Page 33 - 《精细化工》2020年第7期
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第 7 期                    任   瑛，等:  类金刚石薄膜在人工关节摩擦副表面改性进展                                 ·1315·


            成和结构无明显的界面。目前，有许多技术应用于                             的细胞没有毒性作用。DLC 的生物相容性也可通过
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            聚合物表面沉积致密均匀的 DLC 薄膜，可提高                            改变碳的 sp /sp 比值，引入 Si、F、Ca 或 P，阳极
            UHMWPE 硬度，且 DLC 硬度和密度都可实现梯度                        和阴极官能团来提高         [35,53-54] 。LIAO 等 [35] 研究了不同
            化 [25-29] 。也有研究者在氧化铝陶瓷上采用电弧 PVD                    结构的 DLC 薄膜的生物相容性，发现低 sp /sp 的
                                                                                                      2
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            和等离子体增强化学气相沉积方法，选用钛或金属                             DLC 炎症反应较少，具有优异的成骨性和成纤维细
            氮化物作为过渡层，来提高陶瓷基底和 DLC 之间的                          胞反应。并具有更高的细胞生存力，更好的形态，
            结合力    [30] 。                                      以及较低的 TNF-α（肿瘤坏死因子-α）和 IL-6（白
                 这种梯度薄膜多界面结构较复杂且要实现功能                          介素-6）、较高的 IL-10（白介素-10）释放。结果表
            化，需要解决薄膜的成分、层数和厚度的选择，以                             明，DLC（低 sp /sp ）有利于细胞黏附和生长，因
                                                                              2
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            及不同薄膜沉积的次序、结构梯度化等问题。基于                             其具有更好的蛋白质吸附能力。Sulzer Cabo Medics
            元素掺杂、多相复合、非晶-纳米晶复合结构构建、                            和 St.Jude Medical 两家公司通过添加 Si 使得 Si-DLC
            微/纳界面织构优化等多尺度耦合设计来实现薄膜
                                                               的生物相容性得到提高。BOCIAGA 等               [33,54] 也证实
            材料多界面/多结构的跨尺度构筑，可能是获得强韧                            了 Si 的掺入改变了 DLC 涂层的生物功能，随着 Si
            性和低环境敏感性 DLC 薄膜的突破口                [31] 。近年来，
                                                               含量的增加涂层表面的极性和润湿性逐渐增加，从
            也有许多科学家通过采用先进的材料复合技术来降
                                                               而使细胞黏附和增殖得以增强。结果还表明，掺杂
            低 DLC 薄膜的内应力，提高膜-基结合力，如离子
                                                               Si 的 DLC 涂层的生物相容性保持在很高水平，且与 Si
            注入和等离子体增强气相沉积混合法、采用射频诱
                                                               含量无关。若在 DLC 薄膜中掺杂 Ag 纳米颗粒，结
            导和施加偏压等技术，可使薄膜之间的组成和结构                             果发现，Ag 纳米颗粒的分散可增强薄膜抗菌性能                    [14] 。
            无明显的界面       [32-34] 。
                                                                   对于人造关节的使用，不管是掺杂何种元素，

            3    生物相容性                                         该元素必须对人体无毒性，具有很好的生物相容性，
                                                               且所添加元素浓度都必须在一定范围内，过量都会
                 炎症反应轻和成骨细胞与成纤维细胞反应活跃                          对身体产生影响，甚至危及生命。当溶液中钨离子
            是优化骨科界面植入体的重要目标                 [35] 。据文献报道，       质量浓度高于 50  mg/L（正常血清中钨离子质量浓
            成骨（成骨细胞）、成纤维（成纤维细胞）和炎症反                            度为 0.0002 mg/L）时会引起血管平滑肌细胞、内皮
            应（巨噬细胞）是与人工关节界面有关的 3 种反应                           细胞和纤维原细胞毒性的提高。DLC 膜的材料特性
            类型   [36-37] 。在全关节置换术后的无菌松动过程中，                    可以直接影响生物相容性，可通过 DLC 与细胞之间
            由于组织排斥以及磨损颗粒的产生，使得炎症反应                             的相互作用性能来评估          [55-56] 。
            将立即发生在植入体与患者骨骼之间的界面处                      [38] 。
            之后的成骨细胞/破骨细胞分化比例的改变将抑制                             4  DLC 人工关节摩擦副
            骨组织再生      [39-41] 。此外，成纤维细胞反应与创伤修
            复和组织增生有关         [42] 。                                人工关节摩擦副是凸头-凹臼结构，通过关节头-
                 有关 DLC 的大多数生物相容性研究都是使用                        关节臼的相对运动分别实现关节旋转、转动和摆动
            a-C:H 涂层进行的，且是体外实验，证实其摩擦系                          等运动模式     [57] 。根据关节头-关节臼材质的不同，主
            数低，生物相容性好，在医用植入手术中具有很高                             要有 3 种人工关节：金属(或陶瓷)-聚乙烯（MOP 或
                                                                                                         [58]
            的应用潜力      [43-45] 。根据综述报道    [46] ，a-C:H 薄膜倾      COP）、陶瓷-陶瓷（COC）及金属-金属（MOM） 。
            向于促进细胞的生长和黏附，而不会引起任何毒理                             表 1 为传统人造关节优缺点的对比表。由表 1 看出，
            作用。近期，HAJDUGA 等          [47] 采用物理气相沉积方            陶瓷关节尽管具有优异的生物相容性和耐磨性，但
            法在 Ti-6Al-4V 型钛合金上制备 a-C:H 薄膜（维氏                   其韧性低难以普遍应用。与 MOP 关节相比，MOM
            硬度 75 GPa，摩擦系数为 0.1），并进行了体内测试。                     关节磨损率降低 2 个数量级，但是金属离子浓度高，
            体内实验选择 15 只兔子作为适合其生物相容性测                           会引起中毒现象。因此，市面上的人工关节绝大多
            试的对象，结果显示，没有发现感染或发炎的现象。                            数是 MOP 关节。
                 DLC 薄膜可能会影响细胞行为调节机理的因素                            DLC 薄膜组成摩擦副的关节主要是在 UHMWPE
                                                                                                          [57]
            包括成分、表面形态、离子掺杂和摩擦磨损等                     [48-52] 。  和金属上沉积DLC薄膜，可简写为DLC/P和DLC/M 。
            SALGUEIREDO 等    [24] 认为，中度亲水性表面比疏水                然后金属或 UHMWPE 与其形成配副，可分别标记
            性表面更有利诱导细胞反应，MG63 成骨细胞在                            为金属-聚乙烯（表面镀覆 DLC）摩擦副（M-DLC/P）、
            DLC 涂层上显示出较差的附着力，且该涂层对附着                           金属（表面镀覆 DLC）-聚乙烯摩擦副（DLC/M-P）、
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