醫用金屬材料具有高強韌性、耐疲勞、易成形和耐腐蝕性等優良性能，既是臨床應用最廣泛且用量最大的主要生物醫用材料，更是需要承受較高載荷的骨、齒等硬組織以及介入治療支架的首選植入材料。而納米醫用金屬材料具有更好的耐蝕性和生物相容性。本文總結了近年臨床常用的醫用金屬材料通過表面納米化處理帶來的性能改變與提升，并對納米醫用金屬材料目前存在的問題與發展前景進行討論。
引用本文： 周文昊, 張偉, 霍望圖, 盧金文, 曾德鵬, 于振濤, 余森. 典型醫用金屬材料表面納米晶化的生物學性能研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2021, 35(3): 303-306. doi: 10.7507/1002-1892.202009084 復制
生物醫用材料是用于器官或者組織檢測、診斷、修復和替換的一類功能材料，按照基本組成成分可以分為醫用金屬材料、醫用陶瓷材料和醫用高分子材料[1-2]。其中，醫用金屬材料因具有高強韌性、耐疲勞、易成形和耐腐蝕性等優良性能，在臨床獲得廣泛應用，根據能否在體內環境下降解，其又分為不可降解金屬材料（鈦合金、不銹鋼等）和可降解金屬材料（鎂合金、鋅合金等）[3]。不可降解金屬材料通常為生物惰性材料，例如骨科鈦基植入物，而該類材料植入體內失敗的一個重要原因就是其表面惰性引起的骨整合不良[4]。可降解金屬材料在體液環境中容易釋放有毒、有害物質，從而導致機體出現過敏、免疫排斥反應等，甚至危害生命健康[5]。如何改善和提高醫用金屬材料的生物學性能成為當下研究熱點。
醫用金屬材料植入人體后，首先是材料表面與生物環境發生一系列相互作用，因此材料表面的生物活性（表面形態、微觀結構、成分和特性）在對生物環境的響應中起著重要作用，這些特性影響蛋白質吸附，從而介導細胞在醫用金屬材料表面黏附和后期分化等生物功能[6]。醫用金屬材料表面的研究已成為生物材料和生物醫學工程領域最熱門的主題之一。眾多表面技術中，納米技術可以改善醫用金屬材料的諸多性能，比如提高金屬的表面力學性能、生物學性能，改善金屬植入物的服役行為和使用壽命等[7-9]。目前常用的表面納米化技術包括滑動摩擦技術、機械研磨處理、表面噴丸處理等。現對利用表面納米化技術制備的納米不銹鋼、鈦合金、鎂合金、純鉭的生物學性能研究進展作一綜述，并討論納米醫用金屬材料目前存在的問題與發展前景。
1 納米不銹鋼生物學性能
Balusamy 等[10]通過不同參數的機械研磨處理技術對 AISI 409 不銹鋼進行表面納米化改性，并對其在 NaCl 溶液中的電化學行為進行了分析。結果發現表面機械研磨處理參數適當（由處理引起的微應變和缺陷密度較小）時，獲得的樣品有著更高的腐蝕電位以及更低的腐蝕電流密度，耐腐蝕性顯著提升。Hajizadeh 等[11]對生物級 316L 醫用不銹鋼粗晶（晶粒度約 80 μm）和納米晶（晶粒度約 78 nm）樣品的生物學行為進行了表征與評價。通過在模擬體液中的電化學腐蝕實驗，發現與粗晶樣品相比，納米晶樣品的腐蝕速率更低，而且納米晶樣品的腐蝕電流密度降低了 86.5%，耐腐蝕性也有明顯改善。細胞培養實驗也顯示納米晶樣品有著更好的生物活性[11]。
上述研究提示，納米級不銹鋼人體植入物的抗氯離子點蝕能力更好，納米晶樣品的高位錯密度促進了鉻（Cr）元素向晶界的擴散，在表面形成一層富 Cr 的鈍化膜，從而大大提升了材料耐腐蝕性，降低金屬離子的釋放速度，進而降低了植入物引發的炎癥、感染和過敏性疾病發生概率。
2 納米鈦合金生物學性能
2.1 納米純鈦
粗晶純鈦的顯微結構呈等軸組織，平均晶粒度為 42 μm。經過滑動摩擦處理后的納米晶純鈦其顯微組織細化至納米級，平均晶粒度<100 nm。納米晶純鈦的平均粗糙度和平方粗糙度分別為 6.15、4.23 nm，遠高于粗晶純鈦的 3.80、2.16 nm。因此，納米晶純鈦具有較強的親水性。動態極化曲線顯示兩者呈現類似的鈍化區域，但與粗晶純鈦相比，納米晶純鈦表現出相對較高的腐蝕電位（?0.56 V）和較低的腐蝕電流密度（0.548 μA/cm2）。Nyquist 曲線顯示納米晶純鈦表現出較高的模值和相位角，表明其具有優異的電化學耐腐蝕性能；而且粗晶和納米晶組織呈現相似的電容曲線，主要由線性部分和圓弧部分組成。較高的相位角和鈍化膜阻抗值均證實納米晶組織極大地提高了合金的耐腐蝕性能[12]。
2.2 納米 Ti-6Al-4V 合金
粗晶和納米晶 Ti-6Al-4V 合金的 X 射線衍射圖譜顯示后者半高峰較寬，分析是由于 Ti-6Al-4V 合金在組織細化過程中形成了納米晶和發生了晶格畸變[13]。粗晶 Ti-6Al-4V 合金的顯微組織由等軸 α 相和少量的晶間 β 相組成，等軸 α 相的平均晶粒度為 5～10 μm，體積分數占有率約為 87.50%。納米晶 Ti-6Al-4V 合金中等軸 α 相的平均晶粒度<100 nm，納米層厚度約為 20 μm。動態極化曲線顯示納米晶 Ti-6Al-4V 合金有著較高的腐蝕電位、較低的腐蝕電流密度，以及較大的極化電阻，耐腐蝕性顯著提高。
細胞毒性實驗顯示[13]，培養 3、7、14 d 時納米晶 Ti-6Al-4V 合金表面的細胞顯著多于粗晶 Ti-6Al-4V 合金，表明表面納米化顯著改善了 Ti-6Al-4V 合金的生物相容性。粗晶 Ti-6Al-4V 合金表面接觸角為（72.4±3.6）°，納米晶 Ti-6Al-4V 合金為（40.8±2.1）°，納米晶表面由于具有較高的親水性從而促進了細胞的黏附與增殖，使得 Ti-6Al-4V 合金的體外生物相容性明顯改善。
3 納米鎂合金生物學性能
滑動摩擦處理可在鎂合金 AZ31 表層形成等軸納米晶粒，最表層平均晶粒度約為 70 nm，納米晶表層厚度約為 70 μm，變形層厚度>800 μm[14]。變形層第二相得到明顯細化，且分布更均勻。同時，滑動摩擦處理獲得的納米晶表面基面織構較處理前明顯增強。電化學及浸泡實驗均表明納米晶鎂合金的耐腐蝕性較粗晶明顯提升，這得益于晶粒細化、基面織構增強及粗大第二相的破碎。鎂合金的生物相容性與其耐腐蝕性息息相關，耐腐蝕性優良的鎂合金材料具有良好的生物相容性，實驗顯示粗晶和納米晶鎂合金的浸提液均能促進 MC3T3-E1 細胞的增殖，但 3 d 培養結果表明納米晶鎂合金浸提液的毒性遠小于粗晶鎂合金浸提液。
4 納米純鉭生物學性能
利用滑動摩擦技術在粗晶純鉭表面獲得了晶粒度<20 nm 的納米晶，模擬體液中電化學測試（開路電位、極化曲線、阻抗譜）發現納米晶純鉭耐腐蝕性較粗晶純鉭顯著提升，原因是納米晶表面生成了更厚的鈍化膜[15]。此外，本團隊研究發現納米晶純鉭的高表面能和親水性極大促進了 hFOB1.19 細胞的黏附、增殖及分化等生物學行為的改善。
5 納米醫用金屬材料生物相容性
表面納米化對醫用金屬材料耐腐蝕性和生物學性能的提升顯而易見。對于不可降解的醫用不銹鋼、純鈦及其合金，與粗晶相比，納米晶具有更好的親水性能和蛋白吸附性能，具有優異的電化學耐腐蝕性能和鈍化行為，同時材料的生物學性能得到極大改善，細胞在材料表面黏附、鋪展和增殖良好。對于可降解的醫用鎂合金，與粗晶相比，納米晶顯著提高了金屬基底的耐腐蝕性能和生物相容性，成骨細胞在表面呈現良好的增殖和分化趨勢。這些結果與既往研究發現的超細晶或納米晶材料具有優異耐腐蝕性能結果一致[16-17]。耐腐蝕性的提高可以歸因于醫用金屬表面上自發形成的保護性鈍化膜。通常，鈍化膜優先生長在表面活性部位，由機械加工方法制備的納米結構表面恰好提供了大量具有高活性的位錯和晶界，使得納米晶表面上的保護性鈍化膜更厚、更致密、更均勻且缺陷更少[18]，該鈍化膜在提高耐腐蝕性方面起主導作用。
值得注意的是，經表面納米化處理的樣品顯著促進了蛋白質吸附和成骨細胞增殖，這說明優異的耐腐蝕性能還可以在一定程度上避免與釋放醫用金屬中存在的有毒元素（例如釩、鎂和鋁）有關的不利影響，并創建更穩定的微環境，從而有利于細胞底物的細胞功能表達。
6 納米醫用金屬材料存在的問題與發展前景
由于醫用金屬材料表面納米晶結構可以改善材料的力學性能、耐腐蝕性能和生物學性能，有效解決了金屬材料植入中的實際問題，因此具有廣闊應用價值和前景[15, 19]。例如，對于醫用鈦及其合金，表面惰性是限制其應用的主要問題，而納米晶相對于粗晶的生物活性大大提高，細胞在其表面也呈現良好的黏附和增殖行為[20-21]；對于醫用鎂合金，降解速率過快是限制其應用的主要原因，而納米晶表面提高了基底的耐腐蝕性能，降低了鎂合金的降解速率[22-23]。
然而，納米醫用金屬材料仍存在以下問題，限制了材料的廣泛應用。① 如何制備厚度適宜的納米晶層。目前已有的表面納米化技術制備的納米晶層厚度通常在 100 μm 以內，而納米晶層厚度與材料的力學性能和耐腐蝕性能密切相關，因此急需新的工藝制備厚度適宜的納米晶層。② 如何在復雜結構表面構建納米晶層，目前基于 3D 打印的金屬多孔材料是生物植入領域研究熱點，如何在此類復雜結構金屬材料的表面構建納米層成為挑戰。③ 設計具有溶解能力的納米晶層，醫用金屬表面的納米晶層應當具有一定溶解能力，例如骨科植入物表面涂層溶解速率與骨沉積的速率相似時，才能實現植入體表面與骨的良好接觸和整合，因此需要提高納米晶層的溶解能力。④ 納米晶層在體內的生物學性能需要進一步深入研究。目前對于納米晶層在體內的生物學行為及其相互作用機制缺乏深入研究，因此需要一系列大動物和人體植入試驗來揭示納米晶層對細胞生命行為的影響，甚至更深入地研究其對基因表達的影響。
作者貢獻：周文昊、于振濤、余森負責綜述構思及設計；余森、盧金文、曾德鵬負責觀點形成；張偉、霍望圖負責資料收集；周文昊、張偉負責文章撰寫。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。經費支持沒有影響文章觀點。
生物醫用材料是用于器官或者組織檢測、診斷、修復和替換的一類功能材料，按照基本組成成分可以分為醫用金屬材料、醫用陶瓷材料和醫用高分子材料[1-2]。其中，醫用金屬材料因具有高強韌性、耐疲勞、易成形和耐腐蝕性等優良性能，在臨床獲得廣泛應用，根據能否在體內環境下降解，其又分為不可降解金屬材料（鈦合金、不銹鋼等）和可降解金屬材料（鎂合金、鋅合金等）[3]。不可降解金屬材料通常為生物惰性材料，例如骨科鈦基植入物，而該類材料植入體內失敗的一個重要原因就是其表面惰性引起的骨整合不良[4]。可降解金屬材料在體液環境中容易釋放有毒、有害物質，從而導致機體出現過敏、免疫排斥反應等，甚至危害生命健康[5]。如何改善和提高醫用金屬材料的生物學性能成為當下研究熱點。
醫用金屬材料植入人體后，首先是材料表面與生物環境發生一系列相互作用，因此材料表面的生物活性（表面形態、微觀結構、成分和特性）在對生物環境的響應中起著重要作用，這些特性影響蛋白質吸附，從而介導細胞在醫用金屬材料表面黏附和后期分化等生物功能[6]。醫用金屬材料表面的研究已成為生物材料和生物醫學工程領域最熱門的主題之一。眾多表面技術中，納米技術可以改善醫用金屬材料的諸多性能，比如提高金屬的表面力學性能、生物學性能，改善金屬植入物的服役行為和使用壽命等[7-9]。目前常用的表面納米化技術包括滑動摩擦技術、機械研磨處理、表面噴丸處理等。現對利用表面納米化技術制備的納米不銹鋼、鈦合金、鎂合金、純鉭的生物學性能研究進展作一綜述，并討論納米醫用金屬材料目前存在的問題與發展前景。
1 納米不銹鋼生物學性能
Balusamy 等[10]通過不同參數的機械研磨處理技術對 AISI 409 不銹鋼進行表面納米化改性，并對其在 NaCl 溶液中的電化學行為進行了分析。結果發現表面機械研磨處理參數適當（由處理引起的微應變和缺陷密度較小）時，獲得的樣品有著更高的腐蝕電位以及更低的腐蝕電流密度，耐腐蝕性顯著提升。Hajizadeh 等[11]對生物級 316L 醫用不銹鋼粗晶（晶粒度約 80 μm）和納米晶（晶粒度約 78 nm）樣品的生物學行為進行了表征與評價。通過在模擬體液中的電化學腐蝕實驗，發現與粗晶樣品相比，納米晶樣品的腐蝕速率更低，而且納米晶樣品的腐蝕電流密度降低了 86.5%，耐腐蝕性也有明顯改善。細胞培養實驗也顯示納米晶樣品有著更好的生物活性[11]。
上述研究提示，納米級不銹鋼人體植入物的抗氯離子點蝕能力更好，納米晶樣品的高位錯密度促進了鉻（Cr）元素向晶界的擴散，在表面形成一層富 Cr 的鈍化膜，從而大大提升了材料耐腐蝕性，降低金屬離子的釋放速度，進而降低了植入物引發的炎癥、感染和過敏性疾病發生概率。
2 納米鈦合金生物學性能
2.1 納米純鈦
粗晶純鈦的顯微結構呈等軸組織，平均晶粒度為 42 μm。經過滑動摩擦處理后的納米晶純鈦其顯微組織細化至納米級，平均晶粒度<100 nm。納米晶純鈦的平均粗糙度和平方粗糙度分別為 6.15、4.23 nm，遠高于粗晶純鈦的 3.80、2.16 nm。因此，納米晶純鈦具有較強的親水性。動態極化曲線顯示兩者呈現類似的鈍化區域，但與粗晶純鈦相比，納米晶純鈦表現出相對較高的腐蝕電位（?0.56 V）和較低的腐蝕電流密度（0.548 μA/cm2）。Nyquist 曲線顯示納米晶純鈦表現出較高的模值和相位角，表明其具有優異的電化學耐腐蝕性能；而且粗晶和納米晶組織呈現相似的電容曲線，主要由線性部分和圓弧部分組成。較高的相位角和鈍化膜阻抗值均證實納米晶組織極大地提高了合金的耐腐蝕性能[12]。
2.2 納米 Ti-6Al-4V 合金
粗晶和納米晶 Ti-6Al-4V 合金的 X 射線衍射圖譜顯示后者半高峰較寬，分析是由于 Ti-6Al-4V 合金在組織細化過程中形成了納米晶和發生了晶格畸變[13]。粗晶 Ti-6Al-4V 合金的顯微組織由等軸 α 相和少量的晶間 β 相組成，等軸 α 相的平均晶粒度為 5～10 μm，體積分數占有率約為 87.50%。納米晶 Ti-6Al-4V 合金中等軸 α 相的平均晶粒度<100 nm，納米層厚度約為 20 μm。動態極化曲線顯示納米晶 Ti-6Al-4V 合金有著較高的腐蝕電位、較低的腐蝕電流密度，以及較大的極化電阻，耐腐蝕性顯著提高。
細胞毒性實驗顯示[13]，培養 3、7、14 d 時納米晶 Ti-6Al-4V 合金表面的細胞顯著多于粗晶 Ti-6Al-4V 合金，表明表面納米化顯著改善了 Ti-6Al-4V 合金的生物相容性。粗晶 Ti-6Al-4V 合金表面接觸角為（72.4±3.6）°，納米晶 Ti-6Al-4V 合金為（40.8±2.1）°，納米晶表面由于具有較高的親水性從而促進了細胞的黏附與增殖，使得 Ti-6Al-4V 合金的體外生物相容性明顯改善。
3 納米鎂合金生物學性能
滑動摩擦處理可在鎂合金 AZ31 表層形成等軸納米晶粒，最表層平均晶粒度約為 70 nm，納米晶表層厚度約為 70 μm，變形層厚度>800 μm[14]。變形層第二相得到明顯細化，且分布更均勻。同時，滑動摩擦處理獲得的納米晶表面基面織構較處理前明顯增強。電化學及浸泡實驗均表明納米晶鎂合金的耐腐蝕性較粗晶明顯提升，這得益于晶粒細化、基面織構增強及粗大第二相的破碎。鎂合金的生物相容性與其耐腐蝕性息息相關，耐腐蝕性優良的鎂合金材料具有良好的生物相容性，實驗顯示粗晶和納米晶鎂合金的浸提液均能促進 MC3T3-E1 細胞的增殖，但 3 d 培養結果表明納米晶鎂合金浸提液的毒性遠小于粗晶鎂合金浸提液。
4 納米純鉭生物學性能
利用滑動摩擦技術在粗晶純鉭表面獲得了晶粒度<20 nm 的納米晶，模擬體液中電化學測試（開路電位、極化曲線、阻抗譜）發現納米晶純鉭耐腐蝕性較粗晶純鉭顯著提升，原因是納米晶表面生成了更厚的鈍化膜[15]。此外，本團隊研究發現納米晶純鉭的高表面能和親水性極大促進了 hFOB1.19 細胞的黏附、增殖及分化等生物學行為的改善。
5 納米醫用金屬材料生物相容性
表面納米化對醫用金屬材料耐腐蝕性和生物學性能的提升顯而易見。對于不可降解的醫用不銹鋼、純鈦及其合金，與粗晶相比，納米晶具有更好的親水性能和蛋白吸附性能，具有優異的電化學耐腐蝕性能和鈍化行為，同時材料的生物學性能得到極大改善，細胞在材料表面黏附、鋪展和增殖良好。對于可降解的醫用鎂合金，與粗晶相比，納米晶顯著提高了金屬基底的耐腐蝕性能和生物相容性，成骨細胞在表面呈現良好的增殖和分化趨勢。這些結果與既往研究發現的超細晶或納米晶材料具有優異耐腐蝕性能結果一致[16-17]。耐腐蝕性的提高可以歸因于醫用金屬表面上自發形成的保護性鈍化膜。通常，鈍化膜優先生長在表面活性部位，由機械加工方法制備的納米結構表面恰好提供了大量具有高活性的位錯和晶界，使得納米晶表面上的保護性鈍化膜更厚、更致密、更均勻且缺陷更少[18]，該鈍化膜在提高耐腐蝕性方面起主導作用。
值得注意的是，經表面納米化處理的樣品顯著促進了蛋白質吸附和成骨細胞增殖，這說明優異的耐腐蝕性能還可以在一定程度上避免與釋放醫用金屬中存在的有毒元素（例如釩、鎂和鋁）有關的不利影響，并創建更穩定的微環境，從而有利于細胞底物的細胞功能表達。
6 納米醫用金屬材料存在的問題與發展前景
由于醫用金屬材料表面納米晶結構可以改善材料的力學性能、耐腐蝕性能和生物學性能，有效解決了金屬材料植入中的實際問題，因此具有廣闊應用價值和前景[15, 19]。例如，對于醫用鈦及其合金，表面惰性是限制其應用的主要問題，而納米晶相對于粗晶的生物活性大大提高，細胞在其表面也呈現良好的黏附和增殖行為[20-21]；對于醫用鎂合金，降解速率過快是限制其應用的主要原因，而納米晶表面提高了基底的耐腐蝕性能，降低了鎂合金的降解速率[22-23]。
然而，納米醫用金屬材料仍存在以下問題，限制了材料的廣泛應用。① 如何制備厚度適宜的納米晶層。目前已有的表面納米化技術制備的納米晶層厚度通常在 100 μm 以內，而納米晶層厚度與材料的力學性能和耐腐蝕性能密切相關，因此急需新的工藝制備厚度適宜的納米晶層。② 如何在復雜結構表面構建納米晶層，目前基于 3D 打印的金屬多孔材料是生物植入領域研究熱點，如何在此類復雜結構金屬材料的表面構建納米層成為挑戰。③ 設計具有溶解能力的納米晶層，醫用金屬表面的納米晶層應當具有一定溶解能力，例如骨科植入物表面涂層溶解速率與骨沉積的速率相似時，才能實現植入體表面與骨的良好接觸和整合，因此需要提高納米晶層的溶解能力。④ 納米晶層在體內的生物學性能需要進一步深入研究。目前對于納米晶層在體內的生物學行為及其相互作用機制缺乏深入研究，因此需要一系列大動物和人體植入試驗來揭示納米晶層對細胞生命行為的影響，甚至更深入地研究其對基因表達的影響。
作者貢獻：周文昊、于振濤、余森負責綜述構思及設計；余森、盧金文、曾德鵬負責觀點形成；張偉、霍望圖負責資料收集；周文昊、張偉負責文章撰寫。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。經費支持沒有影響文章觀點。