江苏激光联盟导读：

据悉，来自韩国科学技术院(KIST)的一组研究团队开发了一种技术，只需一个小时即可诱导人造骨涂层。这样的工艺以前需要一天的时间，并且需要数十个步骤。而该新技术无需在单独的过程中合成用于人造骨涂层的原材料，并且可以使用纳秒级激光创建涂层，而无需任何昂贵的设备或热处理。

基于钛的骨固定装置由于其优异的机械性能和生物相容性，通常被用来治疗人的骨折。为了进一步增强骨传导性能，钛通常涂有羟基磷灰石(hydroxyapatite, HAp)，它是骨骼的主要无机成分。与没有HAp涂层的材料相比，有HAp涂层的材料往往表现出更好的生物相容性、成骨能力和骨传导性。各种HAp涂层方法包括溶胶-凝胶涂层、浸涂、电化学沉积、电泳沉积、等离子喷涂、溅射涂层、热等静压和仿生涂层已经被开发出来了。但是，大多数现有方法都需要单独的HAp涂层合成工艺。溶胶-凝胶、浸涂和仿生涂层工艺不需要初步合成工艺，但是它们需要耗时的反应，可持续数次天，并且由于它们较差的涂层粘附强度而难以在临床实践中使用。

在这项研究中，来自韩国科学技术院(Korea Institute of Science and Technology, KIST)的研究人员介绍了一种在单个工艺中同时合成和涂覆HAp以形成HAp的方法。该涂覆方法涉及在包含钙和磷酸的前体溶液中将激光脉冲照射到浸没的金属或聚合物样品上，从包含钙和磷酸根离子的溶液中合成HAp，并且由于表面熔化同时形成涂层在经过激光处理的表面上。通过控制激光照射条件，观察到了不同数量和厚度的HAp涂层。更重要的是，通过激光诱导单步涂层（LISSC）工艺形成的HAp层具有很高的涂层强度，足以用于医疗用途。

▲激光诱导单步涂层诱导羟基磷灰石合成，HAp-基底混合熔融层和HAp涂层形成过程的示意图。在图中，绿色和红色圆圈表示“ Ca2 +”和“ PO43”。离子。图片来源：韩国科学技术院（KIST）

使用纳秒激光在一步工艺中进行HAp合成和涂覆

▲图解： a）用改良的磷灰石涂层溶液（MACS）和纳秒激光通过激光诱导单步涂层（LISSC）工艺在钛表面形成的羟基磷灰石涂层示意图。b）羟基磷灰石（HAp）涂层表面的横截面的SEM图像。c）在MACS溶液中通过激光辐射形成羟基磷灰石核和涂层的示意图。d）在各种激光条件下经过表面处理的样品的光学图像，以及在激光处理中使用的“激光束路径”。e）在激光发射条件下具有受控量的羟基磷灰石形成的涂层的SEM图像。f）根据激光发射条件比较HAp形成面积（％）。“ P”和“ L”分别表示电源和环路。数据代表平均值±s.d。

为了证实LISSC方法为何能提供涂层的高粘合强度，研究人员使用透射电子显微镜（TEM）进行了结构和元素分析（下图a）。涂层由三层组成：1）HAp位于上侧，主要由钙和磷组成；2）钛位于下侧（下图b）；3）在HAp-钛界面处观察到的中间层，其中HAp和钛成分混合并同时出现（下图c-e和图S9）。可以注意到，中间层提高了涂层强度。

▲图解：a）用于分析涂层结构的样品制备过程的示意图。b）HAp涂层横截面的BSE图像（红色虚线-TEM分析区域）。c）元素映射结果的示意图。d）使用TEM-HAADF进行横截面电子显微镜图像和元素图分析。e）合并元素映射结果。

图S9. 表面涂层的横截面TEM分析图像。使用HAADF进行元素映射和合并图像（左下）

通过实验，韩国科学技术院生物材料中心的Hojeong Jeon博士的研究小组宣布，他们开发的人工骨涂层，其粘附强度是传统涂层材料的三倍。

这种新方法形成比目前临床应用的少数人工骨涂层技术具有更强结合力的涂层。该工艺不仅在金属表面但是甚至在诸如整形外科塑料植入物的聚合物材料的表面上，这在传统工艺中是不可能的。

▲图解：a）用于评估每个表面上细胞粘附的示意图。b）附着在Ti，P10-L50和P10-L100表面的成骨细胞的荧光显微镜图像; 核（蓝色），F-肌动蛋白（橙色）。

为了减少工艺中涉及的步骤数量并确保坚固的涂层，Jeon博士的团队将要涂层的材料放置在含有钙和磷（骨骼的主要成分）的溶液中，并用激光照射。在激光器的目标位置以局部方式升高温度，引起涉及钙和磷的反应，从而生成陶瓷人造骨（羟基磷灰石）并形成涂层。

与传统的涂层方法不同，人造骨成分的合成是通过激光诱导的，并且将基材表面加热到熔点以上。人造骨材料吸附在融化的表面上并变硬，从而使结合强度最大化。

Jeon博士说：“使用纳秒激光的羟基磷灰石涂层方法是一种在非生物活性材料（如通常用作生物材料的钛和PEEK）中诱导生物活性的简单方法。我预计它将通过改变它而改变游戏规则将广泛应用于需要骨整合的各种医疗设备。”

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本文来源：Seung‐Hoon Um et al, Robust Hydroxyapatite Coating by Laser‐Induced Hydrothermal Synthesis, Advanced Functional Materials(2020). DOI: 10.1002/ADFM.202005233

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