引言：全关节置换术（Total joint replacement，TJR）被认为是治疗晚期关节炎、关节功能丧失等关节类疾病最有效和最终的治疗方式。全关节置换术是指采用具有良好耐磨、耐腐蚀且生物安全性高的材料，根据人体关节的形态、构造及功能制成人工关节假体，通过外科技术植入人体内，代替患病关节功能，达到缓解关节疼痛，恢复关节功能的目的[1-2]。目前，主要的关节假体植入体均采用具有较高力学性能和生物安全性的金属材料，如CoCrMo和钛合金等。此类金属关节假体在人体内服役时，往往与人体组织产生不同的接触形式，进而在关节假体设计生产时进行分别考虑。以髋关节为例，骨柄部位需要骨组织直接接触，在植入后需要有较好的骨长入效果；而球头部位需要面临长时间的摩擦磨损和生物腐蚀过程，需要具有极高的抗磨蚀和生物安全性。而单一金属植入物表面本身无法具备多种特性。因此，利用先进的表面处理技术，针对金属关节假体的不同接触部位的服役特性，形成具有表面局部功能特异性的关节假体，是设计生产高质量关节假体的必经之路。

从关节假体置换后的失效形式来看，目前造成植入后关节失效的原因有无菌性松动、感染和假体摩擦副磨损失效三类。理想的关节假体应该具备良好的促进骨整合，防止细菌粘附感染以及优异的抗磨蚀性能。因此，不同类型的表面技术被尝试应用于假体的表面改性以提高其表面性能。本文将从失效形式入手进行分析，然后给出针对性的表面改善技术。通过本文的介绍，以期对表面涂层技术在骨科关节假体领域的应用现状有初步简单的了解和认识。

一、以提高骨整合能力为目的涂层技术

以钛合金人工关节的骨柄部位为例，其在植入后需要与周围骨组织长期共存。由于其表面形成的氧化钛钝化膜具有极高的致密性和化学惰性，因此其在人工中具有良好的生物安全性。但是其骨整合能力较差，这就导致其在植入初期由于微动作用而导致无菌性的松动。因而通过表面涂层技术，在此类接触部位形成具有促骨整合能力的表面是解决无菌性松动的可行技术路线。常用的技术有表面涂层技术、促骨形成功能性生物分子涂层材料涂覆以及表面织构构建等方法。

1.1羟基磷灰石涂层

羟基磷灰石（也称为羟基磷灰石钙）是人体和动物骨骼的主要无机成分。它是一种天然矿物，其成分类似于骨中的矿物质。它能与机体组织在界面上实现化学键性结合，其在体内有一定的溶解度，能释放对机体无害的离子，能参与体内代谢，对骨质增生有刺激或诱导作用，能促进缺损组织的修复，显示出生物活性。羟基磷灰石涂层假体被广泛应用于改善金属假体的骨传导性。研究表明，机羟基磷灰石粉末在假体表面上自发形成体外和体内生物活性骨样磷灰石层。这层羟基磷灰石层作用于假体和组织之间的界面，能够促进与骨组织的化学和生物性结合[3]。因此，生物材料直接与骨结合的基本先决条件是当假体植入后，其表面上形成磷灰石层。假体-组织界面的蛋白质吸收触发成骨细胞生成“新的成骨细胞”，从而再生新的骨组织，这样就能有效的避免假体-骨组织直接形成分离的界面，进而有效提高假体与骨组织的整合能力，防止假体植入后的无菌性松动。

1.2生物分子涂层

具有特定生物功能学的生物分子涂层，能够通过提高骨的形成能力，进而提高植入体的材料界面与周五骨组织的整合能力。其中典型的有细胞外基质，RGD肽以及生长因子涂层等。其中，细胞外基质具有成骨细胞功能介质的作用，包括附着、分化和细胞外基质的分泌等作用；而人造肽RGD具有良好的细胞粘附作用，能够通过整合素来促进成骨细胞的粘附。生长因子能够为它们能够靶向特定的细胞受体，并能够主动触发各种细胞过程。如骨形成蛋白-2是最有效的骨诱导因子，它能够参与不同阶段的骨修复进程。

1.3表面织构构筑

骨细胞的生长分化与其生长接触表面的形态学具有重要的关联，因此通过植入物假体表面构筑微米甚至纳米尺度的结构能够改善成骨细胞的相互作用，并且同时能够具备抗菌的效果。例如，通过在金属关节假体表面构筑多孔结构，增加表面积和孔隙度可以改善骨内生长和骨与植物假体之间的表面制造锚状的结构。这类结构形貌以及二次相互连接的孔隙涂层在体外和大的动物体内研究中显著改善了植入物固定和骨内生长并降低了微动幅度。具体方法有酸蚀（化学法）和高能激光刻蚀等

二、以提高抗菌性的涂层技术

提高假体的抗感染能力，主要通过破坏细菌的生存环境以及使用抗菌涂层材料两个技术方式实现。降低细菌的粘附特性可以有效地降低生产、包装以及手术过程中的细菌携带量和杀菌效率；而制备抗菌涂层材料更能产生长效的抗菌效果。

2.1. 抗粘附涂层

植入物的表面特性，如表面粗糙度和化学性质，亲水性，表面能，表面电位和导电性在初始细菌粘附到植入物和随后的生物膜形成中起关键作用。一些聚合物涂层，如亲水性聚甲基丙烯酸，聚环氧乙烷或抗蛋白聚乙二醇可应用于钛植入物表面，并显着抑制细菌粘附[4]。即使这些涂层中的一些可能会损害局部成骨细胞功能，使用额外的生物活性分子如丝胶蛋白和RGD序列可以恢复甚至改善受损的细胞功能。疏水性和超疏水表面处理技术在临床前研究中也显示了很好的抗菌作用。

2.2.抑菌涂层

   抑菌涂层材料通过产生不利于或者破坏细菌生长繁殖的条件来达到抑制细菌生长的目的。例如二氧化钛纳米管涂层由于其特殊的微结构不仅可以促进骨整合，还可以通过其微结构进行负载一些具有杀菌效果的成分。如将锌负载到二氧化钛纳米涂层表面后，其不仅有利于促进骨形成，而且产生具有杀菌特性的金属离子[5]。依照上述思路，能够产生相同功效的涂层体系还有具有广谱杀菌特性的含银、铜等元素组成的涂层材料。此外直接使用抗生素涂层也能直接产生快速的杀菌效果。基于药物载体的药代动力学结果显示，抗生素涂层允许持续释放抗生素，能够在手术后持续产生杀菌抑菌的效果[6]。此外，具有活性抗菌性的甲壳素聚合物也在最近的临床研究中进行了验证，初期体外实验表明壳聚糖-酪蛋白磷酸肽涂层可为钴基骨科植入物提供抗微生物益处。但是单独的壳聚糖目前研究发现并不能产生长效的抗菌效果。

三、以提高抗磨蚀性能的涂层技术

当关节假体植入后与关节软骨或者聚合物关节摩擦配副在长期磨损中必然面临严重的摩擦磨损和腐蚀的考验，具有长效抗磨蚀特性的关节摩擦界面是保障关节植入后具有长寿命的关键。目前，钴铬钼合金常作为关节摩擦球头的主要材料，全关节置换时常用超高分子聚乙烯材料作为配副材料。近年来，具有良好生物安全性的钛合金关节球头逐渐开始应用。但受限于钛合金本身较低的硬度，其在摩擦过程中极易发生磨损，所产生的磨削容易在周围组织聚集并可能导致炎症的发生。因此，在钛合金表面制备抗磨蚀涂层是获得高寿命关节的关键。目前常用的抗磨蚀涂层材料有非晶碳基涂层和氮化物陶瓷涂层两类。在国外，艾恩邦德、Aesculap(蛇牌)等公司为代表的企业开发了诸多系列的氮化物和碳基涂层膝关节、髋关节产品（如下图所示），并已在临床推广应用超过10万例，显示出了良好的应用效果。

[1]卢承印, 张来福, 王朋涛等, 中国医药导刊, 2021, 23(2):5.

[2] 魏晨旭, 何怡文, 王聃等,中国组织工程研究, 2020, 24(10):7.

[3] Ke D X，Vu A A，Bandyopadhyay A，et al．Compositionally graded doped hydroxyapatite coating on titanium using laser and plasma spray deposition for bone implants［J］．Acta Biomaterialia，2019，84: 414－423．

[4] Schuler M, Owen G R, Hamilton D W, et al. Biomimetic modification of titanium dental implant model surfaces using the RGDSP-peptide sequence: A cell morphology study[J]. Biomaterials, 2006, 27(21): 4003-4015

[5] Alt V, Bitschnau A, Osterling J, et al. The effects of combined gentamicin-droxyapatite coating for cementless joint prostheses on the reduction of infection rates in a rabbit infection prophylaxis model [J]. Biomaterials, 2006, 27(26): 4627

[6] Ramalingam B, Parandhaman T, Das S K. Antibacterial Effects of Biosynthesized Silver Nanoparticles on Surface Ultrastructure and Nanomechanical Properties of Gram-Negative Bacteria viz. Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa [J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(7): 4963