チタン合金は、その優れた機械的性質と生体適合性により、バイオメディカル分野で広く使用されている。しかし、チタン合金とチタンは、主に生体内での物理的キメリによって生物学的慣性を持ち、長期間の使用において緩みや脱落を引き起こしやすい。さらに、チタンと骨の熱膨張係数の違いにより、結合の不安定性も引き起こされる。そのため、臨床応用のニーズを満たすために、様々なチタン表面改質技術が提案されている。インプラント材料の一般的な表面改質方法には、主に以下のものが含まれる：インプラント材料のゆるやかで粗い表面処理；インプラント材料の表面コーティングに、表面改質のための生物活性分子や材料を担持させる。

これまでの研究から、インプラント材料の生体適合性と骨統合能に影響を与える主な因子には、主に材料表面の濡れ性、粗さ、組成、結晶型が含まれることが明らかになっている。体液性環境では、インプラント材料の表面の濡れ性が良いほど、タンパク質の吸着と細胞の接着が促進される。さらに、特定の表面状態は、細胞の分化と成長をより助長する。チタン合金の表面改質プロセスを通じて、合金の耐食性と機械的特性を維持しながら、合金の表面構造、組成、濡れ性を最適化するために、合金表面に適切な改質コーティングを構築することができ、適合性と骨統合能力の向上を達成することができる。

現在、骨インプラント用の医療用チタン合金の一般的な表面改質コーティングには、主にハイドロキシアパタイト（HA）コーティング、グラフェンコーティング、キトサンコーティング、TiO2ナノチューブアレイコーティングがあり、中でもTiO2ナノチューブアレイは、その場で自己成長する多孔質構造コーティングのため、他のコーティングと組み合わせてより優れた機能を実現することができる。今後、医療用チタン合金の表面改質の主な方向性は、表面改質コーティングを調製し、様々な表面改質方法を組み合わせることにより、インプラントの骨統合能力を向上させることである。

ハイドロキシアパタイト（HA）コーティング

ヒトの骨の主な無機成分として、ハイドロキシアパタイト（HA）は良好な生体適合性を有する。体液と接触すると、HA表面のイオンは水溶液中のイオンと交換され、コラーゲンやタンパク質などの分子やイオンが表面に吸着され、バイオフィルムやコーティングが生成される。HAコーティングは、骨とインプラントの化学結合を密接に結合させるだけでなく、体液と金属インプラントの間のバリアーとしても機能し、その調製方法と技術に依存し、結合強度、結晶化度、密度マトリックスに影響を与え、低強度の組み合わせは破損の修飾につながる可能性があり、HAコーティングの剥離は炎症やその他の問題を引き起こす可能性がある。その結果、マグネトロンスパッタ法によるHAコーティングの接着強度は80MPaに達し、熱間静水圧プレス法、パルスレーザー蒸着法、プラズマ溶射法、ゾルゲル法で調製したコーティングの接着強度（それぞれ約14MPa、16MPa、25MPa、26MPa）よりも高いことがわかった。

現在、HAコーティングの調製にはプラズマ溶射と電気泳動析出が一般的に用いられているが、後者は複雑なマトリックスコーティングにも使用できる。溶射によって調製されたHA皮膜は、残留応力を減少させるために熱処理され、熱処理によって残留応力が減少したため、HA皮膜の接着強度は明らかに増加した。HA皮膜の接着強度を向上させるために、チタン合金の表面を電子ビームエッチング、微小球ブラスト、酸性化エッチング、サンドペーパー研磨などの様々な前処理技術によって粗面化するか、あるいはHA皮膜とチタン合金基材との間に遷移層を堆積させることができる。

HAコーティングの結晶化度は細胞の挙動に影響する。高結晶化度のHAコーティングに比べ、低結晶化度のHAコーティングは骨芽細胞の増殖率が低いことを示した。異なる結晶化度のHAナノコーティングとミクロンコーティングは、異なる溶解と再沈殿の特性を示し、不均質なHAはin vivoで高い溶解性を示した。早期の骨形成動態は、HAコーティングの溶解性に関係していると推測される。HAコーティングの制御された結晶化は、高温（700～800℃）でアニールまたは蒸着することにより実現できる。非晶質コーティングの一部は、アニーリングプロセス中に結晶性コーティングに変化し、特定の結晶性またはイオン置換構造を持つHAコーティングを得ることができる。シート状HAコーティングと比較して、アシキュラー構造のコーティングは緻密で均一であり、周囲の液体との接触面積が多く、アパタイト析出に適している。HAコーティングの微細構造は加熱と焼結によっても変えることができる。Hulbertらは、多孔質構造には、新しい骨組織が内側に成長し、流体循環のための空間を提供するために、最小約100μmの相互連結孔径を持つ酸化物セラミックスが必要であることを示した。彼らは、孔径が小さいほど透過性組織の不完全な無機化が可能になることを発見した。完全に緻密なHAコーティングは、主に骨形成足場として使用される細胞の増殖と分化を助長しないため、骨形成を誘導する能力に限界がある。

グラフェン・コーティング

2004年、マンチェスター大学ガイムとノボセロフグラファイトテープマイクロ機械的分離によって英国の物理学者が正常に構造中の炭素原子の単分子層を分離した、すなわちグラフェンのポイントは、高比表面積、高導電性熱伝導率、低密度、優れた物理的特性を持つ石材を作る、二人の科学者は2010年にノーベル物理学賞を受賞しました。科学者たちは、化学修飾の異なるグループによって小分子は、酸化グラフェン、酸化グラフェンの還元、カーボンナノチューブなどの異なるグラフェン誘導体を形成することができることを発見し、グラフェン材料ファミリーの異なる特性を持つこれらの材料は、多くの場合、生物学的材料の修飾に使用される酸化グラフェン誘導体である。骨形成を促進するグラフェンおよびその誘導体修飾複合材料に関する多くの研究の中で、研究者らは、グラフェンを担持した足場材料がより優れた細胞適合性と骨再生誘導能を示すことを見出し、その骨再生促進メカニズムを探求した。Kumarらは、グラフェンがin vitroでヒト間葉系幹細胞の骨形成因子の取り込みを促進し、幹細胞の骨分化を促進することを示した。グラフェンは、デキサメタゾンと0-グリセロリン酸という2つの古典的な骨形成誘導因子を培養中に濃縮し、ヒト骨髄間葉系幹細胞の骨芽細胞への分化を促進することが示されている。さらに、rGO軽量アパタイト複合体は、骨関連タンパク質の発現を制御し、マトリックスの成熟と石灰化を促進することができる。

キトサンコーティング

天然有機化合物であるキトサンは、生体適合性に優れ、毒性がなく、抗菌性に優れ、細胞の増殖と分化を促進するという利点を持ち、チタン合金インプラントの表面改質コーティングとしてよく使用されている。また、キトサンは吸着能力に優れ、生体内で生分解性があり、担体としてハイドロキシアパタイトなどと組み合わせることができる。キトサンコーティングの厚さをコントロールすることで、術後の感染や炎症を治療する薬剤の局所濃度を制御することができ、インプラントがより良い骨統合と迅速な治癒を達成できる。キトサンはマイナスに帯電した細菌細胞と相互作用して抗菌効果を発揮するが、金属イオンに比べて抗菌性がやや劣るため、インプラントの失敗リスクを軽減することができる。

TiO2ナノチューブアレイコーティング

TiO2ナノチューブ構造は、金属イオン（Al、Vなど）の放出を防ぎ、注入反応を緩和することができ、TiO2バルク材料よりも優れた耐食性と生体適合性を示す。したがって、チタン合金表面へのTiO2ナノチューブアレイコーティングの合成は、その医療性能を向上させるための効果的な手段となる。

陽極酸化は、チタン材料の表面にTiO2ナノチューブアレイを形成し、ほぼ骨格の多孔質構造を持つTiO2酸化物層コーティングを形成するために、しばしば使用される。陽極酸化の電圧と時間を変えることで、TiO2ナノチューブアレイのチューブの長さと直径を調節することができる。陽極酸化によって作製されたTiO2ナノチューブアレイはアモルファスであり、300-500℃でアニールするとアモルファスからアナターゼ相やルチル相に変化し、600℃でアニールすると徐々にルチル相に変化した。表面結晶化度の増加に伴い、ナノチューブアレイの表面濡れ性が向上し、タンパク質の吸着や細胞の接着が容易になる。ナノチューブと結晶構造の相乗効果により、ハイドロキシアパタイトの析出が促進される。その結果、アナターゼ相の方がルチル相よりも細胞分化や細胞増殖の誘導に優れ、前者の方がハイドロキシアパタイトを析出しやすいことがわかった。陽極酸化電圧が一定の範囲内であれば、電圧の増加とともにナノチューブの長さと直径が増加する。酸化時間が長くなると、表面粗さが大きくなり、接触角が小さくなる。

Ti-6Al-4V合金は、α+β相からなる比較的広く使用されている生体材料である。陽極酸化中、2つの相の溶解度は異なり、ナノチューブの長さも相領域によって異なる。Mansoorianfarらは、TiO2ナノチューブ・アレイの均一性の良い作製に成功した。 Ti-6Al-4V合金 電圧の増加に伴い、ナノチューブの平均管長と直径が増加した（下図）。研究の結果、60Vの電圧で調製した試料が最も良好なセル活性を示した。

低弾性率のバイオチタン合金上にTiO2ナノチューブアレイ層を作製することは、インプラント材料の機械的特性を確保するだけでなく、生体適合性を向上させる。Liらは、ti-24Nb-4Zr-7.9Sn（Ti2448）チタン合金表面にTiO2ナノチューブアレイ層を作製し、純Ti、ナノチューブ-Ti（NT）およびTi2448を比較した。ナノチューブ-Ti2448(NTi2448)は、高い濡れ性、耐食性、細胞適合性、骨統合能を示した。弾性率の低いチタン合金にNb，Zrなどの元素を添加することにより，陽極酸化後に形成される酸化皮膜が耐食性を向上させる．また、合金元素の添加によりナノチューブアレイの秩序度が低下し、秩序度の低いアレイの方が相溶性が良いという研究結果もある。

ラスト

表面改質技術は、チタンやチタン合金の生物学的活性、耐摩耗性、抗菌性を向上させ、現在の進化する臨床ニーズを満たすために、既存の従来のバイオマテリアルを改良するための、より効果的な方法である。研究者たちは、新しい医療用チタン合金の設計と生体適合性を改善するために多くの試みを行ってきた。新しく開発された医療用チタン合金の弾性率は、人間の骨組織の弾性率値にますます近づいてきている。チタン合金の表面に改質コーティングを施工することにより、合金の生体適合性、骨統合能力、抗菌能力が大幅に改善された。さらに、ダイヤモンドライクカーボン膜（DLC）、窒化チタン（TiN）コーティングのような耐摩耗性に優れたセラミックコーティングの層をチタン表面に堆積させることにより、チタン合金表面の摩耗性能を向上させるために、様々な物理的および化学的方法が使用されてきた。