生物医用钛基合金表面低温等离子体聚合纳米化改性及其生物相容性研究

医用金属材料在矫形外科，人体硬组织修复与替换，医疗器械领域得到广泛的应用。然而金属材料在人体环境下有害金属离子（例如高浓度钴、铝、钒，镍离子）的析出以及排异反应对病人是一个潜在的威胁。本项目拟研究在常用生物医用钛基合金表面进行非视线性等离子体浸没离子注入改性处理，在其表面制备一层可控的纳米结构的聚合物改性层，一方面抑制有害金属离子的析出，减少排异反应，同时研究表面离子注入形成的纳米结构聚合物对蛋白质受体粘附的影响从而探索其对细胞粘附，分裂及生长行为的影响机制。本项目将分析新型离子源例如丙烯胺、丙烯酸的等离子体注入对钛基生物材料表面纳米层与金属基体之间的结合力的影响，表面纳米层及离子注入引入的氨基和羧基基团对亲水性、生物活性、细胞粘附的影响，并进行动植入试验,分析离子注入纳米聚合物层表面的新生骨组织的形态，从而揭示低温等离子聚合改性层提高医用钛基合金生物相容性的机理.

随着人类进入高龄化步伐的加快、骨质疏松病人的增多、各类意外创伤的增多, 人们对外科植入体的需求正在激增。生物医用金属材料由于高的强度、韧性、耐磨性，已广泛应用于临床硬组织植入体，例如人工髋关节、脊柱侧弯矫形、人工接骨板、医用螺钉等等。目前主要有不锈钢、钴铬系列合金和钛基系列合金等三大类，这些生物医用金属材料在临床应用过程中也暴露出一系列表面问题：例如，界面腐蚀问题，表层金属离子溶出问题。这些表面问题会导致植入体微动、细胞毒性、组织炎症反应，从而最终导致金属植入体失效，从而需要二次手术增加病人痛苦。另外一个问题是表面生物活性问题。钛合金本身是一种生物惰性材料，不具备骨诱导性，且骨结合性差。在这样的背景下，我们通过对本项目的实施,运用低温等离子体聚合纳米化改性手段，引入非传统的离子源例如丙烯胺、丙烯酸等聚合物，通过脉冲射频等离子体注入在金属植入体表面引入氨基和羧基，创造表面纳米活性聚合物基团，控制表面纳米改性层的结构和厚度，创造更多的蛋白质受体接受的活性点从而提高生物相容性，制备梯度结构具有良好结合强度的表面改性层。一系列表面表针测试手段例如FTIR,EDS，FESEM 和AFM表明，纳米结构的聚合物基团能够很好地通过低温等离子体手段接枝聚合到钛合金表面，电化学腐蚀试验、表面接触角测试和金属离子溶出试验结果表明这种纳米聚合物改性层能够很好地提高钛合金表面的耐腐蚀性能、改善表面的亲水性能以及减少金属离子的析出浓度。体外生物活性测试以及细胞培养实验表明，这种低温等离子体聚合物改性层能够诱导SBF中磷灰石沉积同时促进成骨细胞的粘附、迁移、增殖和分化。动物体内植入实验表明，这种聚合物改性层不仅有利于加速骨组织在钛合金植入体表面形成，同时能够提高钛合金植入体的骨整合能力。本项目的研究成果将推动医用金属材料的表面纳米化、表面生物活性研究，从而促进钛基合金作为硬组织植入材料，特别是骨修复材料的广泛临床应用。