鈦基生物醫(yī)用材料的陽(yáng)極氧化表面改性

張海平(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心， 江蘇 蘇州 215000)

鈦基生物醫(yī)用材料的陽(yáng)極氧化表面改性

張海平(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心， 江蘇 蘇州 215000)

生物醫(yī)用鈦及其合金植入體的骨再生能力差，與周圍組織結(jié)合能力不佳，因而需要通過(guò)表面改性技術(shù)賦予其相應(yīng)的生物相容性、生物活性和抗菌性的同時(shí)改善其耐磨性和耐蝕性等。本文旨在對(duì)鈦基生物醫(yī)用材料的陽(yáng)極氧化表面改性進(jìn)行總結(jié)和分析，從而為以后的相關(guān)專利審查提供參考。

鈦;鈦合金;陽(yáng)極氧化;微弧氧化;生物活性

0 引言

鈦及其合金由于具有良好的可加工性、機(jī)械力學(xué)性能、耐腐蝕性能，以及較低的彈性模量和優(yōu)于其它醫(yī)用金屬的生物相容性而在20世紀(jì)40年代被引入生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，70年代中期開始在醫(yī)學(xué)上獲得廣泛應(yīng)用[1]。雖然鈦及其合金被廣泛用作植入材料，但由于其自身缺乏骨誘導(dǎo)性能，生物活性差，導(dǎo)致植入體使用壽命受到影響，嚴(yán)重影響了鈦種植體的穩(wěn)定性及遠(yuǎn)期成功率。因此，迫切需要通過(guò)表面改性技術(shù)賦予鈦及其合金相應(yīng)的生物相容性、生物活性和抗菌性并改善其耐磨性和耐蝕性等性能。

根據(jù)材料表面改性層的形成過(guò)程機(jī)理，鈦及其合金表面改性技術(shù)一般分為機(jī)械方法、化學(xué)方法和物理方法三大類[2]。而電化學(xué)法(陽(yáng)極氧化和電泳法等)由于其簡(jiǎn)便、快速和工藝參數(shù)控制靈活等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。本文旨在對(duì)電化學(xué)法表面改性絕大多數(shù)的陽(yáng)極氧化法進(jìn)行總結(jié)和分析，從而為以后的相關(guān)專利審查提供參考。

1 國(guó)內(nèi)陽(yáng)極氧化直接制備生物活性涂層

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的陶曉杰等人在2005年的專利CN1986003A中公開了一種鈦或鈦合金表面生物活性涂層及其制備方法，通過(guò)對(duì)鈦及其合金在醋酸鈣電解液中陽(yáng)極氧化、堿處理和熱處理，在其表面生成梯度涂層，鈣元素的引入增加了膜層的生物相容性，并且由于表面具有粗糙的多孔結(jié)構(gòu)也提高了羥基磷灰石層的結(jié)合力以及細(xì)胞附著能力。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王福平等人在2007年的專利CN101063221A中公開了一種應(yīng)用NiTi合金直接進(jìn)行微弧氧化處理的方法，將醫(yī)用NiTi合金放入酸性或堿性體系中進(jìn)行雙向脈沖微弧氧化，制備得到的陶瓷層與鎳鈦合金的結(jié)合強(qiáng)度高，生物安全性高；劉福等人在2011年的專利CN102492976A中公開了一種在NiTi合金表面制備富含Ca和P多孔二氧化鈦氧化膜層的方法，在由磷酸、二氧化鈦溶膠、鈣鹽和乙二醇制備的電解液中進(jìn)行微弧氧化，制備得到富含Ca和P的多孔二氧化鈦氧化膜層的NiTi合金，該NiTi合金生物活性好且與人骨骨性結(jié)合良好；2013年，魏大慶等人在專利CN103361703A中將經(jīng)過(guò)噴砂處理的鈦材料再用硫酸溶液浸泡后置于氟化銨水溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化后制備得到具有生物活性的表面多級(jí)孔結(jié)構(gòu)鈦材料。

福建師范大學(xué)的肖秀峰等人在2008年的專利CN101311328A中公開了一種制備鈦基羥基磷灰石/氧化鈦納米管復(fù)合涂層的方法，首先在含HF的二甲亞砜溶液中，通過(guò)陽(yáng)極氧化，在純鈦表面構(gòu)筑一層氧化鈦納米管陣列膜，然后將氧化鈦納米管陣列膜置于含CaCl2、NaH2PO4、EDTA的水溶液中，在水熱條件下誘導(dǎo)羥基磷灰石在納米管陣列膜表面結(jié)晶沉積，從而制得與基體界面具有良好結(jié)合強(qiáng)度的羥基磷灰石涂層。

廣州南楓生物科技有限公司在2009年的專利CN101624719A中公開了一種用于鈦基微弧氧化的電解質(zhì)溶液及方法，以鈦片為陽(yáng)極，不銹鋼為陰極，進(jìn)行分段式微弧氧化；由此制備的膜層生物活性良好；另外，廣州南楓生物科技有限公司還在2009年的專利CN101575726A中公開了采用分段微弧氧化技術(shù)在包含有磷酸根、氟離子和鈣離子的電解質(zhì)溶液中直接在鈦及鈦合金表面原位生成含TiO2/FHA/HA的梯度生物活性膜層，該膜層在在模擬體液中溶解度較小，使材料植入人體后壽命有望延長(zhǎng)。

四川大學(xué)的廖曉明和尹光福等人在2010年的專利CN101871118A中公開了一種在醫(yī)用鈦表面制備具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)二氧化鈦層的方法，首先將醫(yī)用鈦在醋酸電解液中采用直流緩慢均速升流模式陽(yáng)極氧化，然后在硫酸或醋酸鈉電解液中采用直流恒壓模式二次陽(yáng)極氧化，得到具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層，該結(jié)構(gòu)有利于新骨形成。

中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的胡紅杰等人在2010年的專利CN102371005A中公開了一種鋅摻雜多孔納米氧化鈦涂層及其制備方法，在包含有鋅元素及至少一種輔助起弧的電解質(zhì)的電解液中，采用直流脈沖電源對(duì)鈦或鈦合金進(jìn)行微弧氧化處理，制得的涂層呈多孔納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)形態(tài)且其中鋅元素的含量在0.01～50wt%，該鋅摻雜的多孔納米氧化鈦涂層比現(xiàn)有的氧化鈦涂層具有更好的生物相容性；另外，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的劉宜勇等人在2014的專利CN104001207A中公開了一種醫(yī)用鈦表面復(fù)合涂層及其制備方法，錳摻雜氧化鈦改性層為通過(guò)微弧氧化處理鈦基材表面得到的致密多孔結(jié)構(gòu)，該改性層對(duì)革蘭氏陰性的大腸桿菌有較明顯的抗菌效果。

廈門大博穎精醫(yī)療器械有限公司的王周成等人在2012年的專利CN102912357A中公開了一種鈦種植體表面制備微納米結(jié)構(gòu)的方法，其中將進(jìn)行噴砂酸蝕處理后的醫(yī)用純鈦?zhàn)鳛殛?yáng)極，在含磷酸二氫鈉的含量為1～5g/L，氟化銨或氟化鈉的含量為3～15g/L的電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，制備得到表面具有多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)鈦種植體。

江蘇大學(xué)的許曉靜等人在2013年的專利CN103014576A

中公開了一種基于組織超細(xì)化和陽(yáng)極氧化的提高TiNi合金生物醫(yī)用性能的方法，以市購(gòu)TiNi合金為原材料，對(duì)其進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角大應(yīng)變加工(ECAP)制得超細(xì)晶TiNi合金后在電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，即可使TiNi合金表面具有高抗腐蝕性和高生物活性等優(yōu)異生物醫(yī)用性能。

上海交通大學(xué)的金學(xué)軍等人在2014年的專利CN104404602A中提供一種表面多孔NiTi形狀記憶合金的制備方法，在 NH4F和(NH4)2SO4的電解液中，采用單步陽(yáng)極氧化法獲得具有獨(dú)特的連通多孔結(jié)構(gòu)的多孔NiTi形狀記憶合金，且該多孔層中Ni含量極低，降低了植入人體后材料表面釋放有毒Ni元素的風(fēng)險(xiǎn)。

2 國(guó)外陽(yáng)極氧化直接制備生物改性涂層

日本尼康株式會(huì)社的石沢均在1992年的專利JPH0731627A、1993年的專利JPH0747115A和JPH0747116A中公開了先在含鈣磷的溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，再進(jìn)行水熱處理，最終制備得到含有鈣磷且與骨組織具有良好親和力的植入體。

瑞士斯特泰克醫(yī)學(xué)股份公司的V·M·弗勞奇杰等人在2003年的專利US2005019365A1中公開了一種用于醫(yī)用植入體和假牙的生物活性表面層及其制備方法，在具有鈣和磷酸根加入物的電解液中采用等壓或等壓脈沖和時(shí)間性改變電壓的火花放電而進(jìn)行表面改性，從而在鈦基體表面形成一種生物活性的、多孔的、有助于骨生成含磷酸鈣的表面層。

瑞士士卓曼公司的Michanl Breitenstien等人在2004年的專利US2005113834 A1中公開了一種鈦植入體，通過(guò)在鈦或鈦合金表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化制備得到含有至少一部分為骨接觸表面和至少一部分為軟組織接觸表面的鈦植入體。

東京醫(yī)科牙科大學(xué)的福島修在2006年的專利WO2007018189A1中公開了一種在鈦鎳合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化的方法，其中將鈦鎳摩爾比為48.5∶51.5的合金放入由乙醇、乳酸和水組成的電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，并通過(guò)調(diào)節(jié)電解液成分和電參數(shù)來(lái)提高鈦鎳合金的耐蝕性。

PLUS ORTHOPEDICS 公 司 在2006年 的 專 利WO2007090433A2中公開了一種微弧氧化法制備牙科用骨植入材料，其中將Ti6A14V和Ti6A17Nb合金置于硫酸和磷酸混合電解液中進(jìn)行微弧氧化，制備得到顯著區(qū)別與一般納米/微米多孔結(jié)構(gòu)的微米級(jí)氧化膜，該氧化膜由銳鈦礦、板鈦礦和金紅石三相混合而成，耐磨性好且與基體結(jié)合力為34MPa。

英國(guó)等離子涂料有限公司的A·耶羅克赫因在2008年的專利EP2212453A2中公開了一種形成生物活性涂層的方法，其中將純鈦試樣置于含有Ca和P離子的電解質(zhì)溶液中，同時(shí)采用一系列交變極性的電壓脈沖施加在鈦試樣和陰極之間，由于交替的電流脈沖在同一過(guò)程中將陽(yáng)極和陰極處理結(jié)合，因而促進(jìn)Ca和P都引入到涂層中，形成羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)。

德國(guó)APP生物材料有限公司的E·丁格爾蒂恩等人在2010年的EP2437798A2中公開了含銀抗菌涂層的制備方法，將鈦基材通過(guò)使用膠體分散系統(tǒng)進(jìn)行等離子體電解氧化，制備得到Ag-TiO2涂層，該涂層在抗菌效能(甚至對(duì)抗多藥抗藥株)、粘附和生物相容性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性質(zhì)。

韓國(guó)生物材料有限公司在2011年的專利KR20120126894A中公開了牙移植物，將鈦基體放在乙酸鈣和磷酸甘油的電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化從而制備表面含有鈣-磷沉積物和氧化鈦的牙移植物。另外，在2012年的專利KR20130117899A中公開了納米氧化鈦涂層植入體，將植入體放在混合有酸、乙酸鈣、β-磷酸甘油和納米二氧化鈦顆粒的電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化后制備得到表面含有鈣-磷沉積物、氧化鈦和納米氧化鈦顆粒的牙移植物。

韓國(guó)奧齒泰植入有限公司在2013年的專利WO2013109078A1中公開了鈦基種植體，通過(guò)前處理、陽(yáng)極氧化和熱處理制備得到宏觀-微觀-納米尺寸的三維結(jié)構(gòu)的、能夠促進(jìn)骨生長(zhǎng)和減小康復(fù)周期的鈦種植體。

俄 羅 斯SARAT T EC H大 學(xué) 在2 0 1 4年 的 專 利RU2014120090A中公開了加固鈦和鈦合金的方法，通過(guò)將鈦或鈦合金置于氫氧化鈉或鋁酸鈉堿性溶液中恒電流微弧氧化制備得到顯微硬度得到提高的鈦或鈦合金。

3 展望

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)植入材料的生物相容性、生物活性、抗菌性、耐磨性和耐蝕性等性能的要求越來(lái)越高，這就使得大學(xué)、研究院、公司和個(gè)人等對(duì)這一領(lǐng)域投入更大的熱情和精力，相關(guān)研發(fā)活動(dòng)日益活躍。另外從上述專利發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，雖然近些年國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)數(shù)量已經(jīng)顯著增加，但是占大多數(shù)的專利申請(qǐng)還都是高校申請(qǐng)，即屬于小規(guī)模的試驗(yàn)階段，遠(yuǎn)未達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用水平，而國(guó)外主要是公司申請(qǐng)，對(duì)于工業(yè)化的應(yīng)用相對(duì)而言較成熟，因而我們應(yīng)正視國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平差距，在不斷學(xué)習(xí)、研究和借鑒的基礎(chǔ)上進(jìn)一步與國(guó)內(nèi)公司進(jìn)行合作，將高校和研究院等所具有的雄厚科研技術(shù)與公司強(qiáng)大的實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)能力相整合，以期早日實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)用鈦及其合金的國(guó)產(chǎn)化和工業(yè)化。

[1]詹文革.生物醫(yī)用鈦及鈦合金的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展.2007，24(1):4-8.

[2]劉宣勇.生物醫(yī)用鈦材料及其表面改性[M].化學(xué)工業(yè)出版社，第1版，2009.1.