飞秒激光表面改性高熵 TiTaHfNbZr 合金作为骨科应用潜在生物材料的体外生物相容性研究

《Intermetallics》：In vitro biocompatibility investigation of femtosecond laser surface modified high entropy TiTaHfNbZr alloy as a potential biomaterial for orthopedic applications

　　

摘要
本研究旨在评估一种新型、具有生物医学前景的 TiTaHfNbZr 高熵合金 (HEA) 在骨科植入物应用中的生物相容性，并评估通过飞秒激光诱导表面图案化对生物相容性的增强效果。为此，通过激光加工在 TiTaHfNbZr 表面形成了四种具有不同重复频率沟槽和压痕的表面图案，随后进行了全面的体外生物相容性测试。结果表明，激光图案化是增强 TiTaHfNbZr 生物相容性的一种非常有效的策略。该高熵合金固有的生物相容性优于 316L 不锈钢 (SS)，这归因于其仅由非细胞毒性元素组成的成分。激光诱导的表面改性通过增加表面粗糙度和亲水性进一步放大了这一优势，这直接促进了 Saos-2 成骨细胞的粘附和增殖。在形成的图案中，窄间距沟槽 (HEA-2) 图案成为最佳形貌，促进了细胞排列并产生了最高的细胞密度。这种图案的各向异性特征及其高表面能被确定为其独特性能的主要机制。因此，激光图案化的 TiTaHfNbZr HEA 代表了一类极具前景的下一代骨科植入物材料。生物相容性高熵基体与激光诱导表面形貌的独特协同效应，为加速早期骨整合提供了清晰的路径，为后续评估长期临床适用性的体内研究提供了令人信服的理由。

引言
在过去几十年中，金属生物材料，尤其是钛 (Ti) 基合金，因其承载能力、抗疲劳和抗冲击性以及低密度和良好的耐腐蚀性等机械优势，被广泛用于制造骨科植入物 [[1], [2], [3], [4]]。然而，仍然需要开发具有与骨骼相当的弹性模量的新型生物医学合金，以促进更好的骨整合 [3,5]，骨整合可定义为骨组织与植入材料之间的功能性固定。在新一代金属材料中，钛 - 钽 - 铪 - 铌 - 锆 (TiTaHfNbZr) 合金；属于近年来因其机械性能而受到关注的高熵合金 (HEA) 类——也适用于生物医学应用 [4,6,7]。高熵合金被描述为多主元体系合金，通常由 5 至 35 原子 (at.)% 的每种组成元素组成。其卓越的机械和功能特性主要由四个核心特征驱动：高构型熵、晶格畸变、缓慢扩散和鸡尾酒效应 [8]。TiTaHfNbZr HEA 具有生物相容性成分以及其与骨组织潜在的弹性相容性，使其成为传统生物医学合金的有前途的新替代方案。此外，最近通过机器学习方法确定用于骨骼相关应用的生物医学合金理想元素组成的研究也表明，特别是含 Ti、Ta 和 Hf 的高熵合金作为极具前景的候选者脱颖而出 [[8], [9], [10]]。具体而言，含 Ti、Ta 和 Hf 的 HEA 增强的耐腐蚀性，以及接近骨组织的 55-85 GPa 弹性模量范围，皮质骨的弹性模量范围为 10 至 30 GPa [[8], [9], [10], [11]]，使其成为优秀的生物医学合金候选者。特别是关于 TiTaHfNbZr HEA 的腐蚀行为，文献指出，等原子 TiTaHfNbZr HEA 与 Ti–6Al–4V 和 316L SS 等传统生物医学合金相比，持续表现出更有利的生物腐蚀性能和电化学稳定性。这种改善的腐蚀性能主要由快速、自发形成的致密、多元素钝化氧化层 (TiO2, Ta2O5, HfO2, Nb2O5 和 ZrO2) 驱动，该氧化层具有强大的自修复能力。这些组成难熔元素之间的协同相互作用产生了极低的腐蚀和钝化电流密度，以及宽的钝化电位范围。此外，这种坚固的氧化屏障有效防止了局部点蚀破坏，并在长时间暴露于生理流体中时大幅减少了金属离子的释放 [4,[8], [9], [10]]。此外，与其生物腐蚀稳定性一致，TiTaHfNbZr HEA 表现出卓越的体外生物相容性，细胞培养研究证明了这一点 [11]。完全排除细胞毒性元素 (如 Ni、Cr 和 V) 结合其致密、多元素钝化氧化层极低的金属离子释放，促进了优异的细胞粘附、铺展和增殖率，优于 Ti-6Al-4V 等传统生物医学合金 [4,[8], [9], [10], [11]]。受此动机驱动，作为生物医学合金，特别是为了获得有关高熵 TiTaHfNbZr 合金作为骨科植入物材料用途的综合信息，对该类材料的研究正在增加。
由于植入材料与组织的初次相互作用发生在材料表面，改善骨整合的一个常见且重要的方法是改性生物医学合金的表面 [[12], [13], [14], [15], [16]]。表面特性由几个参数决定，包括粗糙度、形貌特征、润湿性和表面能 [[17], [18], [19], [20]]。其中，表面粗糙度经常与表面能联系起来研究；然而，其他因素如表面极性和润湿性对材料的生物相容性也有至关重要的影响。表面能的增加增强了表面的润湿性 (即亲水性)，进而促进了植入物与周围生物环境之间的相互作用 [14,21]。此外，最近的研究表明，除了上述参数外，构成表面形貌结构的几何特征——如形状、重复频率和深度——也在影响细胞粘附和增殖方面起着关键作用，从而影响整体生物相容性行为 [[22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]]。此外，表面图案的各向同性或各向异性特征也被证明会影响细胞反应。
常见且传统的表面改性方法包括喷砂、酸蚀、阳极氧化和碱化处理等物理和化学方法，这些方法会改变表面形貌、表面粗糙度以及表面化学性质，进而改变表面能 [2,3,13,19]。虽然这些传统方法在增加表面粗糙度和能量方面是成功的，但它们伴随着表面污染、图案不均匀和相变等缺点。最近的研究表明，形成具有受控单位尺寸和重复频率的表面图案在增强细胞间通讯以及诱导细胞沿特定方向生长方面具有优势；这对于模拟骨组织尤为有利 [[22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]]。此外，通过受控表面图案化诱导的靠近表面的位错活动等微观结构机制，导致表面能增加和润湿性提高等表面性能改善 [22,25,27,28]。虽然传统表面改性方法在形成具有受控重复单元细节的图案方面存在不足，但新一代飞秒表面处理工艺在生物医学应用中作为一种有效方法脱颖而出，因为它们能够在金属表面附近诱导微观结构活动，从而在能够形成可控图案和均匀形貌的同时增强表面能和润湿性 [12,14,15]，此外，飞秒激光表面图案化也消除了传统方法面临的由于激光与材料短期相互作用而导致的熔化和相变等常见问题 [17]。
在文献中，没有研究专注于通过激光加工方法改性其表面来研究 TiTaHfNbZr HEA 在生物医学应用中的用途。受此动机驱动，当前研究旨在测试 TiTaHfNbZr 这种已有前景的生物医学合金，作为通过飞秒激光受控表面图案化改善骨整合和生物相容性的新型骨科植入物材料的用途。为此，TiTaHfNbZr 合金表面经飞秒激光处理，以获得具有不同形貌特性的表面。在对新形成的图案进行全面表征并评估高熵合金作为骨科植入物材料相对于传统生物医学合金不锈钢的用途后，通过体外测试彻底研究了对照和激光处理样本的生物相容性。当前研究提供了有关新型 TiTaHfNbZr 合金表面通过新一代激光加工方法的可加工性，以及图案的重复单元形状和重复频率对表面特性和细胞反应 (如细胞粘附、活力、增殖、形态特征和凋亡行为) 的影响的见解。通过结合本研究中得出的发现，旨在确定表现出最佳特性且具有最具前景的骨整合行为的表面图案和形貌，以及生成该特定表面所使用的激光加工参数。结果，预计使用这些参数处理的高熵 TiTaHfNbZr 合金可以作为用于骨科应用的替代植入材料进行开发。

部分片段
HEA 对照和 SS 样本的制备
每种元素原子比相等 (at. 20%) 的 TiTaHfNbZr (钛，钽，铪，铌，锆) HEA 是使用粉末冶金和热压方法生产的 (Kurt Lesker 公司)。尺寸范围在 10-150 μm 内的元素粉末被均质化，然后在真空下使用加压烧结致密化，温度超过 1000 °C，密度为 9.6 g/cm3，压力曲线在 10 至 30 MPa 之间。该合金被生产为矩形片状形式
结果与讨论
具有对照和图案化表面的 TiTaHfNbZr 合金的表面形貌
连同参考 316L 对照样本，最初使用 FE-SEM 调查了具有对照和图案化表面的 TiTaHfNbZr 合金的表面形貌。通过 SEM 表征的图案特征，包括图案参数，如重复频率、单元几何形状和尺寸以及对照样本表面，如图 2 所示。
图 2 SEM 图像显示，目标图案尺寸和重复频率参数成功加工到每个
结论
本研究全面调查了一种新型 TiTaHfNbZr HEA 在骨科植入物应用中的体外生物相容性，及其通过飞秒激光诱导表面图案化对生物相容性的增强。结果表明，新型 TiTaHfNbZr HEA 表现出固有的优异体外生物相容性，优于 316L 不锈钢，这主要是由于缺乏镍和铬等细胞毒性元素。此外，飞秒激光诱导的表面图案化
CRediT 作者贡献声明
Furkan Bi?er：写作 - 初稿，方法，调查，形式分析。S?d?ka Mine Toker：写作 - 初稿，项目管理，方法，调查，资金获取，形式分析，概念化。Merve Nur Soykan：写作 - 初稿，方法，调查。Hadi Jahangiri：写作 - 初稿，方法，调查。Demircan Canadinc：写作 - 初稿，方法，概念化。Ayla Eker Sar?boyac?：写作 - 初稿
参与同意
不适用。本研究不涉及任何人类受试者，且未直接从参与者处收集人源初级材料；因此，不需要知情同意。
伦理批准
不适用。本研究不涉及人类参与者或动物。实验使用 Saos-2 (ATCC? HTB-85?) 细胞系，这是一种商业可获得的人类骨肉瘤细胞系。根据机构和国家标准，涉及已建立的、商业购买的永生化细胞系的研究不需要伦理批准。
竞争利益声明
作者声明以下财务利益/个人关系，这可能被视为潜在竞争利益：Sidika Mine Toker 报告获得了土耳其科学和技术研究委员会的资金支持。作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这可能出现在影响本论文报告工作的情况中。如果有其他作者，他们声明他们没有已知的竞争
致谢
这项工作得到了土耳其 (Türkiye) 安卡拉科学和技术研究委员会 (TüB?TAK)；3501 职业发展计划 [项目编号：221M718] 的支持。
Furkan Bi?er|S?d?ka Mine Toker|Merve Nur Soykan|Hadi Jahangiri|Demircan Canadinc|Ayla Eker Sar?boyac?|Onur Uysal|Isinsu Baylam|Suat Pat
生物技术与生物安全系，埃斯基谢希尔奥斯曼加齐大学，埃斯基谢希尔，26040，土耳其