中国粉体网讯 21世纪以来，需要人工骨治疗患者的数量在全球约有3000万人次。随着世界生物材料科学技术的迅速发展，人们更加注重对自身健康状况的关注，把制造学科与生命学科紧密联系。相关研究者在体外研究制备具有良好的生物活性和机械承载力的人工合成器官，验证其实用性能后再植入人的身体中。因此，使金属基体表面涂层生物陶瓷的发展研究陆续被深入探索。
生物陶瓷涂层材料
生物陶瓷涂层材料按照功能分为惰性生物陶瓷涂层材料和生物活性陶瓷涂层材料。惰性生物陶瓷涂层材料是指在植入生物体后不与生物体发生相互作用的涂层材料。这类材料在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应，包括氧化铝、氧化锆和氮化硅等。生物活性陶瓷涂层材料是指在植入生物体的过程中，能够与人体骨细胞和组织发生相互作用，逐渐转变成天然骨的材料。它具有与人体组织很好的生物相容性，其中最典型的为羟基磷灰石涂层材料和钙硅酸盐涂层材料。
生物活性陶瓷涂层材料
（1）羟基磷灰石涂层材料
人体骨架的主要成分为m10(rO4)6(OH)2，ｍ为Ca，ｒ为P，晶体结构完整，呈细针形。羟基石灰石（HA），其分子式为Ca10(PO4)6(OH)2，是人体和动物骨骼的主要无机成分，具有优异的生物活性和生物相容性。它所含有的羟基能够与骨组织形成键合，植入体内后，通过氢键作用能够在材料表面形成吸附水层，具有良好的润湿性，降低了材料-体液的界面能。HA在生物体内后发生微量溶解，与体液进行离子交换，接触界面上富集一定浓度的Ca2+，PO43−离子，在成骨细胞和破骨细胞的作用下形成新生骨。HA作为复合材料的常见添加物，广泛应用于医学上的人工骨和牙齿替代材料。
（2）钙硅酸盐涂层材料
自1969年LLHench发现某些组成的玻璃能同骨骼形成化学键合以来，生物活性玻璃和α-W玻璃陶瓷已被广泛地应用于骨组织的修复和重建。发现在模拟体液中，CaO-SiO2基玻璃表面能形成骨磷灰石层，而CaO-P2O5基玻璃表面没有骨磷灰石生成，意味着CaO和SiO2成分是生物活性玻璃在体内与骨发生化学键合的主要原因。硅灰石的化学分子式为CaSiO3，因此，硅灰石在体液中也应具有生物活性，并能诱导骨磷灰石在其表面形成。
制备生物活性陶瓷涂层的方法
（1）等离子体喷涂技术
等离子喷涂是粉末随经过电流阴极和水冷阳极的等离子气体，以接近或达到熔融状态喷射在基体上，形成的涂层结合性能和质量好。
孙耀宁等人采用等离子喷涂法制备了Ti/HA质量比为3:7的Ti/HA复合涂层。体外细胞培养结果显示细胞贴壁良好、无病变；比格犬骨髓间充质干细胞在涂层上培养7天后的扫描电镜图像表明，涂层的孔隙结构有利于细胞紧密黏附。研究认为该材料可应用于临床人工骨替代。
（2）激光熔覆技术
激光熔覆是以激光为介质将粉末和基材一起形成熔覆层，能量和密度较高的激光可以使热影响区域较小。
ZANG Q J等人采用激光熔覆法在纯钛（TA2）表面制备HA涂层。研究发现，基底上不被压实的前驱体层在激光熔覆后与HA涂层的结合性更好，不规则的孔隙减小了残余热应力，硬度的提高使植入体耐磨性能得到了提升。通过XRD图计算得到79.6%的高HA结晶度，有大部分的HA不会分解，提高了稳定性，生物性能也得到了保障。
（3）冷喷涂技术
冷喷涂是将加压的气体和粉末经喷嘴高速加热冲击基体，沉积在其表面形成涂层，且沉积效率高不易氧化分解。
李德燕通过真空冷喷涂技术（VCS）制备了HA/ND-BMP2复合粉末，在强酸氧化后带有羧基基团的ND粉末和流动性好的HA粉末的复合涂层中引入BMP2，使材料有更大的表面能可以让细胞有更大的易附着面积，改善了涂层的维氏硬度、弹性模量、抗摩擦磨损性能，促进细胞增值分化。
（4）磁控溅射技术
磁控溅射是电子在磁场和电场的高压加速作用下，运动轨迹呈摆线状，与靶原子碰撞在基板上形成耐摩擦性能好和硬度高的薄膜。
IVANOVA A A等人在射频磁控溅射沉积HA时引入水，以调控OH基团和沉积效率。通过纳米压痕分析涂层纹理对机械性能的影响，发现（300）织构的HA薄膜抗塑性变形能力更强，而（002）织构的HA薄膜抗裂性更好、使用寿命更长，但其纳米硬度和弹性模量有所下降。
（5）溶胶-凝胶技术
溶胶凝胶是把金属化合物在溶液中通过水解和缩合反应形成溶胶体系的聚合物，使涂层结构性能稳定，且成本较低易操作。
代爱梅加入以硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O）为钙源和五氧化二磷（P2O5）为磷源，运用溶胶-凝胶法制备钙、磷摩尔比为1.70的n-HA晶体，预处理时把溶胶层HA粉体涂覆在用浓NaOH溶液活化后的钛基上，得到钛表面的微结构划痕密度小、尺度小，裂纹扩展程度减缓、结晶好纯度高。
（6）电化学沉积技术
电化学沉积通过氧化还原反应得到金属化合物薄膜，其工艺简单、适应性好受到工业化生产的优选。
LIU S J等人采用注射化学气相沉积（ICVD）和脉冲电沉积的组合方法，使球状 HA晶粒连接成棒形成在CNT表面，得到均匀碳纳米管加固的羟基磷灰石（CNTs-HA）涂层。
（7）燃烧合成法
燃烧合成是一种制备生物涂层的工艺，具有较大的优点: 燃烧温度高，反应速度快，工艺简单，设备要求低，生产率高，不受基体形状和大小的限制，可在复杂表面合成厚度均匀的陶瓷涂层等。
刘芳等阐述了采用此法在生物陶瓷涂层制备方面的开发和研究状况。结果表明燃烧合成制备生物陶瓷涂层有利于提高材料的生物活性和生物相容性。
小结：
生物陶瓷涂层是综合运用材料科学和生命科学原理进行研制的一种新型陶瓷涂层材料。目前，生物涂层材料的研究已经进入了攻坚阶段，而如何提高材料的界面结合强度又能够保证涂层的稳定性和生物活性则是研究的核心内容。随着各种制备方法的不断出现和改进，以及对其机理的深入研究，将会对生物涂层材料的研究提供强大的工具。
参考来源：
1、陈福稳.生物陶瓷涂层材料的制备及研究进展
2、林雪，郝建军等.生物活性陶瓷涂层材料的制备及研究进展
3、裴李娜.碳纤维表面CaP生物活性涂层研究
4、段希夕，高钦钦.羟基磷灰石及其复合涂层的研究现状
（中国粉体网编辑整理/青黎）
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