表面涂層技術在人工髖關節領域的應用現狀及評價方法（原創2018-06-21CMDE中國器審）

01前言

人工關節是為替代已失去功能的關節而設計的一種人工器官，目前應用于臨床的包括：人工髖關節、人工膝關節、人工肩關節、人工肘關節、人工踝關節等[1]。2014年，我國的人工關節置換術總量已達近40萬例，其中近60%為人工髖關節置換。人工髖關節置換術是治療股骨頭壞死、髖關節發育不良、退變性髖骨關節炎、類風濕性關節炎等疾病終末期病變的最重要和最有效的手術之一[2]，其良好的臨床效果為越來越多的中青年患者在治療上提供了更多的選擇。年輕患者活動能力強、假體期望壽命長，對于中青年患者初次THA術中通常使用的初始穩定性好、骨長入效果更佳的生物固定型假體。生物固定型全髖關節置換的臨床療效通常被認為與假體初始固定、表面涂層、假體材質、以及關節摩擦界面等因素密切相關，其中與假體初始固定密切相關的表面涂層狀態至關重要[3]。

人工全髖關節假體通常包含：股骨柄、股骨頭、髖臼內襯、髖臼杯；股骨頭通常為CoCrMo或高性能陶瓷制成，髖臼內襯通常為超高分子量聚乙烯、高交聯超高分子量聚乙烯或高性能陶瓷制成；生物型股骨柄通常選取彈性模量較低、生物相容性好的Ti6Al4V合金為基體，柄身部分結合多孔涂層；生物型髖臼杯通常選取Ti6Al4V合金或純鈦為基體，外側結合多孔涂層。

生物型髖關節中的多孔涂層由圓鈦珠、鈦粉、磷酸鈣陶瓷等通過相應工藝制備，多孔涂層的制備方法包括：高溫燒結或擴散連接、等離子噴涂、電泳沉積等。

圖1?不同尺寸燒結珠多孔涂層示意圖

1980年，Bobyn等人通過燒結工藝制備不同孔隙直徑的多孔涂層(如圖1所示)，以研究不同孔徑對植入物多孔表面骨長入效果（如圖2所示）和固定強度的影響，結果表明孔徑在50-400μm范圍的多孔涂層可以在短時間（8周）提供最佳或最大的固定強度（17MPa）[4]。

圖2?剝離試驗帶有宿主骨的植入物TEM照片

多孔涂層的空間三維結構具有較高的孔隙率、理想的孔徑、較高的摩擦系數及較低的彈性模量，這些特性可增加骨長入的速度和深度以及改善初始的穩定性，使植入物具有更好的骨整合和生物固定效果，各大關節廠商和加工服務提供商紛紛推出自己的多孔涂層產品，如圖3中a)、b)所示，常見的涂層類型包括金屬燒結多孔涂層、等離子噴涂金屬多孔涂層、等離子噴涂磷酸鈣涂層、金屬/磷酸鈣復合涂層等。

a）Depuy公司的Gription涂層（采用圓鈦珠打底，表面燒結不規則鈦顆粒）

b）Orchid公司的ASYMMATRIX涂層

圖3?多孔涂層形貌圖近年來增材制造技術也在該領域凸顯優勢，可由鈦合金粉末通過高能束加工實現髖臼杯杯體與外側多孔結構的短流程、近終形的制備，國內已上市產品如愛康公司的3D打印髖臼杯[5]，如圖4所示。

圖4愛康公司的3D打印髖臼杯

02髖關節多孔涂層的評價

對髖關節涂層的評價應遵循國內外相關的指南文件[7,8]，國際、國內及行業標準進行，如無特別聲明，對涂層的評價項目均針對最終產品，當產品因無法取樣用于測試時，方可選取相同工藝的試件。制造商應制定原材料的規范，如基體的材料牌號及符合的標準、表面粗糙度等信息；鈦及鈦合金粉末參照ASTMF1580標準規定粉末化學成分、雜質含量、顆粒大小、粒徑分布等信息，羥基磷灰石參照ASTMF1185標準及YY0303標準規定顆粒的化學成分、重金屬含量、HA的含量、Ca/P比、顆粒大小、粒徑分布等信息，β-磷酸三鈣參照ASTMF1088標準規定顆粒的化學成分、重金屬含量、β-磷酸三鈣的含量、Ca/P比、顆粒大小、粒徑分布等信息。

制造商應明確噴涂、燒結、電泳沉積等制備涂層的工藝方法，以及后處理措施，如用于改善噴涂之后HA結晶度和純度的退火或固溶處理的詳細過程等。

2.1涂層成分及體視學評價

制造商應關注涂層和基體的化學成分和顯微組織（晶粒尺寸、相組成等）經加工前后的變化，尤其是工藝過程中引入的雜質元素；并充分參考現有國際國內標準及文獻資料。以羥基磷灰石涂層為例，按照ISO13779-2標準《外科植入物羥基磷灰石第2部分羥基磷灰石涂層》的要求，應進行元素分析，其Ca/P比的范圍介于1.67-1.76之間，重金屬元素的極限含量如表1所示：

表1?磷酸鈣涂層重金屬元素的極限含量元素元素最大含量/(mg/kg)As3Cd5Hg5Pb30總的重金屬含量（以鉛計）50

在結晶相中，羥基磷灰石結晶相含量不少于50%，α-TCP、β-TCP,TTCP、CaO結晶相允許的最大含量為5%；羥基磷灰石的結晶度不低于45%。涂層的表面形貌與假體初始固定和后期骨長入效果密切相關，制造商應明確涂層層數、孔徑范圍和粗糙度，規定對涂層厚度、孔隙率、平均孔隙截距、涂層界面梯度的要求，并參照ASTMF1854標準的方法制定評價指標。

2.2?涂層機械性能評價

髖關節表面涂層優良的機械性能可以應對人體在活動中的力學挑戰，以保證產品植入身體后的安全性和有效性。常見的涂層機械性能測試方法包括：涂層的剪切疲勞試驗、涂層靜態剪切強度測試、涂層與基體間拉伸強度測試、彎曲疲勞試驗、涂層磨耗試驗。通過系列試驗可確定不同材料、表面條件、應力等因素下涂層服役的可靠性。涂層的剪切疲勞試驗可參照ASTMF1160標準，其目的是確定涂層在107次正應力循環下的抗疲勞性能，以及涂層的結合強度和耐久性。制造商應根據涂層類型，參照同類產品及標準制定涂層的剪切疲勞強度，如ISO13179-1標準中規定等離子噴涂純鈦涂層107次正應力循環下的疲勞剪切強度為10MPa。涂層靜態剪切強度測試參照ASTMF1044標準，評價連續磷酸鈣總的重金屬含量（以鉛計）50涂層或金屬涂層對于基體的剪切力或剪切后平行于水平面的涂層間的結合力。制造商應根據涂層類型，參照同類產品及標準制定涂層的剪切強度，如FDA關于指南文件中規定，金屬涂層與基體結合界面的靜態剪切強度不低于20MPa。涂層靜態拉伸強度測試參照ASTMF1147標準，評價連續磷酸鈣涂層或金屬涂層對于基體的附著力或涂層間的結合力。制造商應根據涂層類型，參照同類產品及標準制定涂層的拉伸強度，如FDA關于指南文件中[9]規定，金屬涂層與基體結合界面的靜態拉伸強度不低于22MPa；ISO13779-2標準中規定，羥基磷灰石涂層與基體的粘結強度不低于15MPa。彎曲疲勞試驗可評價基體結合涂層后的耐疲勞性能，也可為涂層粘結效果（即抗破碎、抗裂紋等）提供一個主觀評價，進而評價涂層制備工藝及參數的合理性。試驗方法可參照ASTMF1160標準，磷酸鈣涂層、金屬多孔和非多孔涂層、金屬/磷酸鈣均可進行該試驗。涂層的耐磨性試驗按照ASTMF1978標準進行磨耗試驗，利用H-22的輪子裝載泰伯磨損機，并使用250g的總負荷，每個樣品應當運行至少100個周期。熱噴涂涂層在磨損100個周期后，其質量損耗的總值應當小于65mg（按重量計）。

2.3?涂層穩定性及耐腐蝕性評價

對于磷酸鈣類涂層，還應按照ASTMF1926標準，對噴涂后的涂層的溶解度和溶解速率進行試驗，研究其在TRIS緩沖溶液中的體外溶解特性[10]，并與噴涂前的顆粒溶解特性相對比。除關注涂層的機械性能外，還應關注其耐腐蝕性能，已有研究證實Ti6Al4V合金其中的V、Al是對生物體有潛在毒副作用的元素[11]，特別是V的生物毒性要超過Ni/Cr，如出現過度腐蝕，會導致腐蝕產物進入人體組織，引起嚴重周圍組織毒性反應，導致植入假體松動及翻修。對于基體和涂層的成分不同金屬等離子噴涂涂層，由于不同金屬間的腐蝕電位不同，可能引起電偶腐蝕；電子束熔融增材制造的產品，垂直于打印方向的面上的鈦合金由于α+β相界面積大，α相含量較高，且優先被溶解，造成其開路電位、腐蝕電位和鈍化電流密度較低，耐腐蝕性較鍛件有所下降[12]。制造商在開發涂層產品時，如預期匹配的組合沒有骨科植入物領域的成功應用，應在產品上市前認真評估其風險,除關注不同材質界面間是否存在腐蝕現象和使用電化學法確定腐蝕電位（Ecorr）及腐蝕速率（Icorr）外，還應進行產品的金屬離子析出試驗，測定離子析出濃度并進行安全性評價。

2.4?涂層生物相容性評價

人工髖關節假體上的涂層，應按照GB/T16886系列標準進行生物學評價，必要時開展生物學試驗，試驗項目如下表2所示。

表2?GB/T16886系列生物學試驗序號檢測項目依據標準判定依據1細胞毒性試驗GB/T16886.5細胞毒性不大于1級2遲發型超敏試驗GB/T16886.10應無遲發型超敏反應3遺傳毒性試驗Ames試驗哺乳動物細胞體外基因突變試驗哺乳動物體外細胞染色體畸變試驗GB/T16886.3供試品應對鼠傷寒沙門氏菌無誘變性供試品不引起培養的哺乳動物細胞基因突變供試品不誘發培養的哺乳動物細胞染色體畸變4急性全身毒性試驗GB/T16886.11應無急性全身毒性5亞慢性全身毒性試驗GB/T16886.11應無臨床毒性癥狀；與對照組比較，無明顯病理改變，試驗組和對照組之間體重、器官重量、血液學、臨床化學等指標應無明顯的毒性反應6骨植入試驗GB/T16886.61w/4w/12w/26w試驗周圍組織反應刺激等級應為無刺激活輕微刺激7皮內反應試驗GB/T16886.10試驗樣品組與溶劑對照組平均計分之差不大于1.0如果多孔涂層在成分、相組成、形態學等方面與已上市涂層產品無可比性，還應通過動物實驗及適當的組織學分析，證明其在體內的骨長入效果（長入深度、結合強度）或是是否會引起周圍組織的損傷。

03涂層工藝的評估

制造商除對涂層的成分、微觀組織、機械性能、生物學性能等進行研究外，還應評估涂層工藝對產品力學性能的影響進行充分評估。以高溫燒結產品為例，涂層制備需要在高溫環境中長時間加熱促進涂層與基體的冶金結合，高溫環境會使基體晶粒長大，顯微組織為粗大的網籃狀組織和魏氏組織，燒結態股骨柄力學性能顯著降低[13]。為保證人工髖關節類產品的安全有效性，制造商除可按照ASTMF1160標準進行試件彎曲疲勞試驗以評價基體結合涂層后的耐疲勞性能，還應提供應選取其燒結產品部件中的“最差情況”按照ISO7206系列標準進行產品的疲勞試驗，如根據ISO7206-4進行股骨柄的柄部疲勞試驗；根據ISO7206-6進行股骨柄的頭頸部疲勞試驗；按照ISO7206-12標準進行金屬髖臼抗變形試驗。

04結語

隨著臨床醫學和材料科技的進步，表面涂層技術在關節假體領域得到了成功應用，業界和監管機構也將更多的關注涂層在關節臨床中的應用與評價。隨著基礎研究與臨床應用結合的不斷加快，未來將會涌現出新的多孔涂層產品，除本文中提及的方法外，將會有更多與之相適應的方法應用于涂層評價。因此需要加強基礎研究能力，制定科學的技術指標和試驗方法，以確保產品的安全有效性，同時也為注冊申報提供充分的支持性數據。

參考文獻

1.人工關節外科學[M].呂厚山.科學出版社.1998:10-13.

2.人工髖關節置換術的現狀與熱點[J].王俏杰，張先龍.中華關節外科雜志.2015(6):718-724.

3.金曄，孫俊英，鄭鴻鳴，等.Tri-Lock骨保留型股骨柄假體的設計特征與臨床應用[J].中國組織工程研究，2012，16(9)：1530-1533.

4.JDBobyn，RMPilliar.Theoptimumporesizeforthefixationofporous-surfacedmetalimplantsbytheingrowthofbone.ClinicalOrthopaedics&RelatedResearch,1980,150(150):263-270.

5.徐輝.3D打印假體在人工關節置換中的應用［J/CD］．中華損傷與修復雜志:電子版，2016，11(4):244-247.

6.王彩梅,張衛平,李志疆.3D打印在醫療器械領域的應用.生物骨科材料與臨床研究:2013,10(6):26-28.

7.《人工髖關節假體注冊審查技術指導原則》.北京：國家食品藥品監督管理總局(2017年第23號).

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9.GuidanceforIndustryontheTestingofMetallicPlasmaSprayedCoatingsonOrthopedicImplantstoSupportReconsiderationofPostmarketSurveillanceRequirements;CDRH,FDA,January4,2000.

10.馬春寶,李沅,景明,樊鉑.復合磷酸鈣顆粒溶解性能測試研究.