新型生物涂层技术

2010第39卷第3期广西纺织科技新型生物涂层技术夏永（天津工业大学纺织学院，天津300160）【摘要】阐述了碳/碳复合材料表面纳米HAp/壳聚糖生物复合涂层、新型钛合金及生物涂层技术、rhBMP-2/PDLLA种植体涂层材料诱导成骨、用微束等离子喷涂在TiA16V4基体上制备羟基磷灰石涂层的新型生物涂层技术。并分析了其化学原理、方法、技术和发展方向。【关键词】涂层技术；生物涂层中图分类号：TB333文献标识码：B

收稿日期：2010-01-12作者简介：夏永，天津工业大学学生。

0引言涂层技术发展至今有了长足进步，生物涂层技术尤为如此。在近几年里，新型生物涂层技术层出不穷，有碳／碳复合材料表面纳米HAp/壳聚糖生物复合涂层、新型钛合金生物涂层等新型的生物涂层材料，也有rhBMP-2/PDLLA种植体涂层材料诱导成骨、用微束等离子喷涂在TiA16V4基体上制备羟基磷灰石涂层等新型的生物涂层技术。如下以这四个方面为例，对近年来出现的生物涂层新技术新材料做个介绍。

1碳/碳复合材料表面纳米HAp/壳聚糖生物复合涂层

碳/碳复合材料表面纳米HAp/壳聚糖生物复合涂层是以声化学法合成的纳米羟基磷灰石（HAp）为起始原料，以异丙醇作为分散介质，采用水热电泳沉积法在经壳聚糖（CS）溶液改性后的碳/碳复合材料（C/C），其表面沉积纳米HAp/CS生物复合涂层。1.1性能和制作方法碳/碳（C/C）复合材料是国际新材料领域重点发展的一种新型结构材料，综合性能优异，其作为骨修复和骨替换惰性材料，极具应用前景[1]。壳聚糖（CS）是弱碱性多糖，其降解产物是氨基葡萄糖，可被人体完全吸收，具有促进骨细胞和成纤细胞黏附、分化和增殖的作用。二者都具有优异的生物相容性，可降解性和生物活性。为了发挥其力学性能，同时又能够诱导骨组织形成，可在其表面制备纳米HAp和壳聚糖的复合涂层，使其既具有基体材料的强度和韧性，又具有HAp复合涂层的

优良生物活性和生物相容性。目前在金属基体表面制备HAp涂层的方法很多，但在C/C复合材料表面制备纳米HAp复合涂层方法的报道很少、主要有等离子喷涂法、仿生法、电化学沉积法等[2]。1.2存在的问题及解决方法虽然有多种制备方法在C/C复合材料表面制备HAp涂层，然而，到目前为止，HAp涂层C/C复合材料存在的主要问题是涂层和基体的界面结合不良。随着涂层C/C复合材料动物体植入时间的延长，涂层易脱落，而且生物稳定性也较差。这主要有如下两个方面的原因：其一是涂层与基体的结合强度低；其二是涂层气孔率过大，不能有效阻止生理组织液的渗透，且植入后溶解速度过快。此外，在植入体内，C/C复合材料表面释放碳微粒也是尚待解决的难题。尽管所释放的碳微粒并不对周围组织产生影响，然而实验表明释放的微粒可以产生炎症。因此，如何提高涂层与基体的结合以及涂层的空隙结构是决定HAp涂层使用性能和可靠性的关键因素。

2新型钛合金及生物涂层技术2007年，由西北有色金属研究院等三家单位联合承担的国家863计划特种功能材料主题“与硬组织生物力学相容的新型钛合金及其生物涂层技术开发”课题通过了验收。该课题自主设计开发出两种具有我国自主知识产权的新型钛合金TLM（Ti-Zr-Sn-Mo-Nb）和TLE（Ti-Zr-Sn-Mo-Nb），生物和力学相容性好，综合性能可与目前国际上已报道的Ti-13Nb-13Zr等优良医用钛合金相媲美，在原料、熔炼、加工、热处理等方面实现了较低成本化，综合力学性能宽泛可调，材料加工工艺简便高效，易加工成各类管、棒、板、丝、箔材及模锻、铸造产品。TLM合金可同时用于人体软组织（如血管内支架、心脏瓣膜等）和硬组织（关节、内固定器械等）的修复与

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（下转第74页）替代产品制造，具有多功能、多用途、高性价比和便于推广与普及性。新型氧化钛涂层可在形状复杂的钛合金种植体表面均匀成膜，兼具生物活性、厚度均匀、多孔性、低弹性模量、高结合强度等特点，其长效服役性高于传统等离子喷涂HA涂层。碳氮化钛涂层，具有高硬度、高结合强度及液体环境下减磨功能，可显著改善钛合金关节等植入件的耐磨性、延长使用寿命。3rhBMP-2/PDLLA种植体涂层材料诱导成骨种植牙在口腔医学领域里展开了前所未有的研发。提高种植体与骨组织的整合速度成为研究的焦点。早期的研究中[3]，有学者将聚乳酸（PLA）作为载体与rhBMP-2复合后修复骨缺损，证实其具有较高的骨缺损修复性能。很多关于种植体活性涂层的研究往往都存在着生物力学和组织形态学结果上的差异，即活性涂层能促进新骨的形成，但对骨结合率并无有效提高，而rhBMP-2/PDLLA复合物具有促进新骨形成和提高骨结合率的双重作用。目前常用一些种植体表面处理技术来提高种植体与骨组织的整合，其中复合骨形成蛋白（BMP）是一种很有应用前景的方法。人基因重组rhBMP-2是一种具有高效骨诱导活性的生长因子，它需要合适的载体得以缓慢释放。为促进种植体早期骨愈合，常用的表面处理技术有：种植体表面粗糙化；复合羟基磷灰石；生物活性涂层，如BMP，粘附肽RGD。将rhBMP-2与PDLLA复合制成生物活性涂层，涂布到种植体表面，以期促进种植体周围新骨形成、提高种植体的骨结合率。涂层中的rhBMP-2是一种在骨愈合过程中起关键作用的调控因子，具有高度的骨诱导活性，有学者研究表明单纯的BMP-2涂层能诱导种植体周围新骨的形成，并改善种植体-骨结合[4]。综上所述，rhBMP-2/PDLLA这种新型生物活性涂层具有促进种植体周围骨组织形成，缩短骨愈合期、提高骨结合率的作用，具有较好的应用前景。4用微束等离子喷涂在TiA16V4基体上制备羟基磷灰石涂层羟基磷灰石（HA）与人的牙齿和骨骼的化学组成非常近似，成为一种最具价值的人体植入材料。这种材料可以通过不同的工艺沉积在植入体上。微束等离子喷涂[6]可以减少喷涂过程中HA颗粒的过热倾向，能较快地调整工艺参数。迅速改变涂层的结晶度，能使涂层具有较高的稳定性和较高的生物活性。通过调整喷涂参数可得到三类典型的涂层结构。第一类结构，喷涂电流30A，离子气流量2SLPM，喷涂距离60mm。这种结构并不呈典型的层状结构，涂层中含有大量未熔化HA颗粒，与APS喷涂得到的高结晶度HA涂层结构相似。提高氩气流量，降低喷涂电流有利于形成此类涂层。提高离子气流量使HA颗粒的飞行速度增加，缩短其在焰流中的停留时间；降低电流，等离子喷涂功率降低。这两个因素的共同作用使得整个喷涂过程对粒子的热输入减少，颗粒熔化程度降低。此外，喷涂距离也是形成这类涂层结构的重要因素；第二类结构，喷涂电流40A，离子气流量1.3SLPM。与第一类结构相比，这种涂层呈现典型的层状结构，表明在喷涂过程中颗粒熔化良好，熔融的颗粒碰撞到基体后扁平化充分，涂层表面比第一类涂层光滑。较高的电流值和较低的氩气流量意味着较低的粒子速度和较高的电弧功率，粒子在焰流中的滞留时间延长，热输入增加，熔化充分，有利于形成此类典型的层状涂层结构；第三类结构，喷涂电流40A，离子气流量1.3SLPM，喷涂距离140mm。可以看出，这类涂层未熔化HA颗粒很少，表明喷涂中颗粒熔化良好。与第二类结构显著不同的是，在第三类涂层结构中几乎观察不到层与层之间有明显的界限。第三类涂层结构是由非晶相的连续堆积形成。形成第三类涂层结构的主要原因，是采用了较长的喷涂距离，熔化的HA颗粒在大喷涂距离条件下凝固迅速，有利于形成非晶相。在电流30A、等离子气流量2SLPM和喷涂距离140mm的条件下也能得到相同的涂层结构，但是由于熔化不充分的颗粒高速碰撞到基体后反弹，沉积效率比较低。实验表明[6]，第二类结构的衍射谱存在明显的织构，与原始粉末和第一类结构的衍射谱有明显的区别。织构的存在使得该涂层的结晶度很难精确测定，但是依然可以看出涂层的非晶含量比较少。等离子喷涂的HA涂层具有织构，用MPS方法制备的第二类结构织构更加明显。长骨和牙釉中所含的HA晶体在c轴有很强的择优取向，且这种择优取向对于HA晶体的体内稳定性有利，可见第二类结构中的这种强的织构对HA涂层的长期稳定性极其有利。

5结语新型生物涂层技术日新月异，碳/碳复合材料表面纳米HAp/壳聚糖生物复合涂层、新型钛合金及生物涂层技术、rhBMP-2/PDLLA种植体涂层材料诱导成骨、用微束等离子喷涂在TiA16V4基体上制备羟基磷灰石涂层只是冰山一角，在当今的科技发展情况下，是以高科技含量、高适用性的生涂层技术为目标的。从社会发展方向看，新型生物涂层技术具有很大的发展前景，它将向着高科技、高适用、多方向和多功能的方向发展。

参考文献[1]李颖华，曹丽云，黄剑锋，曾燮

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（上接第68页）榕.碳/碳复合材料表面纳米HAp/壳聚糖生物复合涂层的制备[J].航空材料学报，2009，（4）：81-84.[2]沈卫，顾燕芳，刘昌胜.羟基磷灰石的表面特性[J].硅酸盐通报，1996，（1）：45-52.[3]韩建生，刘瑞敏，贾太周.rhBMP-2复合体在颌骨缺损修复中作用的实验研究[J].口腔医学研究，2007，23（5）：512-515.[4]SigurdssonTJ，NguyenS，WikesjoUM．Alveolarridgeaugmenta—tionwithrhBMP—2andbone—to—im－plantcontactininducedbone[J]．IntJPeridonticsRestorativeDent，2001，21（5）：461-473.

[5]AebliN，StichH，SchawalderP，eta1．Effectsofbonemorphogeneticprotein～2andhyaluronicacidontheosseoin－tegrationofhydroxyapatite—coatedimplants：anexperimen－talstudyinsheep[J]．JBiomedMaterResA，2005，73（3）：295-302.[6]贺定勇，赵秋颖，赵力东，孙旭峰.喷涂工艺参数对HA涂层结构和结晶度的影响[J]．材料研究学报，2006，（6）：659-663.[7]现代材料动态[J].2007，（5）：26.

种，但最重要的就是缺乏这方面的实战经验。开展项目教学的好处就在于不仅能将所学的知识加以巩固和实践，更能培养学生解决实际问题的能力。同时结合开展的项目，可以大大提高学生的积极性，激发学生主动学习的热情，进而走出课本，走出课堂。项目教学可以结合校内的一些活动或者企业来开展。比如学校里的演出服、校服，服装专业表演秀的系列服装，各种服装设计大赛或者企业里的项目。开展项目教学不是要另设课堂，而是将开展的项目融进课堂，灵活处理教与学的关系。开展项目教学要求教师不断提高自己并积极建立与企业之间的联系，为学生架起一座桥梁。1.4充分结合设计和工艺，实现专业课程的相关性和统一性结构设计是服装款式设计的延伸和再造，工艺是实现和检验结构设计的后续。在专业课的课程体系中，这三者是密不可分的，是相辅相成的。因此，在教学上服装结构设计的教学要密切结合设计与工艺。所以，款式分析是结构设计教学必不可少的环节，通过款式分析，充分理解设计师的设计意图和要表达的东西，共同完成在设计与结构上的统一。准确把握服装的造型，制定合理的规格尺寸。要成为优秀的制版师必须对工艺也十分精通，否则，无法指导样衣进行试样，也无从找到问题和解决方案。所以在教学上，不能孤立地认为设计是设计、结构是结构、工艺是工艺。在讲授女装纸样设计这一部分，可以充分使用三部分结合的方法。比如在讲女装连衣裙纸样设计时，在讲完基本的制图原理和实例之后，可以叫学生设计几款连衣裙，然后大家共同分析款式，提出制图思路，最后挑选其中一款将其按1∶2的纸样设计出来，并将其按照相应的生产工艺制作出1∶2的成品。在学生完成成品的制作之后，将其成品穿在1∶2的小人模上进行展示，共同探讨成品是否达到了设计的要求、版型是否存在不合理之处，进而提出改进方案等等。这样的教学会大大提高学生的兴趣，也让学生全方位系统了解掌握结构与设计与工艺的关系，为其实现专业课的相关性和统一性提供平台。当然，款式设计部分和成品制作部分不占用课上的时间，要求学生利用课余时间去完成，分析和点评占用课上时间。而成品的工艺标准也不同于成衣制作课上的标准，只需做试样即可。事实证明，这种教学方法能收到良好的教学效果，学生不仅有很高的学习热情，还在不知不觉中积累了很多知识和经验。当然，在其他类的纸样设计中也可以采用类似的方法进行教学。