骨修复用钛合金-羟基磷灰石复合材料的制备工艺及性能

钛合金-羟基磷灰石复合材料作为骨修复领域的重要研究方向，其核心价值在于结合了钛合金的力学优势与羟基磷灰石的生物活性。钛合金具备优异的机械强度和耐腐蚀性，可为骨缺损部位提供稳定支撑；而羟基磷灰石作为人体骨组织的主要无机成分（钙/磷比约1.67），能够通过羟基键合实现与自然骨的生物整合，并释放钙、磷离子促进骨再生。然而，单一羟基磷灰石存在脆性高、降解缓慢及骨诱导性不足等缺陷，需通过复合工艺优化性能。

（一）制备工艺

目前主流工艺分为物理法与化学法两类：

1.物理复合技术包括以下三种：

等离子喷涂：将羟基磷灰石粉末高温熔融后喷涂至钛合金表面，形成微米级涂层。该方法工艺成熟，但涂层易因热应力产生裂纹，且界面结合强度受限。

3D打印技术：通过选择性激光熔融（SLM）逐层构建多孔钛合金骨架，再通过浸渍或电沉积在孔隙内引入羟基磷灰石。该工艺可精确调控材料孔隙率（50–70%），模拟松质骨结构，促进细胞长入。

2.化学复合技术包括以下两种：

溶胶-凝胶法：在钛合金表面涂覆羟基磷灰石前驱体溶胶，经低温煅烧形成纳米晶涂层。此法可获得均匀的亚微米级复合层，但涂层厚度受限。

电化学沉积：在电解液中通过调控pH、电流密度等参数，于钛合金基底直接沉积羟基磷灰石晶体。该方法可实现低温操作，避免材料相变，但沉积速率与晶体取向控制难度较高。

（二）性能特征

1.生物相容性与骨整合能力：复合材料表面羟基磷灰石成分可模拟自然骨的无机环境，促进成骨细胞黏附与增殖。研究表明，其植入后能与宿主骨形成化学键合，减少纤维包裹。若引入天然聚合物（如胶原、壳聚糖）或合成聚合物（如聚乳酸）作为第二相，可进一步提升材料的细胞因子缓释功能及骨传导性。

2.力学性能优化：钛合金基底提供≥100 MPa的抗压强度，满足承重骨要求；羟基磷灰石涂层则通过表面生物活化增强界面结合。多孔结构设计（孔径300–500 μm）既可降低弹性模量至10–30 GPa（接近皮质骨），减少应力屏蔽效应，又为血管长入提供通道。

3.降解性能调控：单一羟基磷灰石降解周期过长（>2年），而复合聚合物后可通过调控聚合物分子量、结晶度等参数实现降解速率匹配骨生长速度（通常6–18个月）。降解产物中的钙磷离子可参与新骨矿化，避免局部毒性。

（三）现存挑战与展望

钛合金-羟基磷灰石复合材料在骨修复领域虽展现出显著优势，但其实际应用仍受限于两大核心瓶颈。

第一，界面结合强度的固有矛盾。钛合金与羟基磷灰石的热膨胀系数差异导致两者在热加工或服役过程中易产生界面应力集中，进而引发涂层剥离或微裂纹扩展。现有工艺如等离子喷涂虽能实现宏观结合，但界面处的物理结合机制难以抵御长期生理载荷的剪切作用；而化学沉积法虽可改善结合均匀性，仍受限于涂层厚度与晶体取向的调控精度。这一矛盾直接制约材料的长期稳定性，亟需通过界面结构的创新设计予以突破。

第二，骨诱导活性的功能性不足。羟基磷灰石虽能模拟骨的无机环境，但其本征骨诱导能力较弱，难以高效激活成骨细胞的生物学响应。当前提升活性的策略主要依赖外源生长因子（如BMP-2）的负载或表面生物分子修饰，但这些方法存在活性因子易失活、缓释不可控等风险。若缺乏对材料表面拓扑结构与化学信号的协同调控，复合材料的骨整合效率将难以匹配动态骨再生需求。

针对上述挑战，未来研究需聚焦以下三方面突破：

1.界面纳米化修饰：通过阳极氧化、溶胶-凝胶等技术在钛基体表面构建纳米级过渡层（如二氧化钛纳米管），利用其高比表面积和化学活性增强羟基磷灰石的锚定能力，同时缓冲热应力。进一步探索梯度复合界面，可实现力学性能与生物功能的渐进匹配。

2.降解-成骨耦联机制：引入可降解聚合物相（如聚乳酸、壳聚糖），通过调控聚合物分子链结构与复合比例，使材料的降解速率与新骨形成动态同步。重点研究降解产物（钙/磷离子、短肽等）对成骨分化的时序性调控规律，避免因局部离子过载引发的炎症反应。

3.临床标准化工艺开发：推动机械球磨-烧结、电化学沉积等工艺参数的标准化，确保材料批次间的结构一致性与性能重现性。同时需建立多级孔隙结构（宏孔-微孔）的精准控制体系，以满足血管化骨再生对三维空间构型的需求。

综上所述，唯有通过材料设计、生物学响应与工程化制造的深度交叉，方能推动该复合材料从实验室向临床应用的实质性跨越。

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。