發布日期：2024-11-24 12:01:16
醫用鈦合金以其良好的生物相容性、高比強度和低彈性模量以及在生物環境下優良的耐腐蝕性等優點，在臨床上已成為廣泛的植入材料[1-3]，如骨科硬組織、口腔以及顱頜面骨等部位的重建與修復[4,5]。對于結構復雜的鈦合金骨科植入物制造，傳統的減材制造技術，難以實現骨組織的結構和生物力學的重現。隨著計算機輔助設計技術的日趨完善，3D打印技術與之結合，能夠針對人體骨組織不同缺損部位和形狀制造出具有復雜形狀和微孔特征的植入物，對骨科鈦基醫用金屬植入物而言，解決了“形”和“孔”的難題，從而實現植入物形狀和骨長入性能與宿主骨的適配，因此自3D打印鈦合金植入物上市以來，在骨科領域發揮著越來越重要的作用[6-8]。3D打印醫用鈦合金植入物多孔結構可以促進骨組織的長入，不僅能夠加強植入物與骨組織的生物固定，還可能使應力沿植入物向周圍骨傳遞[9-11]。Schmidt等[12]研究表明，在三維多孔結構中的細胞，將會促進孔隙內的組織分化，并指出三維多孔結構更有利于干細胞向成骨細胞而非纖維細胞的分化，3D打印多孔鈦合金的表面形貌對成骨細胞的粘附、增殖以及骨膠原基質的沉積具有積極的作用。由于以上優勢，3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金植入物已經在關節、骨盆腫瘤和脊柱疾病等治療上應用，在臨床上已經取得了顯著療效[13-16]。
3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金植入物除了良好的骨長入性能外，要保證其良好的臨床效果還依賴于其與組織器官的反應處于可接受水平。特別是三維多孔結構增大了植入物的比表面積，因多孔結構造成暴露于體液介質的表面積增大，三維貫通的孔隙結構引起縫隙腐蝕概率更高，導致比傳統的實體鈦合金更易析出具有潛在毒性的Al/V等金屬離子。Jonitz等[17]通過體外靜態細胞試驗研究了3D打印多孔鈦合金的生物相容性，結果顯示在磨損過程中釋放出V離子，誘導活性自由基的釋放，從而對細胞的存活產生不利的影響。已有研究證實Al/V是對生物體有潛在毒副作用的元素，特別是V的生物毒性要超過Ni/Cr[18]，因此，減少或避免3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金植入物的金屬離子析出，是進一步提高3D打印鈦合金植入物安全有效性的有力措施。
KGulati等[19]利用陽極氧化技術在3D打印的鈦合金表面形成二氧化鈦，與傳統的鈦材料相比，用人成骨細胞檢測該3D打印鈦合金植入物的骨整合特性顯示成骨細胞的粘附力增強。因此，陽極氧化可以提高醫用鈦合金的生物相容性。已有的研究結果表明，傳統的鈦合金經過陽極氧化，能夠大大提高植入物的耐腐性，也在一定程度上能夠解決Al/V等金屬離子析出的問題[20,21]。雖然陽極氧化在傳統的鈦合金骨科植入物上廣泛應用，但陽極氧化的3D打印多孔鈦合金骨科植入物研究與產品的臨床應用報道并不多見。
因此研究陽極氧化的3D打印多孔醫用Ti-6Al-4V鈦合金的性能變化，尤其是離子析出特性，對于豐富3D打印醫用鈦合金基礎研究資料，以及開發相應的植入器械具有重要指導意義。本文以電子束熔融技術打印的多孔Ti-6Al-4V鈦合金為例，采用著色陽極氧化工藝在3D打印多孔鈦合金表面制備氧化膜，研究了陽極氧化前后的3D打印多孔鈦合金顯微組織結構和表面形貌變化，重點探討了陽極氧化表面處理前后在Hank′s模擬體液中的離子析出行為。
1、材料與方法
1.1多孔Ti-6Al-4V鈦合金著色陽極氧化
試驗采用電子束熔融設備（Arcam，Q10plus）打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金，成分符合GB/T13810-2017[22]規定，尺寸為φ10mm×10mm，通過Magics軟件對多孔鈦合金的表面積進行測算，表面積約為15cm2，多孔結構的絲徑約為600μm，孔徑約為750μm，孔隙率約為65%。樣件經過丙酮清洗、純化水超聲清洗、干燥后進行著色陽極氧化。著色陽極氧化在0.6mol/L硫酸溶液中進行，以樣件作為陽極，不銹鋼作為陰極，在電壓20V時，對樣件氧化5min后取出。將陽極氧化表面處理的樣件記為AIPS10/10型，作為試驗組，未做處理的記為IPS10/10型，作為對照組。
對樣件采用體積比為3∶7∶90的氫氟酸、硝酸和水的混合溶液進行腐蝕，并借助Axiovert200MAT/Zeiss光學顯微鏡進行顯微組織的觀察。采用JSM-IT300掃描電鏡觀察樣品表面形貌并進行能譜分析。
1.2金屬離子析出試驗
以Hank′s人工模擬體液作為浸提液，按照空白組（未加入鈦合金樣件）、對照組（加入3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金樣件IPS10/10）和試驗組（加入經著色陽極氧化3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金樣件AIPS10/10）分類，將浸提液按照樣品表面積與浸提溶液體積1∶1的比例添加至離心管，密封放置在37℃的恒溫保溫箱（生產企業：上海一恒，型號：LRH-250），設定浸提時間為1d，1周，3周和5周。
每組樣品到達浸提時間后，采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，Agilen，7800）測定Al離子、V離子和Ti離子的濃度。
2、結果
2.1多孔Ti-6Al-4V鈦合金著色陽極氧化
3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金陽極氧化前后的樣件如圖1所示，左側銀灰色柱狀多孔樣件為3D打印完成后的鈦合金樣件IPS10/10，在光學照片下可以看到多孔結構；右側紫紅色柱狀樣件為經過著色陽極氧化后的3D打印多孔鈦合金樣件AIPS10/10，可以看到氧化前后對產品的宏觀形貌沒有改變。
2.2顯微組織
圖2所示為3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金陽極氧化前后的金相組織照片。3D打印的多孔Ti-6Al4V合金的組織為α+β相，如圖2（a）和圖2（b）中所示，連續的晶界α相清晰可見，其間有片層狀的β相。經過陽極氧化后，如圖2（c）和圖2（b）所示，多孔鈦合金顯微組織與氧化前基本一致，均為等軸晶的α+β相，晶粒較為粗大，相鄰α相片層組織之間存在尺寸很小的β相，存在部分等軸晶和連續的晶界α相。由此說明陽極氧化對3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金的顯微組織結構沒有影響，雙相鈦合金的組織結構沒有變化。Ti-6Al-4V是代表型的α+β兩相鈦合金，合金的微觀組織特征決定了合金的力學性能，3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金陽極氧化前后顯微組織一致，因此作為植入物的3D打印多孔合金的力學性能亦不會發生變化。
圖3（a）和圖3（b）所示為3D打印多孔Ti-6Al4V鈦合金陽極氧化前后的SEM照片，從圖中可以看出陽極氧化前后，多孔鈦合金絲徑形貌與尺寸未發生明顯變化，多孔結構的絲徑和孔徑未受到影響。
3D打印多孔鈦合金表面熔融的鈦合金球形顆粒，經過陽極氧化后仍然存在。表1為對應的陽極氧化前后多孔鈦合金表面的元素含量。
2.3金屬離子析出
圖4和圖5為3D打印多孔鈦合金陽極氧化前后，在不同浸提時間時Al和V離子的析出濃度（Al：3.6μg/L，V：0.4μg/L）。對照組在第1天時Al離子析出濃度為12.9μg/L，隨著浸提時間的增加，Al離子持續析出，在第1周和第3周時，相對于第1天析出量明顯升高，浸提時間到第5周時，Al離子析出濃度達到54.6μg/L。在測試的浸提時間點，對照組中V離子的析出量均顯著高于試驗組。浸提3周時，對照組的V離子析出濃度達到最大值7.9μg/L，約為試驗組的10倍。整個測試周期內，試驗組浸提液的V離子濃度最低為0.4μg/L，最大值為0.9μg/L，且在每個浸提測試點的測試值均小于對應的空白組測試值。鈦合金陽極氧化在表面生成TiO2氧化膜，穩定的TiO2中Ti離子的析出量極為稀少，因此在浸提測試中，試驗組和對照組中均未檢測到Ti離子析出。
3、討論
3.1組織結構
通過對著色陽極氧化樣品的宏觀和顯微組織觀察，表明著色陽極氧化不會改變3D打印多孔鈦合金的結構和顯微組織，從而保持其原有的力學性能。
與常規機加工鈦合金經著色陽極氧化后的表現一致[23]，3D打印的多孔鈦合金陽極氧化后其表面元素種類未發生變化，為Ti、O、V、Al，未引入非基體元素，但氧元素含量明顯升高，高于氧化前的兩倍。這是因為3D打印的多孔Ti-6Al-4V鈦合金經過陽極氧化后，表面形成一層更為致密、均勻、透明的氧化膜[24]，膜層主要成分為TiO2。
3.2金屬離子析出
3D打印多孔Ti-6Al-4V合金作為材質的人工髖關節、人工膝關節和脊柱植入物等假體越來越多的應用于臨床[13-16]，Al作為Ti-6Al-4V合金中α相穩定元素，V作為β相的穩定元素已成為保證植入力學性能中不可或缺的元素。但是Al和V具有潛在毒性，Al為非人體必需的微量元素，且Al與老年癡呆癥有密切關系，Al離子的析出可能引起神經紊亂和貧血等不良癥狀，因此在生物醫學材料中應避免該元素的存在。Hanawa等[25]研究了40余種金屬離子在纖維原細胞和成骨細胞中的毒性大小，發現V離子的毒性較大；V對生物體內腎、肝、骨、脾等器官具有毒性作用。李雪峰等[26]研究了3D打印多孔Ti6Al-4V中Ti、Al、V在動物體內的析出行為，檢測了實驗動物外周血、肝、腎及肌肉組織中的Ti、Al、V金屬離子濃度，結果顯示動物體內Ti、Al、V的析出量無顯著差異，析出的金屬離子以Al為主，Ti和V析出量較少，均為微克級，遠低于犬骨髓基質干細胞培養液中金屬離子濃度，證實了3D打印多孔Ti6Al-4V合金幾乎不會影響周邊細胞粘附及增殖，提示其具有良好的生物相容性。但是該研究同時說明在外周血中Al離子濃度隨著時間延長逐漸升高，Al離子的變化強烈提示了3D打印Ti-6Al-4V在選擇基材時應對鋁離子加以關注，動物體內Al離子的存在是否導致進一步的毒理病理變化，需要進一步分析。
本文擬通過對多孔Ti-6Al-4V合金進行陽極氧化處理的手段，進一步減少3D打印多孔鈦合金中的Al/V離子的析出，從而降低Al和V離子析出的潛在毒性風險。根據相關論著[26,27]研究表明常規機加工工藝的鈦合金表面形成的氧化膜利于細胞附著生長，同時保護基體避免腐蝕，本次試驗通過對3D打印多孔鈦合金進行陽極氧化處理，根據金屬離子析出實驗結果，陽極氧化后的多孔鈦合金樣品的浸提液中，Al離子和V離子濃度與未進行陽極氧化的樣品浸提液中離子濃度相比，有所降低，也證實陽極氧化能夠降低基體腐蝕。其中Al離子濃度在整個測試周期內幾乎沒有明顯變化，Al離子的釋放濃度與空白組的測試值差異無統計學意義。陽極氧化的3D打印多孔鈦合金中的V離子在模擬體液中幾乎不析出。Ti離子在
整個浸提過程中均未檢測到。
因此對3D打印多孔鈦合金進行陽極氧化，是有效避免Al/V金屬離子析出，防止金屬離子析出導致毒理病理變化的可行方案，對目前3D打印多孔Ti6Al-4V合金植入器械的陽極氧化處理，是進一步提高植入假體安全性的有益途徑。
4、結論
（1）著色陽極氧化的3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金仍然為α+β雙相結構，與氧化處理前的顯微組織特征一致，陽極氧化不影響3D打印多孔Ti6Al-4V的顯微組織結構，因此不會對合金的力學性能造成影響。
（2）著色陽極氧化的3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金表面形貌未發生變化，也不會對多孔結構的絲徑和孔徑造成影響。表面元素主要為Ti、O、Al和V，陽極氧化未引入非基體元素，由于表面形成TiO2膜，表面成分中O的含量增加。
（3）與陽極氧化前的3D打印多孔Ti-6Al-4V合金相比，著色陽極氧化多孔Ti-6Al-4V鈦合金在Hank's模擬人工體液中Al/V離子的析出量顯著降低，幾乎避免了金屬離子的析出。對3D打印多孔Ti-6Al-4V鈦合金進行陽極氧化處理是降低或避免Al/V離子析出的有效途徑，是進一步提高3D打印鈦合金骨科植入物安全性的可行措施。
5、致謝
感謝國家骨科與運動康復臨床醫學研究中心創新基金重點項目（23-NCRC-CXJJ-ZD1-1）提供的資金支持。
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