戚培毅,陳 軍,董漢山,況 敏

(1.金毅新材料科技(廣州)有限公司,廣東 廣州 510730;2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東 廣州 510650;3.伯明翰大學(xué)冶金與材料學(xué)院,英國 伯明翰 B152TT)

醫(yī)用鈦材料表面改性及應(yīng)用研究＊

戚培毅1,陳 軍2,董漢山3,況 敏2

(1.金毅新材料科技(廣州)有限公司,廣東 廣州 510730;2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東 廣州 510650;3.伯明翰大學(xué)冶金與材料學(xué)院,英國 伯明翰 B152TT)

采用自主開發(fā)的表面改性新技術(shù)——改進表面熱處理(PTO)技術(shù)對醫(yī)用鈦材料進行表面處理,然后采用掃描電鏡、X射線衍射等手段分析其表面改性層,并進行生物學(xué)評價.結(jié)果表明,PTO表面改性鈦植入物具有良好的生物相容性和優(yōu)異的血液相容性,其綜合性能達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T16886的要求.

醫(yī)用鈦材料;表面改性;應(yīng)用;生物相容性;血液相容性

鈦材料憑其優(yōu)良的綜合性能在醫(yī)用植入物領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,包括人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、牙種植體、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架等.醫(yī)用鈦材料主要存在以下問題:耐磨性能較差;人體應(yīng)用環(huán)境十分苛刻,耐腐蝕性能還需要進一步提高;生物活性不夠理想.心血管病已成為人類死亡的主要疾病之一,采用人工心血管器械置換是挽救此類患者生命的有效途徑.但植入人工心臟瓣膜等器械的病人,必須每天服用抗凝血藥物,才能維持正常生活;服藥不足或過量都會導(dǎo)致并發(fā)癥,甚至死亡.所以,研制出具有優(yōu)異抗凝血性能的新一代人工心血管器械已是當(dāng)務(wù)之急.這些問題與鈦材料的表面性能密切相關(guān),對鈦材料進行表面改性以提高其綜合表面性能是解決上述問題的有效途徑.

戚培毅等人[1-2]成功開發(fā)出經(jīng)濟有效的表面改性新技術(shù)—改進表面熱處理(PTO)技術(shù),該技術(shù)能顯著提高鈦及鈦合金的耐磨性和耐蝕性.在PTO技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)出醫(yī)用鈦材料表面改性新工藝,并研究評價了PTO表面改性醫(yī)用鈦材料的環(huán)境行為和性能,包括摩擦磨損行為及耐磨性、腐蝕行為及耐蝕性、生物學(xué)行為及生物相容性等.本文主要論述PTO表面改性醫(yī)用鈦材料的生物學(xué)性能.

1 實驗部分

實驗所用材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的醫(yī)用TA 2純鈦棒 (D10),線切割成D10mm×3 mm試片.逐級將試樣磨到1200號金相砂紙,用丙酮和酒精進行超聲波清洗,用2%HF-8%HNO3-90%H2O溶液酸洗后,再用蒸餾水清洗干凈.然后浸入特制的活化液中進行活化處理,之后取出在空氣中干燥,最后在可控氣氛爐中進行表面熱處理.

用JSM-5910掃描電子顯微鏡對試樣截面顯微組織和表面形貌進行觀察分析.用Phillips PW 1050 X-射線衍射儀分析試樣的相組成,實驗條件為:Cu-Ka輻射 ,2θ角范圍 20°～100°、掃描速率 0.5°/s.

國家食品藥品監(jiān)督管理局濟南醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T16886醫(yī)療器械生物學(xué)評價對PTO處理鈦植入物進行生物學(xué)評價.

2 結(jié)果與討論

2.1 表面改性層分析

PTO處理鈦的表面形貌SEM照片(圖1a)顯示,表面由均勻等軸晶粒組成.PTO處理鈦的截面顯微組織見圖1(b),整個改性層由表面層和擴散區(qū)組成,表面層均勻致密、結(jié)合良好、厚約2～3μm.

PTO表面改性前后鈦試樣的X-射線衍射相分析結(jié)果如圖2所示.由圖2可知,未經(jīng) PTO處理的純鈦由α相構(gòu)成,經(jīng)PTO處理的鈦表面為金紅石型氧化鈦表面層.

圖1 PTO處理鈦的表面形貌和截面組織(a)表面形貌;(b)截面組織Fig.1 SEM micrographs show ing the surface mo rphology and microstructure of cross-section fo r the PTO-treated titanium(a)surface mo rphology;(b)cross-section

圖2 PTO處理前后鈦的X-射線衍射譜(a)未經(jīng) PTO處理;(b)經(jīng) PTO處理Fig.2 XRD patterns for the as-received and PTO-treated titanium(a)as-received titanium,(b)PTO-treated titanium

2.2 生物學(xué)評價

PTO處理鈦植入物生物學(xué)評價結(jié)果列于表1.由表1可知,經(jīng)PTO處理后,鈦植入物的溶血率由2%降至0.3%,降幅近6倍,比國標(biāo) GB/T16886要求的5%低近17倍.PTO處理鈦植入物無皮膚致敏反應(yīng),符合國標(biāo)要求的“皮膚致敏反應(yīng)應(yīng)為 I級”.PTO處理鈦植入物細(xì)胞毒性反應(yīng)為0級,符合國標(biāo)要求的“細(xì)胞毒性反應(yīng)應(yīng)不大于1級”.PTO處理鈦植入物遺傳毒性 (Ames實驗、染色體畸變實驗和小鼠淋巴瘤實驗)實驗結(jié)果均為陰性,符合國標(biāo)要求.骨植入實驗表明,PTO處理鈦植入物符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

實驗結(jié)果表明:PTO處理鈦植入物具有良好的生物相容性和優(yōu)異的溶血率指標(biāo),達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn).

用溶血率評價生物材料對紅細(xì)胞膜的影響,是一項急性毒性篩選實驗.實驗結(jié)果表明,經(jīng) PTO處理后鈦植入物的溶血率由2%降至0.3%,幾乎為零的溶血率說明PTO改性鈦材料無急性毒性,對紅細(xì)胞無顯著破壞作用.

表1 PTO處理鈦植入物生物學(xué)評價結(jié)果Table 1 Results of the biocompatibility and hemocompatibility tests of the PTO-treated titanium

血小板的功能是通過形成血小板栓抑制流血,通過催化凝血反應(yīng)使血小板栓穩(wěn)定,導(dǎo)致凝血.抗凝血材料表面應(yīng)少吸附血小板且不激活血小板.PTO改性前后血小板黏附實驗結(jié)果如圖3所示.實驗結(jié)果表明,經(jīng)PTO改性的樣品,其表面黏附的血小板數(shù)量少、形態(tài)正常、無明顯團聚 (圖3(b)中的白亮部分為血小板,灰暗部分為樣品表面);而未經(jīng)PTO改性的樣品,其表面黏附的血小板數(shù)量多、變形厲害、團聚明顯 (圖3(a)中的背底是鈦試片劃痕),表明血小板已被激活.

圖3 樣品表面黏附血小板的SEM形貌照片(a)未經(jīng) PTO處理;(b)經(jīng) PTO處理Fig.3 SEM micrographs showing the surfacemorphology of the platelet-adhesion samp les for(a)as-received titanium,(b)PTO-treated titanium

PTO表面改性新技術(shù)能顯著提高鈦材料的綜合表面性能,主要包括下列方面:(1)PTO處理使鈦的表面顯微硬度增加了近5倍;抗咬合能力提高了3個數(shù)量級,也好于等離子氮化處理鈦材[3].(2)未經(jīng)PTO處理的鈦試樣在沸騰5%鹽酸溶液中的腐蝕速率為0.932 mg/cm2·h,而經(jīng) PTO處理的試樣未檢測到腐蝕失重;PTO處理的純鈦表面層在沸騰20%鹽酸溶液中的壽命是等離子氮化處理的約40倍[3].(3)PTO表面改性鈦植入物達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T16886,尤其溶血率為0.3%,比標(biāo)準(zhǔn)要求的5%低近17倍.

經(jīng)濟有效、低碳環(huán)保型PTO表面改性新技術(shù)在醫(yī)用鈦器械領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景,尤其在人工心血管器械方面優(yōu)勢明顯.研制出具有優(yōu)異抗凝血性能的新一代人工心血管器械有著十分重要的意義.

3 結(jié) 論

經(jīng)PTO表面改性處理后,醫(yī)用鈦表面形成了均勻致密、結(jié)合牢固的高性能氧化鈦薄膜.PTO表面改性鈦植入物具有優(yōu)異的血液相容性,溶血率為0.3%,比國家標(biāo)準(zhǔn)要求低近17倍.皮膚致敏、細(xì)胞毒性、遺傳毒性和骨植入等項目均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16886的要求.

[1]BLOYCE A,Q I P Y,DONG H,etal.Surface modification of titanium alloys for combined imp rovements in co rrosion and wear resistance[J].Surface and Coatings Technology,1998,107(1):125-132.

[2]Q IP Y.Development of novel surfacemodification techniques for combined imp rovements in corrosion and wear resistance of titanium[D].Birmingham:The University of Birmingham,2000.

[3]戚培毅,陳軍,董漢山,等.鈦材料表面改性新技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用研究[J].材料研究與應(yīng)用,2010,4(4):549-554.

Investigation in to new surface modification of titan ium for medical application

Q IPei-yi1,CHEN Jun2,DONG Han-shan3,KUANGM in2
(1.Jinyi New M aterials Technology(Guangzhou)Co.Guangzhou 510730,China;2.Guangzhou Research Institute of N on-ferrous M eta ls,Guangzhou 510650,China;3.School of M etallurgy and M ateria ls,The University of Birm ingham,Birm ingham B 152 TT,U K)

New surface modifications of titanium fo rmedical app lication have been carried out by a self-developed technique,namely p romo ted thermal oxidation(PTO).PTO-treated surface layers w as analyzed using scanning electron microscopy(SEM)and X-ray diffraction(XRD),and the biocompatibility and hemocompatibility of the PTO-treated titanium were evaluated.The results show that the PTO-modified titanium imp lants are characterized by good biocompatibility and excellent hemocompatibility,and the comp rehensive perfo rmance reaches o r exceeds the national standard GB/T16886.

titanium;surface modification;app lication;biocompatibility;hemocompatibility

TG17

A

1673-9981(2011)01-0027-04

2011-02-15

國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目(07C26214401798);廣東省科技計劃項目(2009B011000009);廣州市技術(shù)創(chuàng)新基金項目(2007V 43C0011);廣州開發(fā)區(qū)科技計劃項目(2008G-P117,2010S-P092)

戚培毅(1962—),男,廣東廉江人,研究員,博士.