骨科和脊柱医疗植入物的表面处理，对于各种美学和功能性的改善而言都是必需的。
2019年5月23日 | 刊于ODT 副主编：Sam Brusco
Titan Spine花费数年的时间研发了经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的专有nanoLOCK表面技术，该技术已被公司应用于椎间融合器。nanoLOCK表面技术通过在宏观、微观和纳米水平上整合了粗糙形貌，体现了自然骨骼上大量的微观和纳米水平特性。这促进了骨形态发生蛋白的自然生成，进而实现了更快、更强大的融合过程。在撰写本文时，nanoLOCK是第一个也是唯一的一个经由FDA批准的脊柱纳米级脊柱器械，并且是唯一一项被收录进医保和医疗补助服务中心（CMS）新技术代码的纳米纹理椎间融合器的技术。
去年五月，一篇支持nanoLOCK的研究的评论在SPINE杂志上发表，文中详细介绍了各种类型的脊柱植入技术之间的显著差异。包括通过增材（涂层或3D打印）方法、减材方法以及使用包括聚醚醚酮（PEEK）、钛和等离子喷涂组合材料在内的各种材料的开发。该评论指出，Titan Spine的钛纳米结构化表面通过公司专有的减法工艺设计而成，其可以直接与细胞相互作用，产生特定的细胞反应，进而促进骨骼生成，而这是多孔或微米级植入物表面难以企及的。文章还表明，植入物材料和纳米级表面的结合对于促进骨骼形成而言至关重要。
nanoLOCK的成功促使医疗巨头美敦力（Medtronic）在5月9日开始着手收购Titan Spine。收购私人持有的钛脊椎椎体间植入物和表面技术公司后，美敦力（Medtronic）原本已经很强大的脊椎植入物、器械、辅助技术和生物制剂产品系列得到了进一步的完善。
美敦力（Medtronic）高级副总裁兼脊柱事业部总裁雅各布·保罗（Jacob Paul）对媒体表示：“过去几年，Titan脊柱在脊柱植入物表面技术领域开创了先河。”“我们认为表面增强的钛植入物与我们全面的生物制剂产品相结合，可以对脊柱手术的患者预后产生积极影响。”
纳米纹理是改善整形外科植入物临床效果的最新表面改性策略之一。专门用于促进骨整合（骨骼向内生长或表面生长），进而使植入更加成功。此举是确保骨科学植入物和部件清洁、美观且功能最佳的众多表面处理方法之一。
例如，批量精加工设计一系列制造工艺。这些工艺可以同时精加工大量产品，并进行打磨、去毛刺、清洁、倒圆角、去飞边、除氧化皮、除锈、抛光、增亮、表面硬化等操作，以便用于进一步的精加工或切断铸模流道。滚动研磨——一种类似于在陡峭的山坡上翻滚岩石的动作，通过用水、研磨剂和混合剂在料筒中旋转零件，以有效地去除毛刺。振动研磨涉及将零件、介质和化合物置于振动设备中以达到类似效果的处理。通常，振动研磨因其与自动化的兼容性以及处理大型或精密零件的能力而越来越多地被采用。
Rosler Metal Finishing USA是总部位于密歇根州巴特尔克里克的金属表面处理和制备供应商。该公司首席执行官Bernhard Kerschbaum表示：“质量处理和喷丸处理在骨科植入物生产过程中均发挥着至关重要的作用。大量的精加工方法，特别是拖曳精加工，可产生表面粗糙度（Ra）值小于1微英寸（即，膝股、股骨头、髋臼杯内部）的完美无瑕的表面光洁度。”
拖曳精加工可将组件精确地拉过介质块，是骨科植入物的一种常用工艺。产品在处理过程程中不会相互接触，且该技术每天都能产生始终如一的高精加工质量。在拖曳精加工系统中，将零件安装到转盘（配备有多个工作站）上，然后将其拖入装有研磨或抛光介质的圆形设备中。拖曳精加工系统通常根据客户要求设计，这意味着有一系列的拖曳精加工设备可用。
喷丸处理是一种通过受控的研磨抛丸流来快速冲击物体表面的表面处理技术。该过程对金属零件进行准备，以便用于进一步处理，例如喷漆或喷涂。必须执行此步骤，以确保涂层正确粘附到产品表面。这项工艺还可以清除污染物、金属氧化物以及表面毛刺。
珠击处理是喷丸处理的一部分，其为一种冷加工过程，用于对金属零件进行精加工，以防止疲劳和应力腐蚀故障并延长零件的产品寿命。在珠击处理中，零件的表面被一个小的球形喷丸轰击。该冲击的作用就如同锤子，使表面凹陷，并在凹陷下产生压应力。随着零件继续被介质撞击，表面上会形成多个彼此交叠的凹坑。最终的表面压缩会增强金属强度，进而确保成品零件能够抵抗疲劳失效、腐蚀疲劳和破裂以及空化导致的磨损和侵蚀。
Kerschbaum补充道：“另一方面，喷丸处理通常会使表面更粗糙。因此通常应用于等离子喷涂之前。珠击形式的喷丸处理也可通过在部件表面（例如骨螺钉、脊柱杆、髋关节）上产生残余压应力来延长整形外科植入物的使用寿命。喷丸处理以及改进的材料无疑有助于将某些骨科植入物的使用寿命延长至20年以上。”
电抛光，又称电化学抛光、阳极抛光或电解抛光，是一种从金属工件上去除材料的电化学工艺。此工艺通过降低表面粗糙度和平整材料中的微峰和谷以改善金属的表面光洁度。该方法可用于金属零件的抛光、钝化和去毛刺。电抛光易于操作且可用于抛光不规则形状的物体，因此已成为半导体生产的标准方法。此外，由于其也可以用于对工件进行消毒，因此在食品、制药和医疗设备行业中同样发挥着至关重要的作用。
钝化是一种金属精加工操作，与许多行业零件指定的电解抛光相类似。钝化化学过程旨在提高不锈钢零件的耐腐蚀性。不锈钢钝化可清除零件表面的游离铁和异物，进而制造出更清洁且更耐腐蚀的零件。
“电抛光和钝化在骨科植入物产品中非常流行，”伊利诺伊州芝加哥Able Electropolishing公司的销售副总裁Scott Potter介绍道。该公司为使用传统金属和特种金属的各行各业公司提供金属表面处理服务合金。“电抛光为实现所需的光洁度提供了诸多益处。您可以通过一项工艺中实现去除毛刺、改善疲劳寿命、改善表面光洁度、改善耐腐蚀性和钝化的多种效果。钝化可以清除表面的游离铁和其他异物，并且可以使用硝酸或柠檬酸进行。”
医疗制造商更倾向于电抛光，因为这是一个单一的过程，可以有效地实现光滑、无毛刺、耐腐蚀、清洁的表面效果。该过程可用于外科手术工具和可植入物品。电抛光用于确保U形钉能够从外科吻合器上自由发射，并且不会卡住，此外还可以消除热处理中产生的任何热量。骨科学中使用的锯片也可以用于电抛光，以去除激光切割锯片中的毛刺和激光渣。通过电抛光，由镍钛诺和钛制成的植入物也可以实现更高的生物相容性。该工艺去除了外部金属表皮以及表面污染物。通过该工艺，被动的富氧表面有效地抑制了细菌的生长并减缓了腐蚀。
“经过电抛光的表面不会像涂层或电镀表面那样剥落或磨损，” Potter补充道。“在去除工具中的碳钢和制造过程中存在的其他污染物之前，首先去除金属的外皮，使基础材料暴露，并使表面恢复到原始的轧制状态。”
阳极氧化是一种电解钝化工艺，其可以用于增加金属零件表面上自然氧化物层的厚度。其命名是由于处理部分形成了电解池的阳极。阳极氧化提高了耐腐蚀性和耐磨性，与裸金属相比具有更好的底漆和胶水附着力。阳极氧化还可以用于美容效果，可以使用厚的多孔涂层吸收染料，也可以使用薄的透明涂层来增加反射光的干涉效果。
铝和钛等骨科器械材料可从阳极氧化工艺中大为受益。阳极氧化铝呈现出更高的耐腐蚀性、润滑性和附着力。钛合金阳极氧化具有耐擦伤和抗磨损的性能，还可用于实现多种颜色，以满足美容需求。
“由Danco实现的表面处理，例如钛阳极氧化、铝阳极氧化和低摩擦镀铬，依然是骨科学植入物和器械的驻留选择，”印第安纳州华沙Danco Anodizing总经理Tim Zentz说道。Danco Anodizing是一家金属零件表面处理、阳极氧化和识别技术的供应商。“我们处理流程经过验证，对骨科耗材厂家而言，使最后的加工步骤变得毫不费力。”
自1980年代末以来，椎间融合器一直被应用于促进多种脊柱疾病的骨融合。这些融合器用于恢复椎间高度，允许骨移植物容纳关节固定术，并恢复前柱的生物力学稳定性。与仅采用骨移植的脊柱融合术相比，其所带来的术后疼痛更少，住院时间更短，并发症更少，且融合率更高。因此已成为实现融合的相对成功的手段。
传统意义上，PEEK一直是椎间融合器的首选材料，因为该聚合物具有疏水性和生物惰性，且该材料的模量非常接近骨骼，使其成为实用的可植入材料。PEEK仍然对脊柱植入物有很高的需求，但是却无法有效地与周围的骨融合。相反，PEEK植入物会形成疤痕组织囊，进而降低植入物的稳定性并增加植入物迁移的概率。因此，PEEK植入物的骨整合需要钛或羟基磷灰石（HA）等骨传导材料表面涂层的协助。在脊柱市场上，许多领先的植入物公司已经推出了带涂层的PEEK椎间融合器。
增材制造技术的兴起引发了脊柱融合器技术的另一次革命，因为它促进了外形模仿松质骨的多孔钛植入物的制造，这是骨整合的理想选择。该技术与其说是表面处理，不如说是增材制造工艺所促进的表面纹理化。市场上已经有许多这样的产品- Stryker的Tritanium PL（后腰）融合器、美敦力（Medtronic）的ARTiC-L融合器以及NuVasive的Modulus XLIF融合器只是其中的几种选择。
生物材料公司Promimic US Inc.总裁Ulf Brogren指出：“脊柱制造与骨融合的器械目前正趋于实现真正的融合并减少矫正的趋势。”Promimic US Inc.为一家研发并营销加速骨整合的植入物表面的公司。从传统的PEEK植入物向3D打印和涂层的转变将继续深化。从其他方面来看，在完全关节置换中也肯定会出现非骨水泥型器械的趋势。表面精加工和薄涂层对于这些器械而言至关重要。”
正如Brogren所暗示的那样，近年来对非骨水泥全膝关节置换术的兴趣也在激增。得益于假体设计、器械和手术技术的进步，非骨水泥膝关节才得以复兴。使用非骨水泥膝关节植入物具有诸多潜在益处：缩短手术室时间、保留骨量、易于翻修并消除骨水泥固定并发症，例如第三体的身体磨损和残留的松散碎片。
最近，陶瓷复合材料已开始在假体臀部和膝盖中得到更多的应用。它们显示出最小的磨损，并且在全髋关节置换方面非常表现突出。特别是因为，与钴铬合金相比，其具有很高的耐刮擦性和更好的润湿性。其对陶瓷轴承产生的碎屑的生物反应也较弱。通常将多孔钛涂层施加到陶瓷表面上，以促进骨整合。
“我们非常高兴能够实现生物材料成分的解决方案，” Eurocoating的科学营销经理Francesco Robotti说道。Eurocoating为位于意大利Pergine Valsugana的供应商，为可植入的骨科和牙科应用提供热等离子喷涂（TPS）涂层。“这是一个平衡问题。例如，应用于陶瓷的钛多孔涂层必须遵守严格的约束条件，其必须非常尊重基材，并为预期用途实现足够好的附着力和内聚力。最近取得的成果将使人们能够构思和交付新的设备，因此有可能为患者提供之前可能会因缺乏可行的替代方案被排除的更少侵入性的手术。例如，我们开始看到具有陶瓷表面的非骨水泥膝关节或具有非骨水泥陶瓷关节面重建组件。”
骨整合的需要（即活骨与承重植入物表面之间的直接结构和功能连接）对于成功进行长期的骨科和脊柱器械植入而言至关重要。这个过程最初是在1940年观察到的，当时研究人员在动物体内植入了钛，发现该材料更容易与骨骼融合。除了强度和硬度外，其还具有促进骨骼向内生长的能力，即使在当今的负重植入物中，钛依然是首选材料。骨整合科学也极大地影响了现代齿科种植。
如前所述，在通过增材制造伪造的带纹理的金属植入物出现之前，PEEK为脊椎椎间融合器的首选材料。但是由于PEEK具有疏水性和生物惰性，因此必须对其表面进行改性以促进与骨骼的融合。许多OEM已开始用等离子喷涂HA或多孔钛涂覆PEEK。此工艺有其自身的困难，因为需要结合具有不同机械性能和硬度的材料。在等离子喷涂HA到PEEK上的情况下，硬而脆的陶瓷材料需施加到柔软而柔软的基材上。两种材料在应力下的反应会有所不同，进而导致分层或裂纹形成。但是专门从事表面处理的公司已经开发出涂层材料和技术来解决其中的一些问题。
促进骨整合的涂层颇受欢迎，因为其为功能部件提供了特定的生物相容性，” Robotti介绍道。“通常而言，使用不锈钢或钴铬合金（CoCr）或光滑的钛、ZTA（氧化锆增韧的氧化铝）等陶瓷或聚乙烯或PEEK（聚醚醚酮）等聚合物可以达到所需的功能。这些生物材料呈现出优异的机械和/或磨损特性。然而，其同样具有生物惰性。在这些情形下，施加不同性质或形态的涂层可增加表面的骨整合潜力不会材料的功能。”
大批量精加工、空气喷射和湿式喷射设备也可以用于表面改性，进而增强骨整合效果。空气喷射和湿喷射在植入物上提供了粗糙的表面，进而促进骨骼生长。通常而言，通过这些工艺改性的表面的Ra值大于200微英寸。这可以通过几种不同的喷丸介质来实现。虽然这并非新工艺，但对于骨科制造商而言至关重要。
“对于骨接触表面而言，重要的是表面应促进骨向内生长或表面生长，以实现更好的附着，”密歇根州兰辛市Orchid Orthopedic Solutions的研究工程师Parimal Bapat博士解释称。Orchid Orthopedic Solutions为一家设备外包、合同设计和制造服务的供应商。“在骨骼向内生长的情况下，最常用的是使用烧结工艺或等离子喷涂工艺制成的多孔涂层，因为这些多孔结构可以实现骨骼向表面内的生长。如果是骨骼向内生长，则可以使用粗糙的表面或HA涂层。”
例如，Orchid的Asymmetrix 1型粗糙涂层具有不规则的珠涂层结构，并具有非常粗糙的表面以及增加的孔隙度，以促进骨整合的附加功能。符合ASTM F 67和ASTM 1580的商业纯不规则形状的钛粉用已应用于Ti6Al4V（钛合金）产品表面。将三个类型的涂层喷涂于植入物表面以控制涂层厚度。Asymmetrix采用真空烧结工艺。
Bapat继续说道：“除了具有多孔的表面之外，粗糙的表面对于更好的骨骼附着而言也非常重要。”“我们的Asymmatrix涂层是一种烧结涂层，但其使用不规则的珠来形成高度粗糙的表面，并具有良好骨骼生长所需的高孔隙率。”
骨整合还可以通过具有一定纹理且稍微粗糙的表面光洁度来改善。对于某些植入物而言，在必须快速有效地与骨组织结合的区域上施加等离子涂层可以解决这一问题。
Kerschbaum解释称：“通常，使用较粗糙的抛丸介质进行抛丸处理会获得骨整合所需的纹理化表面光洁度。”“在这种情况下，喷丸介质的选择对于确保植入物表面不被喷丸介质夹杂物污染至关重要，否则可能会导致体内发生灾难性的化学反应。因此，大多数使用矿物喷丸介质。”
HA涂层已在骨科应用广为使用，尤其需要指出的是，多达一半的人骨是由HA组成的。HA已被用作替代截肢骨的填充物。用于骨科器械的HA涂层比钛涂层越来越受欢迎，其原因是增加了对骨骼的模拟作用，进而增强了骨整合能力。
Promimic的HAnano Surface通过包含HA的20 nm薄涂层促进了骨整合。事实已证明该涂层可提高植入物的稳定性，并促进骨骼向内生长至多孔材料和3D结构中，同时还兼具高润湿性和最佳表面化学性能与优化的纳米粗糙度的特性。20 nm的表面有助于新骨直接生长到植入物表面的微米形貌中。HAnano Surface可以应用于各种基材，包括金属、陶瓷和PEEK。
Brogren指出：“从较厚的涂层转向较薄涂层和表面改性。”这些较薄的涂层和改性已表明，与简单地涂覆到厚涂层上相比，此工艺可以提升设备本身的骨整合性。由于较厚的涂层会破裂并剥落，因此这将降低设备的风险。而且，这些新的表面改性，例如我们的HAnano Surface，还可以对等离子喷涂无法实现的新型器件进行表面修饰。”
随着增材制造技术的不断成熟，对3D打印植入物采用的新型涂层和表面改性的需求也不断增加。处理3D打印的骨科植入物的表面带来了各种技术挑战。此外，部件的制造需要在材料上一层一层地构建，并且在复杂零件的情况下，还必须建立防止在制造过程中塌陷的支撑结构。对于金属部件而言，必须去除嵌入部件表面的烧结金属颗粒。
Zentz向ODT表示：“ Danco已与许多OEM厂商就表面改性3D打印设备的潜在挑战进行了沟通。”“ 3D打印设备通常具有网格化图案，这些图案不适合于接触材料（即化学包裹物）的理想去除。”
“就表面改性而言，毫无疑问，最大的技术挑战将是3D打印产品，” Kerschbaum预测。“在这里，我们会见证化学/电化学和机械精加工方法等不同技术的全新结合。”
