人工关节能用多久？热喷涂涂层说了算

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（来源：新型陶瓷）

近年来，受人口老龄化、骨科疾病发病率上升和意外事件等因素影响，骨植入物的临床需求正持续攀升。髋关节、膝关节等人工关节置换手术量逐年增长，对植入物的长期稳定性和使用寿命提出了更高要求。

然而，骨植入材料植入人体后，其表面直接与人体生物环境接触并发生相互作用，面临两大核心挑战：一是界面组织感染风险，二是材料骨诱导能力不足，二者均可能导致植入体松动甚至失效。因此，如何对植入体表面进行功能化改性，已成为骨植入材料临床应用的关键突破口。

热喷涂技术正是解决上述问题的核心手段之一。作为一种高效、成熟的涂层制备技术，热喷涂具备工艺流程短、操作简便、设备灵活、适合规模化生产等突出优势，能够在植入体表面制备出兼具生物相容性及耐磨、耐蚀、抑菌等特殊功能的生物活性涂层。更重要的是，该技术可适配陶瓷、金属、生物玻璃、聚合物及磷酸钙基材料等多种涂层体系，同时对基体热影响可控，加工风险低。这些特性使得热喷涂技术成为目前骨植入物表面涂层制备中应用最为广泛且最为成熟的工艺路线之一，在髋关节、膝关节、踝关节、肩关节等骨科植入器械领域已实现广泛临床应用。

热喷涂技术概述

（1）热喷涂技术原理及发展历程

热喷涂是利用热源将金属、陶瓷等材料（通常为粉末材料）加热至熔融或半熔融状态，然后利用高速焰流（气流）将其加速喷射至基体表面，进而沉积形成涂层。

热喷涂技术最早形成于1882年，经过Schoop等人完善，再经后来的100余年发展，最终建立了从喷涂设备、喷涂工艺到喷涂材料的现代工业完整应用体系。

（2）热喷涂技术分类与特点

目前，热喷涂技术可根据热源的不同分为3类：①以燃料燃烧（如乙炔、甲烷和丙烷）作为加热源的高温喷涂技术；②以电弧、等离子体为热源的超高温喷涂技术；③以压缩气体作为动力源、外加热器作为热源的冷喷涂技术。这３类热喷涂技术最主要的区别在于喷涂温度和粒子速度不同，故而在涂层沉积原理上也有所区别。

热喷涂技术因其灵活性和多功能性而具有显著优势，这也使得生物材料能够以涂层形式应用在骨植入医疗器械领域。目前，常用的医疗器械表面涂层热喷涂制备技术主要有等离子喷涂、燃烧喷涂和冷喷涂，其中等离子喷涂技术已经实现了从科学研究到商业化的成功应用。

等离子喷涂技术

（1）等离子喷涂技术原理

等离子喷涂是继火焰喷涂、电弧喷涂后快速发展并应用起来的热喷涂技术之一。该技术自1960年左右成功开发出原型后，最先成功应用于燃气轮机和航空涡轮发动机的高温屏蔽过程，后续经历了高速的发展及应用。

等离子喷涂技术的原理是利用等离子喷枪产生高达10000℃以上的等离子火焰来加热熔化喷涂粉末，在此温度条件下，绝大多数的喷涂用料均可较快达到熔化或半熔化状态，随后经孔道高压压缩与等离子体一起以等离子射流的形式喷出并沉积在基体材料上形成保护层。

截至目前，依据设备工作环境的差别，可以将等离子喷涂技术进一步细分为大气等离子喷涂、超音速等离子喷涂、悬浮液等离子喷涂、真空等离子喷涂、低压等离子喷涂五种主要方法。

（2）等离子喷涂工艺优势

等离子喷涂具有以下特点：①适用范围广，可供选择的喷涂材料种类丰富，绝大多数陶瓷、金属及合金材料均可实现喷涂。制备的涂层表面光滑、厚度可控、杂质量少，涂层质量高。②涂层致密度好，结合强度高，文献报道涂层孔隙率可控制在1%～10%，结合强度可达60～70N/mm2。因此，等离子喷涂被誉为所有热喷涂工艺中适用性最广的喷涂工艺。

（3）在生物涂层制备中的应用

等离子喷涂可以广泛用于制备各种生物陶瓷涂层（如羟基磷灰石、氧化锆和氧化铝）和金属涂层，且这些涂层适合用于骨科假体和牙体植入物的表面改性。等离子喷涂技术也是目前研究最广泛的生物陶瓷涂层制备方法。

对于生物涂层制备而言，等离子喷涂通常在气氛压力较低（0.005～0.025MPa）或者是真空条件下进行。喷涂过程中伴随着材料的熔化和凝固，可在各种形状的植入物表面制备结合力强、厚度可控的生物涂层。

对于大气等离子喷涂（APS）而言，该技术制备的生物涂层通常具有孔隙结构和较高的表面粗糙度。这种结构有利于植入物与组织结合及组织生长和血管化，同时也便于调控涂层的力学性能以匹配骨骼，从而减少应力遮挡、提高植入物使用寿命。然而，较高的焰流温度会导致喷涂过程中不可避免地发生材料挥发、相变、氧化、结晶度降低和基体过热等问题，进而导致涂层性能下降，影响植入物的稳定性。

真空等离子喷涂（VPS）由于是在低氧含量的条件下进行，因此可以缓解涂层氧化和结晶度低的问题，而且制备的涂层具有较高的致密度和结合强度，也能够在假体植入物与周围组织之间形成牢固的结合。

结语

热喷涂涂层在骨植入医疗器械中的应用已取得显著进展。目前，等离子喷涂是唯一被美国食品药品监督管理局（FDA）授权并用于植入物表面改性的技术。其中等离子喷涂羟基磷灰石和Ti生物涂层取得了显著研究进展，并成功实现了商业化生产和应用（如西班牙Biovac、瑞士Medicoat、江苏麟科泰医疗、北京东方润鹏等公司）。

尽管商业化应用已初具规模，该技术仍面临关键瓶颈：如何在保证涂层稳定性和生物活性的前提下，进一步提升涂层与基体之间的界面结合强度，依然是制约植入物长期服役寿命的核心问题。后续研究应从等离子体过程在线监测、生物涂层形成机理揭示、喷涂工艺参数系统优化三个维度重点突破，建立涂层微观结构与宏观性能之间的定量关联。

随着材料科学、热喷涂工艺与生物医学交叉融合的持续深入，热喷涂技术必将在骨植入医疗器械领域发挥更为重要的作用，为推动高端医疗器械的国产化替代和临床性能提升提供坚实的技术支撑。

参考来源：

1、郑萌萌，刘轩溱等.热喷涂技术在骨植入医疗器械领域的应用及展望

2、王哲昊，吕绪明.等离子喷涂技术在工程陶瓷涂层制备中的应用现状及展望

3、粉体网：生物陶瓷涂层让人工骨"活"起来

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