表面修饰技术在钛合金人工关节承载表面的应用

苏州经贸职业技术学院 江苏 苏州 215009

1 引言

关节置换术是治疗严重关节疾病最有效的手段之一，随着老龄化人口的逐年增长，关节置换术的需求也日益增多。虽然在过去的数十年中，关节置换术已经得到充分的肯定并已发展成为一种可靠的治疗手段，但其自身仍然存在许多难题需要解决，其中最突出的问题是人工关节的使用寿命。通常情况下，人工关节的服役寿命只有15年，甚至更短，而对于年龄低于60岁的患者(占比约44%)，预期的使用寿命则要求超过20-25年。然而，假体表面的摩擦磨损严重影响了人工关节的服役寿命和治疗效果。由超高分子量聚乙烯髋臼杯组成的人工髋关节植入人体后，约有20%的病患在施行置换手术后的10年内遭遇磨屑聚积导致的假体松动，其中一半的病人因疼痛和功能缺损而无法行走。该数字还在逐年攀升，至2026年，经历此种情况的病患人数将翻倍。因此，改善人工关节材料的生物摩擦学性能将成为延长其使用寿命的有效途径。

人工关节承载表面在运动过程中会承受多种冲击载荷以及长时间的摩擦作用，因此，需根据实际使用情况进行承载表面的优化设计，以保证其长期可靠的使用要求。在众多人工关节材料中，钛合金因其优异的耐腐蚀、力学性能以及生物相容性等特点，展现出了巨大潜力。但是，钛合金具有摩擦性能差的典型缺点，鉴于此，合适的表面修饰技术以提高其摩擦性能成为了钛合金表面改性的关键。目前，相关研究已报道了多种表面修饰方法来提高钛合金表面的摩擦性能，本文将对该领域近几年的研究进展进行简要阐述。

2 人工关节用钛合金表面修饰技术

(1)表面织构化处理

表面织构是一种类似于高尔夫球表面凹孔的微结构。经表面织构化处理后，基底表面的摩擦性能将得到有效改善，本质上表面织构的作用主要表现在以下几个方面：(1)储存润滑液；(2)在摩擦过程中提供流体动压力；(3)减小对磨表面的接触面积；(4)捕获摩擦过程产生的磨屑。基于以上特点，钛合金表面经织构化处理后能有效改善其摩擦学性能。Patra等[1]在Ti6Al4V合金表面利用机械加工的方式，构建了末端形状为平面、半圆形和锥形等多种结构的微孔织构，研究发现半圆形的织构结构能有效改善钛合金表面的润湿性，并在水润滑条件下展现出相对较低的摩擦系数。Pratap等[2]在Ti6Al4V合金表面构建了多种阵列类型的微孔织构，拟用于改善表面的摩擦学性能。其中，网格排列的方式能最大程度地降低摩擦系数，并在阵列织构叠加的情况下进一步降低了摩擦系数(见图1)。

图1 (a)Ti6Al4V合金表面多种阵列织构的构建及(b)性能表征[2]

(2)表面涂层化处理。表面涂层化处理是一种提高人工植入材料耐磨损性能的有效方式。一般而言，表面涂层可以调节基底材料的表面形貌、物化组成以及生物相容性。典型地，经表面修饰的金属基底可以减少因磨屑导致的细胞应激反应，从而有效延长植入材料的使用寿命。目前，人工植入材料的表面涂层主要包括金属氮化物、金属碳化物、金属碳氮化物和类金刚石涂层等。通过合理的表面涂层修饰，基底材料表面的硬度、弹性变形能力和润湿性都将得到有效改善。相似地，钛合金经合理的表面涂层化处理也能获得良好的摩擦学性能。Khanna等[3，4]在Ti6Al4V合金表面通过冷喷涂、热处理和微弧氧化相结合的方式制备了结构致密且与基底紧密结合的氧化铝涂层，利用该涂层有望在人工髋关节上得到可靠的耐磨表面(如图2所示)。

图2 钛合金人工髋关节表面修饰氧化铝涂层的示意图[3]

(3)表面接枝处理。为了避免生物植入材料表面的蛋白吸附，表面接枝处理作为一种切实可行的技术受到了极大的关注。此外，经接枝处理后，基底表面所获得的刷状亲水性聚合物层，其在结构上与人体关节软骨类似，可起到降低摩擦系数和提高润滑性能的作用。特别地，对于一些具有极佳亲水性的两性离子聚合物，基底材料经其接枝修饰后，改性表面在水润滑条件下可获得极为优异的摩擦特性。鉴于此，越来越多的研究者在钛合金表面接枝两性离子聚合物，模拟关节软骨的结构和功能，以提高人工关节用钛合金表面的摩擦学性能。张等[5]利用自由基聚合合成了共聚物DMA-MPC，并将其修饰到Ti6Al4V合金表面(如图3所示)。在摩擦测试过程中，DMA-MPC涂层表现出优异的润滑性能，摩擦系数极低。刘等[6]将亲水性聚合物聚乙烯基磷酸修饰到Ti6Al4V合金表面，改性表面在摩擦测试中展现出了极低的摩擦系数和极小的磨损，该聚合物刷层具有与天然关节软骨相似的超润滑特性。

图3 Ti6Al4V合金表面修饰共聚物DMA-MPC的示意图[5]

3 总结与展望

目前针对人工关节用钛合金的表面修饰已发展了多种技术手段，主要包括表面织构化，表面涂层化和表面接枝改性等，并在改善钛合金的摩擦学性能上取得了良好效果。但是现有方法距离人工关节的长寿命使用需求还有一定差距，后续研究需拓展新的表面修饰技术或者有效协同多种表面修饰方法，以获得更为优异可靠的摩擦学性能，从而进一步推进钛合金材料在人工关节承载表面的应用。

致谢：感谢苏州经贸职业技术学院(YJ-QN1904)为本研究提供资助。