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医用碳材料对骨组织的响应及其生物活化改性熊信柏李贺军黄剑锋李镇江付业伟西北工业大学超高温复合材料重点实验室陕西西安摘要对骨种植医用碳材料的种类、碳材料对骨组织问的响应及碳碳复合材料表面生物活化改性研究现状进行了综述。提出了碳碳复合材料表面生物活性改性涂层结构认为碳碳复合材料表面活性改性的结构应由硬质阻挡层和不降解生物活化层组成根据目前已研究的生物活性陶瓷种类提出了碳碳复合材料表面生物活性涂层具体结构思路同时展望了医用骨种植碳材料的前景。关键词医用碳生物材料骨组织生物活性改性中图法分类号文献标识码文章编号一引言从材料学角度而言骨骼是种有择优取向胶原纤维和纳米梭状或片状磷灰石晶体矿化组成的复合材料其弯曲强度、弹性模量、断裂韧性分别在之间。尽管目前大部分骨修复和骨替代金属、陶瓷植入材料强度、断裂韧性等某些方面的性能满足要求但它们的弹性模量大于骨骼近倍到倍与骨组织刚性严重不匹配易造成应力屏蔽导致邻近组织瘦化严重影响了远期植入效果因而发展新型的骨替换材料是目前的发展趋势之一。碳材料化学、生理性质稳定生物相容性优越广泛用于制备心脏瓣膜、人工韧带、肌腱等人工植入体更值得注意的是它的复合材料形式纤维增强碳克服单一碳材料的脆性韧性好且强度高、疲劳特性优越特别是它的弹性模量与骨相当且在承受周期性负载条件下不出现强度损失是种极具潜力的生物材料在骨替代及骨修复领域具有较好的应用前景【卜。本文在综述骨植入用碳材料与骨组织响应及碳碳复合材料表面生物活化改性研究现状基础上结合目前已有的生物活性材料体系提出了碳材料表面生物活性改性涂层结构思路同时展望了医用骨种植碳材料的前景。医用骨种植碳材料种类单一碳材料形式这类形式的碳材料主要是玻璃碳它在两维方向上表现出长程有序结构带状结构或乱层结构由热固性高分子如酚醛树脂、糠醇树脂等加热分解而成受前驱体的影响密度较低在之间但硬度可达弹性模量在左右。受制备过程中扩散制约玻璃碳厚度不超过且较脆主要用于载荷要求不高的替换部位如齿根【】。基体和增强体形式作为增强体使用的碳材料为纤维形式主要有心基、尼龙基或沥青基碳纤维而用作基体形式的碳材料也有多种形式如通过热固性高分子热解形成的玻璃碳通过沥青浸渍碳化形成沥青碳以及以碳氢气体为原料通过用工艺形成的热解碳。若将两者有机组合通过改变纤维的含量、取向、铺层方式以及密度等方式可以人为设计出满足高强度、低模量要求的骨种植复合材料。西北工业大学碳碳复合材料课题组采用快速工艺对碳布编制体进行热解沉积获得了强度在围内的碳碳复合材料这种材料能够满足一定范围内种植体要求小鼠体内植入实验证实该材料组织相容性良好【引而碳碳复合材料首先施加次幅度为至范围内的循环压缩载荷然后再施加次幅度为至范围内的循环压缩载荷后测试其静态强度发现所施加的循环负载对强度没有明显影响。薄膜或涂层形式收到初稿日期。收到修改日期作者简介熊信柏男年生博士生西北工业大学碳碳复合材料工程技术研究中心陕西西安电话通讯联系人李贺军男年生教授博士生导师西北工业大学碳碳复合材料工程技术研究中心陕西西安电话—万方数据稀有金属材料与工程卷医用热解碳通常在内通过碳氢气体热解形成故又称低温各向同性热解碳它具有硬度高摩擦系数低抗压强度高、耐磨损、耐腐蚀、不电解、软骨生物相容性好、具有自润滑性术后关节囊可缝合并且能够较快地建立良好的界面润滑及弹性流体润滑功能关节功能恢复快是种理想的人工关节涂层材料【碳植入体加工后再在表面沉积层热解碳可有效阻挡碳粒子释放经年的临床观察没有发现碎片的脱离现象在淋巴组织中未发现碳粒子。吉林市中心陈兰田等用涂覆热解碳的碳质股骨头和钛合金组成的人工关节植入只成犬内全部实验犬术后无发烧局部无肿胀。周后创口愈合周周可以站立行走周周可跳跑自如组织学观察表明碳质材料周围异物反应无巨噬细胞反应组织形态正常。年至年间对应用年以上的随访病例进行调查并按照髓关节评分标准评价了植入体的效果平均得分为治疗率高达。类金刚石碳是新近发展起来的种人工关节非晶态膜材料。因它在以下沉积故可以沉积在几乎所有基体上。除了兼具碳材料的其它特性同时具有超高硬度等研究发现沉积有的钛股骨头对聚乙烯垫层的磨损相当于用牛血清作润滑剂的髓关节模拟装置中陶瓷、金属制的股骨头对超分于量聚乙烯制成的髓臼分别与种成分氧化铝、钻铬、涂有的钻铬制成的股骨头组成关节进行经摩擦实验结果显示髓臼对氧化铝股骨头、钻铬股骨头和股骨头的磨损率分别万圈与临床观察一致。即作为聚乙烯的对抗面同氧化铝、钴铬耐磨性相当„。医用碳材料与骨组织间响应碳材料对骨组织响应的一般特性未经处理的碳材料为生物惰性材料表面是疏水性的。作为硬组织假体植入后部分界面处存在层纤维结缔组织这与一般生物惰性材料的骨组织响应的特点类同但由于碳材料自身的特殊性导致不同的种植期、植入部位骨组织响应又表现出与一般生物惰性材料不同的特点。曾燮榕等将沥青基碳碳复合材料植入兔颌骨处两周后观察到新骨已靠近植入件生长且植入体同骨组织具有良好的连接但此时仍有低密度间隙存在年后植入件表面观察到层连接组织植入区表现出明显的骨质重建兔的胫骨内植入碳碳材料证实周后碳碳复合材料与骨呈多点式结合界面存在间隙界面处可见胶原纤维和较小的钙盐结晶周后情况类似周后界面为骨性结合界面骨组织成熟为板层状骨【】。沥青基及酚醛树脂基碳碳复合材料植入小鼠皮质骨内周后可见层疏松的结缔组织种植体部分界面处有骨直接接触周后全部界面都有直接接触在结缔组织及骨组织间有类骨质存在。这些实验结果尽管有些差异但都表明随种植期增加包裹在碳材料表面纤维结缔组织膜逐渐减少骨组织创壁逐渐向种植体表面推进。然而有一点需说明的是碳材料通过何种键合方式与骨组织结合却一直是争论的焦点。腾伟和等分别通过和都测出碳材料表面存在钙磷富集现象但前者通过对比边界处的钙、磷、硫元素与皮质骨中内含量的差别认为碳材料与骨能形成骨性结合而后者根据线扫的结果从碳、钙、磷没有扩散现象认为两者间不存在化学键合。不管如何可以肯定的一点是碳材料与骨组织的键合、响应方式更与碳材料的表面特息相关。碳材料表面对骨组织响应的影响碳材料的制备及掺AG真人 AG平台杂工艺决定了碳材料表面状态的复杂性不同的碳材料在体内外骨组织响应特点也存在差异。考察了成骨细胞在金属硅、类金刚石膜、掺杂氮的碳膜表面的形貌、增殖和分化状况结果表明碳膜表面成骨细胞状况与对照样本无差异证实所得种碳膜的骨细胞相容性【】等还发现了碳材料的另一新现象通过影响所吸附玻璃体结合蛋白的构象体外培养的纳米碳纤维具有促进成骨细胞增殖碱性磷酸酶合成以及含钙矿物质沉积的作用覆及未涂覆热解碳的聚丙烯腈基碳纤维植入兔子的下颚骨中分析了不同种植期材料表面的红外光谱特征证实与含有酸性官能团的碳材表面相比含有碱性官能团的碳材料料骨矿化速度更快【。而等对周的类金刚石膜种植体进行组织观察却发现表面具有层胶囊组织存在但无炎症及腐蚀现象发生引。钛及其合金、聚乙烯等生物材料与骨接触时一定粗糙度可以促进骨与材料表面的AG真人 AG平台接触加速矿化作用。然而对碳材料而言AG真人 AG平台却并未在体内外结果中体现出来。植入体经不同方式处理种不同粒度喷沙方式处理、打磨以及经万方数据期熊信 柏等医用碳材料对骨组织的响应及其生物活化改性氧等离子体处理后植入成年杂种 狗的大腿骨评价了不同种植期后的界面结合强度。结果表明周后未处理的沉积有热 解碳的石墨种植体表现出最大的剪切结合强度周后结果表明结合强度没有显著差异 组织学评价表明无处理的热解碳具有数量更多的骨接触 采用类成骨细胞在不同粗糙的碳碳复合材料表面体外培养证实光滑表面的碳碳复合材料更有利于成骨细胞的初始粘附、增殖成骨细胞形貌更 接近 基片的形貌。机械性能对骨组织响应的影响植入材料的弹性 模量和界面力学方式决定着种植体能否降低应力屏蔽效应达到可接受的生理应力状 态以利于周围骨组织重建恢复受损部位的功能。 种植体而言由于两者弹性模量较高致使顶部骨组织所受应力较小损失较多严重危及长期植入效果。另外值得注意的是在热解碳种植体与骨界面处纤维结缔组织发 生率较高。作者认为这除了与碳材料的生物惰性性质有关外可能是由于所设计的齿 种植体存在过生理应力造成周围骨组织不能快速重建【。骨种植体界面能否有效地 传递应力是决定种植是否成功的关键之一。除了采用骨成键固定方式外通过形成生 物固定即形成可使骨组织长入材料内部的孔隙也是实现界面有效传载的另一途径。 对多孔金属人工关节、陶瓷人工骨而言研究表明当其孔径为“ 之间时可显著地促进组织长入但只有孔径超过 时才有利于骨芽细胞形成和骨组织长入。但对于碳碳复合材料而言由于它的模量与皮质骨相当两者间几乎不产生微动因而即使在表 面小于 的微孔内骨组织仍能长入。片山等将具有微框架结构表面层的碳碳种植体植入猿的下颌骨中年后连同牙槽骨一起切断进行 射线纤维照相和扫描电镜观察 结果表明在层中芯部可见生体组织明显石灰化、骨化。正是由于骨组织能够长入孔 径更小的孔隙致使材料与骨组织结合力能够达到显著提高效果【。图中各种人工骨 材料制成的成犬股骨植入后拔出强度与植入时间的关系图明显反映了这一点。碳材 料植入体的力学性能能否保持也是值得探讨盏茎 烯腈碳纤维增强酚醛树脂基碳材料植入成年新西兰雄性白兔大腿骨骨干皮质骨两侧个月后测试表明种植体压缩强度明显降低组织观察表明宿主组织侵入了碳基体之中 且细胞可促使这种材料形成新的孔洞。在后续的报道中观察到热解碳涂覆的聚丙烯 腈碳纤维增强沥青基碳材料也出现基体被宿主组织取代的现象且与材料的结晶度和 孔隙率无关【 也证实沥青碳毡基碳碳复合材料处在降解现象在几种碳碳复合材料中气相渗热解碳基复合材料最适合于髋关节置换【】。以上这 些结论表明并非所有的碳材料适合作为骨替换材料深入研究碳材料制备工艺、结构 与骨组织响应的关系寻求合适结构的医用碳材料仍是今后需要解决的重点课题之 一。综上所述碳材料与骨组织响应体现出生物碳材料如下几个特点碳材料对骨及周 围组织刺激小无炎症和毒副作用纤维结缔组织包裹在碳材料周围是普遍现象但随着 植入时间增加纤维结缔组织可以减少或消除碳材料种类多骨植入响应过程复杂植入 期不同、植入部位不同骨接触率不同同时骨接触率受表面化学、物理、理学性能以 及植入部位和植入期的影响所以所有的碳材料都不能达到百分之百的骨接触率骨组 的碳材料孔隙中碳材料有可能污染所植入的生物体组织碳材料不能够引导或诱导骨发生和形成即不具有骨组织再生能力。医用碳碳复合材料生物活 性改性当代生物材料设计的基本原理要求材料具有诱导组织再生的功能以便充分利 用人体自我康复能力。对于骨替换材料而言材料除了要求具有组织相容性和力学相 容性外还需要赋予其生物活性以便在体 万方数据稀有金属材料与工程卷内引导 或诱导成骨细胞生长加速新骨形成通过骨的自身修复过程实现病变或缺损骨的修 复。因而充分利用碳碳复合材料的组织和力学相容特点赋予生物惰性碳材料以生物 活性成为研制新一代骨替代材料的必然趋势。就现状而言基体改性和涂覆涂层是碳 碳复合材料生物活性改性研究的两种主要途径。基体改性是利用碳碳复合材料的多 孔特性通过工艺在开孔孔隙中或碳基体中填充生物活性物质或者在前驱体中掺入生 物活性物质如并在随前驱体转变为碳材料后镶嵌在碳基体中。郑岳华等将生物玻璃 和浆体分次在超重力场作用填充入碳碳材料表面的孔隙内然后通过真空烧结获得了 改性的复合种植体体内实验证实经这种方式改性的碳碳复合种植体具有骨引导特性 锘钚涂层是赋予机械性能优良的生物惰性材料与骨成骨性结合的重要途径。所开发的生物活性材料体系中羟基磷灰石的组成、结 构与骨中无机盐相近具有引导和诱导骨再生功能及骨性结合能力且在非骨环境中仍 可诱导骨发生和形成因此是碳碳复合材料表面生物活性改性研究的热点涂层材料之 一。例如 采用化学液相沉积技术将磷酸钙颗粒喷涂到加热至碳碳复合材料基体上制备了厚度为几个微米的含镁钙磷涂层但涂层的均匀性较差且不能 完全覆盖在碳碳表面 等通过接枝聚乙二醇和磷酸化作用在三维碳碳表面形成了层胶原磷灰石涂层【】。 等则将碳碳复合材料表面涂覆层含氧化钙组元的硅凝胶然后在模拟体液中进行仿生沉积制备了羟基磷灰石涂层【。国内早在年曾 燮榕采用等离子喷涂工艺在沥青基碳碳复合材料表面喷涂上层厚 的羟基磷灰石与未涂覆试样对比表明具有的试样可加速新骨形成诱发新骨向碳碳复合材料表面孔 隙生长能在短时间内与生物体软硬组织形成紧密结合缩短愈合期 。彭先高等用含 羟基磷灰石的树脂混合液与碳纤维或预氧丝混合制成浆体包覆在碳碳材料表面随后 进行烧结制备出含羟基磷灰石涂层的复合材料【】。付涛等则用工艺在碳碳复合材 料表面先覆着层氧化钛层然后用碱热处理溶液浸泡在表面继续沉积了层类骨磷灰石 晶体【 。目前国内外开展的这些研究还都处于涂层制备工艺方面对涂层的结合性 能、内环境稳定状况等都未作深入报道。为了缓和生物活性陶瓷与碳碳复合材料热 膨胀系数不匹配问题西北工业大学碳碳复合材料课题组报道了以生物惰性碳化硅作 为缓冲层的思想在利用高温涂层技术的基础上获得了不仅具有良好结合而且能够保 持原有力学性能的生物玻璃涂层碳碳复合材料„。医用碳碳复合材料表面生物活性涂 层结构实施思路碳碳复合材料热膨胀系数 低与目前已有的生物活性陶瓷性质相差 很大且呈各向异性同时耐酸耐碱温度超过时易氧化受工艺制约它而且是种多孔材 料。碳碳复合材料这些自身固有的特征及体内骨组织响应特性决定了碳碳复合材料 表面生物活性体涂层结构应与其它材料不同。钛合金表面活性涂层体内植入经验表 明植入体失效出现在涂层与金属的界面上。造成涂层植入体失效的原因是多方面的 如涂层的自身稳定性晶体成分和结构问题、工艺问题、涂层内应力问题、涂层结构 问题等等归结起来就是解决体内涂层与基体的界面稳定性问题。参照这一经验考虑 到应增加碳材料表面的耐磨性以阻止表面碳粒子逆出防止污染组织所以碳碳复合材 料表面生物活性涂层应由阻挡碳粒子逆出的硬质阻挡层和不降解生物活性层组成。 根据这一原则以及现有的生物活性陶瓷材料体系笔者认为涂层结构可有如下几种形 式内层由掺杂或表面改性的硬质热解碳或类金刚石层构成外层由生物活性钙磷层构 成且钙磷层能够覆着在孔隙的内层。这种结构设计不仅保证了外层引导或诱导骨组 织生长并能长入内部达到满足结合力的要求而且当外层在内环境中溶解后骨组织能 与改性的内层实现骨性结合。内层由梯度过渡硬质生物相容性陶瓷层构成如碳化硅 层等外层由生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷构成。该涂层结构设计方案可消除生 物玻璃及玻璃陶瓷与碳碳复合材料热膨胀系数不匹配难题而且通过高温化学反应还 可使外层与过渡层间成化学健合。外层为生物活化金属内层为所用金属与碳反应形 成的硬质过渡层。生物材料界研究表明钛表面的二氧化钛层是致密的钝化层诱导磷 酸盐沉积的能力极差甚至不能诱导致使钛及其合金表面形成骨整合。如果经过适当 处理使表面钛或钛的氧化物生物活化则能与骨 万方数据期熊信柏等医用碳材料 对骨组织的响应及其生物活化改性?组织形成骨性结合。一般认为是由于表面的 钛羟基 在起作用【】。除了金属钛以外金属钽、锆也具有这一特性【。生物材料界称之为“金属生物活化”。以上提及生物活性涂层结构便是受这种概念启发。实 现碳材料金属生物活化的工艺原理可概括为首先在碳材料表面制备可生物活化的金 属或其氧化物并且在金属与碳碳基体界面附近同时能原位形成缓和 不匹配的生物 惰性碳化物过渡层或者先制备生物惰性碳化物梯度过渡层然后再在其表面制备可生 物活化的金属或氧化物外层最后通过处理和模拟液浸泡工序使金属直接或间接转变 为富含羟基的金属溶胶后溶液中的钙磷离子能够沉积在它表面形成磷酸钙层。这种AG平台真人 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