據悉，來自韓國科學技術院(KIST)的一組研究團隊開發了一種技術，只需一個小時即可誘導人造骨涂層。這樣的工藝以前需要一天的時間，并且需要數十個步驟。而該新技術無需在單獨的過程中合成用于人造骨涂層的原材料，并且可以使用納秒級激光創建涂層，而無需任何昂貴的設備或熱處理。
基于鈦的骨固定裝置由于其優異的機械性能和生物相容性，通常被用來治療人的骨折。為了進一步增強骨傳導性能，鈦通常涂有羥基磷灰石(hydroxyapatite, HAp)，它是骨骼的主要無機成分。與沒有HAp涂層的材料相比，有HAp涂層的材料往往表現出更好的生物相容性、成骨能力和骨傳導性。各種HAp涂層方法包括溶膠-凝膠涂層、浸涂、電化學沉積、電泳沉積、等離子噴涂、濺射涂層、熱等靜壓和仿生涂層已經被開發出來了。但是，大多數現有方法都需要單獨的HAp涂層合成工藝。溶膠-凝膠、浸涂和仿生涂層工藝不需要初步合成工藝，但是它們需要耗時的反應，可持續數次天，并且由于它們較差的涂層粘附強度而難以在臨床實踐中使用。
在這項研究中，來自韓國科學技術院(Korea Institute of Science and Technology, KIST)的研究人員介紹了一種在單個工藝中同時合成和涂覆HAp以形成HAp的方法。該涂覆方法涉及在包含鈣和磷酸的前體溶液中將激光脈沖照射到浸沒的金屬或聚合物樣品上，從包含鈣和磷酸根離子的溶液中合成HAp，并且由于表面熔化同時形成涂層在經過激光處理的表面上。通過控制激光照射條件，觀察到了不同數量和厚度的HAp涂層。更重要的是，通過激光誘導單步涂層（LISSC）工藝形成的HAp層具有很高的涂層強度，足以用于醫療用途。
▲激光誘導單步涂層誘導羥基磷灰石合成，HAp-基底混合熔融層和HAp涂層形成過程的示意圖。在圖中，綠色和紅色圓圈表示“ Ca2 +”和“ PO43”。離子。圖片來源：韓國科學技術院（KIST）
使用納秒激光在一步工藝中進行HAp合成和涂覆
▲圖解：a）用改良的磷灰石涂層溶液（MACS）和納秒激光通過激光誘導單步涂層（LISSC）工藝在鈦表面形成的羥基磷灰石涂層示意圖。b）羥基磷灰石（HAp）涂層表面的橫截面的SEM圖像。c）在MACS溶液中通過激光輻射形成羥基磷灰石核和涂層的示意圖。d）在各種激光條件下經過表面處理的樣品的光學圖像，以及在激光處理中使用的“激光束路徑”。e）在激光發射條件下具有受控量的羥基磷灰石形成的涂層的SEM圖像。f）根據激光發射條件比較HAp形成面積（％）。“ P”和“ L”分別表示電源和環路。數據代表平均值±s.d。
為了證實LISSC方法為何能提供涂層的高粘合強度，研究人員使用透射電子顯微鏡（TEM）進行了結構和元素分析（下圖a）。涂層由三層組成：1）HAp位于上側，主要由鈣和磷組成；2）鈦位于下側（下圖b）；3）在HAp-鈦界面處觀察到的中間層，其中HAp和鈦成分混合并同時出現（下圖c-e和圖S9）。可以注意到，中間層提高了涂層強度。
▲圖解：a）用于分析涂層結構的樣品制備過程的示意圖。b）HAp涂層橫截面的BSE圖像（紅色虛線-TEM分析區域）。c）元素映射結果的示意圖。d）使用TEM-HAADF進行橫截面電子顯微鏡圖像和元素圖分析。e）合并元素映射結果。
圖S9. 表面涂層的橫截面TEM分析圖像。使用HAADF進行元素映射和合并圖像（左下）
通過實驗，韓國科學技術院生物材料中心的Hojeong Jeon博士的研究小組宣布，他們開發的人工骨涂層，其粘附強度是傳統涂層材料的三倍。
這種新方法形成比目前臨床應用的少數人工骨涂層技術具有更強結合力的涂層。該工藝不僅在金屬表面但是甚至在諸如整形外科塑料植入物的聚合物材料的表面上，這在傳統工藝中是不可能的。
▲圖解：a）用于評估每個表面上細胞粘附的示意圖。b）附著在Ti，P10-L50和P10-L100表面的成骨細胞的熒光顯微鏡圖像; 核（藍色），F-肌動蛋白（橙色）。
為了減少工藝中涉及的步驟數量并確保堅固的涂層，Jeon博士的團隊將要涂層的材料放置在含有鈣和磷（骨骼的主要成分）的溶液中，并用激光照射。在激光器的目標位置以局部方式升高溫度，引起涉及鈣和磷的反應，從而生成陶瓷人造骨（羥基磷灰石）并形成涂層。
與傳統的涂層方法不同，人造骨成分的合成是通過激光誘導的，并且將基材表面加熱到熔點以上。人造骨材料吸附在融化的表面上并變硬，從而使結合強度最大化。
Jeon博士說：“使用納秒激光的羥基磷灰石涂層方法是一種在非生物活性材料（如通常用作生物材料的鈦和PEEK）中誘導生物活性的簡單方法。我預計它將通過改變它而改變游戲規則將廣泛應用于需要骨整合的各種醫療設備?！?/p>
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