑制的改善osteoconductivity [33]。

4所示。结论

人体的内部相当于水环境在室温下,自体内含水量约为60%。它认为液压成形HAp osteoconductivity大于偶然使用高温冶金加工合成,因为在中性水溶液中合成HAp pH值和室温类似于体内形成。此外,二氧化钛,TiO₂人体中并不存在,是一个了不起的化合物对其osteoconductivity。重要的是要研究和改善物质,如HAp的osteoconductivity, TiO₂和比率₃。然而,我们需要注意他们的化合物的性质,如表面粗糙度(35)、结晶度和腐蚀性,所有这些影响osteoconductivity。此外,osteoconductivity尚未充分建立评价标准。

植入物具有高功能的发展迫切需要解决的一个重要问题,而不是仅仅在医疗技术取得进展。人们认为,没有什么能与这样的植入物在个人技术的进步和发展。我们希望可以解决这些重要问题使用的组合的发现新的生物活性化合物(有机和无机)和他们的涂层技术,合金植入物的设计,和/或相关的周边技术的发展。