純鈦牙齒種植體生物活性的研究

盧世松，李玉海，蔡 倩

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

純鈦牙齒種植體生物活性的研究

盧世松，李玉海，蔡 倩

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

分別利用微弧氧化(MAO)和噴砂酸蝕(SLA)技術(shù)對(duì)純鈦表面進(jìn)行預(yù)處理，再經(jīng)堿熱處理后置于模擬體液中培養(yǎng)，以對(duì)其生物活性予以評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：經(jīng)微弧氧化處理后的膜層主要由銳鈦礦型的TiO2構(gòu)成，其表面孔徑均勻，孔隙率達(dá)到12%，而噴砂酸蝕處理后的表面更為粗糙，成分也較為復(fù)雜；經(jīng)堿熱處理的試樣均表現(xiàn)出較好的親水性；堿熱處理后的試樣置于模擬體液中培養(yǎng)14天后，表面均被生長(zhǎng)出的類(lèi)骨磷灰石完全覆蓋，證明其具有良好的生物活性，且生長(zhǎng)出的缺鈣型磷灰石與人體自然骨成分相似，兩種預(yù)處理方式對(duì)陶瓷層生物活性的影響差異不大。

微弧氧化；噴砂酸蝕；堿熱處理；純鈦；生物活性

隨著生物材料和臨床技術(shù)的進(jìn)步以及患者對(duì)義齒舒適性和美觀需求的提高，口腔種植技術(shù)已成為修復(fù)牙列缺損與缺失的理想手段[1]。而口腔種植體的表面特性是直接影響界面的骨愈合速度、骨結(jié)合率、骨結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，對(duì)種植體功能的正常發(fā)揮十分重要。鈦及其合金因具有密度小、毒性低及優(yōu)良的耐腐蝕性和相容性，已廣泛應(yīng)用于口腔修復(fù)領(lǐng)域。大量研究表明，對(duì)鈦種植體表面進(jìn)行改性，使其具有生物活性，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞早期附著，是使骨結(jié)合高效形成的有力手段之一[2]。

在鈦表面處理技術(shù)中，微弧氧化(micro-arc oxidation，MAO)技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。它是采用較高的工作電壓，將工作區(qū)域由陽(yáng)極氧化法的法拉第區(qū)域引入高壓放電區(qū)域，在金屬表面原位生長(zhǎng)一層致密陶瓷氧化膜的新技術(shù)。該技術(shù)可在鈦金屬表面原位生長(zhǎng)致密的、與基體結(jié)合緊密的TiO2陶瓷氧化膜，其可誘導(dǎo)生成磷灰石，展現(xiàn)良好的生物活性[3]。

噴砂酸蝕(sandblast and acid-etching，SLA)表面處理技術(shù)是國(guó)際上最廣泛的種植體表面處理技術(shù)之一，具有優(yōu)良的機(jī)械和生物性能[4]。其特點(diǎn)在于噴砂后進(jìn)行酸蝕處理，可清除掉殘留在鈦表面的噴砂顆粒，不但保留了噴砂形成的較大“凹面”，而且增加了酸蝕形成的較小“凹陷”；噴砂造成的凹陷能促進(jìn)細(xì)胞在材料表面的停留，而酸蝕處理使植入體表面的砂坑深度增加，成骨細(xì)胞黏附增強(qiáng)，可達(dá)到類(lèi)似于細(xì)胞性偽足的效果，出現(xiàn)細(xì)胞黏附現(xiàn)象[5]。

本實(shí)驗(yàn)分別采用微弧氧化和噴砂酸蝕工藝對(duì)純鈦試樣進(jìn)行表面預(yù)處理，再經(jīng)堿熱處理后置于模擬體液中培養(yǎng)，旨在比較兩種處理方式對(duì)鈦種植體生物活性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用基體材料為純鈦，即TA2，其化學(xué)成分如表1所示。利用線切割把試樣加工成15mm×10mm×1mm的長(zhǎng)方體鈦片，經(jīng)砂紙磨光，去離子水和丙酮超聲清洗。

表1 純鈦TA2的化學(xué)成分 wt.%

1.2 微弧氧化(MAO)工藝

微弧氧化電解液由0.08mol/L Na2HPO4和0.04mol/L KOH的混合溶液配置而成[6]，實(shí)驗(yàn)采用雙向脈沖電源，負(fù)向電壓固定為60V，正向電壓400V，占空比60%，頻率550Hz，氧化時(shí)間25min，將不銹鋼板作為陰極，鈦片作為陽(yáng)極，微弧氧化過(guò)程中不斷攪拌使電解液體系離子均勻。

氧化后試樣先后用無(wú)水酒精和去離子水超聲清洗，烘干后置5mol/L的NaOH溶液中，60℃下保溫24h，最后晾干裝入自封袋密閉保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 噴砂酸蝕(SLA)工藝

噴砂階段，壓力調(diào)整為0.6MPa，采用150目砂粒，噴嘴與基片的距離保持在3cm左右，噴射方向與基片表面為90°角，噴砂處理時(shí)間為90s。

酸蝕階段，首先配置酸溶液，由體積分?jǐn)?shù)為60%的硫酸和10%的鹽酸按照體積比1∶1混合配置H2SO4/HCL混合溶液，而后在水浴鍋內(nèi)保溫至75℃。將體積分?jǐn)?shù)4%的HF與10%HNO3按照體積比1∶1的比例配置出HF/HNO3混合酸溶液。取噴砂后的試樣經(jīng)HF/HNO3溶液腐蝕1min后置于H2SO4/HCL溶液腐蝕30min。樣品在處理后經(jīng)過(guò)去離子水、無(wú)水乙醇超聲清洗5min，并反復(fù)3次，以徹底清除酸溶液殘留。

處理后的試樣，置于5mol/L的NaOH溶液中，60℃下保溫24h，最后晾干裝入自封袋密閉保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 潤(rùn)濕性測(cè)試

潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)采用由水滴直徑測(cè)量接觸角的方法進(jìn)行[7]。先在試樣表面滴一小滴水，然后用數(shù)碼相機(jī)拍攝，用直尺量圖片上的高和直徑，再用公式計(jì)算。假使水滴在表面呈球冠形，通過(guò)球冠體積公式可以算出水滴與試樣表面的接觸角。如圖1所示，O為球冠的球心，球的半徑為R，θ為水滴面與試樣表面的接觸角，水滴與試樣接觸面的直徑AB為d，半徑AD為d/2，水滴的高DC為h。可以算得，θ=2arctan(2h/d)。

1.5 模擬體液的配制

配置1L模擬體液(Simulated body fluid，SBF)，其配方如表2所示[8]。

圖1 試樣表面上水滴的球冠示意圖

表2 模擬體液配方(pH=7.25)g/L

堿化后的試樣置于模擬體液中，并保持恒溫(37±0.5)℃，每?jī)商鞊Q一次模擬體液，分別培養(yǎng)7天和14天，使植入體表面生長(zhǎng)鈣磷物質(zhì)。

1.6 分析檢測(cè)

用Image-Pro plus 6.0軟件計(jì)算膜層的孔隙率；試樣表面及后期生長(zhǎng)物質(zhì)的形貌利用S-3400N型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，并利用其自帶的能譜分析儀對(duì)表面元素進(jìn)行分析；相組成利用日本理學(xué)UItima Ⅳ型X射線衍射儀進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 經(jīng)MAO和SLA預(yù)處理后的試樣表面顯微結(jié)構(gòu)

經(jīng)兩種方式預(yù)處理后的試樣表面形貌及衍射圖譜如圖2所示。

通過(guò)圖2a可以觀察到微弧氧化后膜層表面較平整且無(wú)裂紋，其上具有類(lèi)似火山口的細(xì)小微孔，微孔直徑分布均勻,經(jīng)軟件測(cè)得其孔隙率達(dá)12%。通過(guò)圖2b可以觀察到經(jīng)噴砂酸蝕后表面沒(méi)有任何孔洞，但其形狀極不規(guī)則且凹凸不平。MAO和SLA兩種預(yù)處理方式都在一定程度上增大了試樣表面粗糙度，從而增大了其表面積。

圖2 預(yù)處理后的純鈦表面顯微結(jié)構(gòu)圖

由圖2c與圖2d可以看出，各衍射峰尖銳，說(shuō)明體系結(jié)晶度較好，其中Ti的衍射峰來(lái)自基體。從衍射峰的強(qiáng)度來(lái)看，MAO陶瓷層主要由銳鈦礦型TiO2組成，而SLA陶瓷層除銳鈦礦型TiO2外，還有板鈦礦型TiO2及其它種類(lèi)鈦的氧化物。銳鈦礦型TiO2的表面富含Ti-OH基團(tuán)而帶有微弱的負(fù)電荷，可通過(guò)靜電力吸引鈣離子、通過(guò)氫鍵吸附磷酸根離子，這將有利于提高膜層表面的過(guò)飽和度并促進(jìn)磷酸鈣的異質(zhì)形核，有較強(qiáng)的誘導(dǎo)類(lèi)骨磷灰石形成的作用[9]。

2.2 堿熱處理后陶瓷層的潤(rùn)濕性

試樣表面的潤(rùn)濕性對(duì)其生物活性有重要影響。因?yàn)闈?rùn)濕性越好，體液的鋪展?jié)B潤(rùn)性就越好，分子間反應(yīng)面積越大，蛋白和細(xì)胞在材料表面的接觸機(jī)會(huì)越多。而溶液與膜層間的接觸角則是判定膜層潤(rùn)濕性?xún)?yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

本實(shí)驗(yàn)將堿熱處理后的試樣置于黑暗密閉環(huán)境中不同天數(shù)，觀察陶瓷層與模擬體液(SBF)的接觸角變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 陶瓷層與模擬體液的接觸角變化

圖3a為微弧氧化-堿熱處理后的陶瓷層與SBF的接觸角變化，可以看到模擬體液在最初24h內(nèi)完全鋪展在陶瓷層表面，接觸角為0°。而后接觸角隨試樣靜置時(shí)間延長(zhǎng)逐漸變大，到第四周時(shí)，角度趨于穩(wěn)定，模擬體液與陶瓷層接觸角保持在65°～75°之間；圖3b中噴砂酸蝕-堿熱處理后的陶瓷層與SBF的接觸角變化也遵循此規(guī)律，四周后接觸角保持在50°上下。接觸角在90°以下，即可稱(chēng)之為親水性材料；接觸角在10°～80°之間的表面屬于中等潤(rùn)濕表面，研究認(rèn)為細(xì)胞在中等潤(rùn)濕的材料表面黏附能力最強(qiáng)[10]。

接觸角逐漸增大，是因?yàn)樵谧匀桓稍锏沫h(huán)境中，堿熱處理后生成的鈦酸鈉水凝膠逐漸失水，形成無(wú)定形鈦酸鈉層，進(jìn)而負(fù)電荷逐步減少，親水性能逐步降低。四周后，微弧氧化-堿熱處理后的陶瓷層與SBF的接觸角大于噴砂酸蝕-堿熱處理后的陶瓷層與SBF的接觸角，可能與噴砂酸蝕后陶瓷層表面形態(tài)有關(guān)。噴砂酸蝕后陶瓷層比微弧氧化后的陶瓷層粗糙，較大的表面積為SBF提供了良好的流動(dòng)空間，故SBF在其上鋪展能力較強(qiáng)。

2.3 堿熱處理后陶瓷層的生物活性

模擬體液(SBF)的離子濃度與人體血漿極其相近，體外模擬結(jié)果與體內(nèi)結(jié)果有較好的吻合性，已經(jīng)成為材料生物活性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)將堿熱處理后的試樣各分兩組，在SBF中分別培養(yǎng)7天和14天，每?jī)商旄鼡Q一次模擬體液，通過(guò)觀察其表面有無(wú)生成磷灰石及其成分來(lái)檢驗(yàn)其生物活性。

2.3.1 培養(yǎng)后的表面形貌及相組成分析

圖4為培養(yǎng)后試樣陶瓷層的表面掃描圖像(SEM)。圖4a中，MAO試樣的膜層培養(yǎng)7天后，在“火山口”周?chē)霈F(xiàn)了白色的、長(zhǎng)有微小“絨毛”的物質(zhì)。由圖4c可以觀察到，浸泡14天后，“火山口”及微裂紋消失，被球狀堆積物完全覆蓋。

圖4c和圖4d為SLA試樣置于模擬體液中培養(yǎng)7天和14天后的陶瓷層表面SEM圖像。由圖4c和圖4d可以看到，新的物質(zhì)沿著陶瓷層的裂紋、凸起等位置生成并長(zhǎng)大，也由最初的細(xì)小“絨毛”狀物質(zhì)長(zhǎng)大成為球狀堆積物，并完全覆蓋原有表面。

初步推測(cè)這些球狀堆積物質(zhì)均為類(lèi)骨磷灰石，說(shuō)明無(wú)論微弧氧化還是噴砂酸蝕后的試樣，經(jīng)堿熱處理后生物活性得到改善，即堿熱處理后陶瓷層誘導(dǎo)磷灰石形成的能力增強(qiáng)。

圖4 培養(yǎng)不同天數(shù)后的陶瓷層表面形貌

圖5為培養(yǎng)不同天數(shù)后，表面沉積物的X射線衍射圖譜(XRD)。由圖5a觀察到，微弧氧化-堿熱處理后的試樣培養(yǎng)7天后，表面并無(wú)任何新相產(chǎn)生；培養(yǎng)14天后，XRD圖譜出現(xiàn)了大量羥基磷灰石的衍射峰，證明膜層上已長(zhǎng)出并覆蓋了結(jié)晶態(tài)的羥基磷灰石，其生物活性是優(yōu)秀的。圖5b中，噴砂酸蝕-堿熱處理后的試樣，在SBF中浸泡也遵循此規(guī)律：培養(yǎng)7天后，表面無(wú)新的物相出現(xiàn)；培養(yǎng)14天后，可看到羥基磷灰石衍射峰的出現(xiàn)。

圖5 培養(yǎng)不同天數(shù)后表面沉積物的XRD圖譜

材料表面幾何形貌對(duì)晶核的形成起重要作用。氣孔、凹陷及晶粒界面等區(qū)域能夠阻礙體液的流動(dòng)和離子的擴(kuò)散，保持較高的鈣磷離子局域濃度，所以能較快地達(dá)到成核闕值，同時(shí)，這些部位也提供了成核位點(diǎn)，有利于表面晶核形成。局域離子濃度不但對(duì)晶核形成和長(zhǎng)大有較大影響，對(duì)晶核形貌也會(huì)產(chǎn)生較大影響。在長(zhǎng)大過(guò)程中，晶核會(huì)從周?chē)h(huán)境中吸附離子而生長(zhǎng)，因而每一個(gè)晶體需向遠(yuǎn)離表面區(qū)域延伸才能獲得更充足的離子，即向離開(kāi)表面方向生長(zhǎng)，所以會(huì)有針狀、棒狀、片狀直至球狀的生長(zhǎng)現(xiàn)象，直至最后覆蓋整個(gè)陶瓷層表面[12]。

本實(shí)驗(yàn)中，浸泡14天后陶瓷表面物質(zhì)呈堆積球狀，這表明羥基磷灰石已由二維生長(zhǎng)發(fā)展至三維，可見(jiàn)陶瓷層生物活性是比較優(yōu)秀的；生長(zhǎng)速度及生長(zhǎng)質(zhì)量表明兩種預(yù)處理方式對(duì)陶瓷層生物活性的影響差異不大。

2.3.2 培養(yǎng)后的表面元素成分分析

圖6～圖9分別為堿熱處理后的MAO陶瓷層與SLA陶瓷層在SBF中培養(yǎng)7天和14天后的能譜分析。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)7天后，在絨毛狀的物質(zhì)中已檢測(cè)出Ca、P元素，但Ti元素含量仍然很高；培養(yǎng)14天后，Ca、P元素含量增大，Ti元素完全消失，相應(yīng)的掃描圖像(圖4c、圖4d)也很好地印證了這點(diǎn)。

圖6 堿熱處理后的微弧氧化陶瓷層在SBF中培養(yǎng)7天的能譜分析圖

圖7 堿熱處理后的微弧氧化陶瓷層在SBF中培養(yǎng)14天的能譜分析圖

圖8 堿熱處理后的噴砂酸蝕陶瓷層在SBF中培養(yǎng)7天的能譜分析圖

圖9 堿熱處理后的噴砂酸蝕陶瓷層在SBF中培養(yǎng)14天的能譜分析圖

表3 堿熱處理后的陶瓷層置于模擬體液培養(yǎng)不同天數(shù)后的表面元素組成 at.%

3 結(jié)論

(1)經(jīng)微弧氧化處理后的膜層主要由銳鈦礦型的TiO2構(gòu)成，其表面孔徑均勻，孔隙率達(dá)到12%；而噴砂酸蝕處理后的試樣表面更為粗糙，成分也較為復(fù)雜。

(2)經(jīng)兩種預(yù)處理方式加工過(guò)的純鈦表面在堿熱處理后表現(xiàn)出較好的親水性，且屬于中等潤(rùn)濕材料，有利于成骨細(xì)胞的黏附。

(3)堿熱處理后的陶瓷層置于模擬體液中培養(yǎng)14天，表面即被生長(zhǎng)出的類(lèi)骨磷灰石完全覆蓋，證明其具有良好的生物活性；生長(zhǎng)出的缺鈣型磷灰石與人體自然骨成分相似，兩種預(yù)處理方式對(duì)陶瓷層生物活性的影響差異不大。

[1]王鳳彪,狄士春.醫(yī)用鈦合金微弧氧化膜的制備及其生物相容性研究[J].電鍍與涂飾,2011,30(6):25-28.

[2]王瑤,耿威,譚包生,等.親水性大顆粒噴砂酸蝕表面種植體骨愈合期的共振頻率分析及早期負(fù)荷臨床探討[J].口腔醫(yī)學(xué)研究,2012,28(7):694-698.

[3]劉揚(yáng)林.摻硅二氧化鈦復(fù)合薄膜超親水性研究[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2009,28(7):51-53.

[4]姚瑤,史久慧,王屹博,等.種植體用鈦合金酸堿熱處理后的表面性能及誘導(dǎo)能力[J].現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)雜志,2009,23(6)604-607.

[5]藺增,王永,王鳳,等.鈦種植體表面潤(rùn)濕性控制的實(shí)驗(yàn)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2012,32(11):969-973.

[6]焦巖.生物醫(yī)用鈦合金表面處理及其微結(jié)構(gòu)[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[7]原瑜.純鈦微弧氧化生物陶瓷膜制備工藝[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)理工大學(xué),2011.

[8]Oyane Ayako,Kim Hyun-Min,Furuya Takuo,et al.Preparation and assessment of revised simulated body fluids [J].Journal of Biomedical Materials Research,Part A,2003,65(2):188-195.

[9]郭洪蕾,顧德恩,楊邦朝.光催化活性TiO2薄膜的研究進(jìn)展[J].電子元件與材料,2006,25(3):1-4.

[10]方麗茹,翁文劍,沈鴿,等.骨組織工程支架及生物材料研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2003,20(1):148-152.

[11]王力平.醫(yī)用鈦表面生物活化的研究[D].成都:四川大學(xué),2004.

[12]董利民,王晨,田杰謨,等.類(lèi)骨磷灰石的結(jié)構(gòu)分析與形成機(jī)制研究[J].功能材料,2004,35(z1):2397-2400.

StudiesonBiologicalActivitiesofPureTitaniumDentalImplant

LU Shisong,LI Yuhai,CAI Qian

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The ceramic layers were prepared on pure titanium substrate by MAO(micro-arc oxidation)and SLA(sandblasting with large grit followed by acid etching)pretreatment respectively,and then the ceramic layers after alkali-heat treatment were trained in SBF(simulated body fluid) for their bioactivity evaluation.The results showed that:The MAO ceramic coating was mainly composed of anatase TiO2,and the porosity of the coating which with uniform porous structure reached 12%,while the SLA surface was more rough and its composition was also more complex;As a result of the wetting angles with SBF,the ceramic layers treated by alkali-heat method showed good hydrophilic;The ceramic layers treated by alkali-heat method were completely covered by bone-like apatite when they were cultured in SBF for 14 days,and the calcium deficiency apatite grew on the coating which with perfect bioactivity was similar to the human bone in composition,but both of the pretreatments had insignificant influence on the bioactivity of the ceramic layers.

micro-arc oxidation;sandblast and acid-etching;alkali-heat treatment;pure titanium;bioactivity

2013-11-05

沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F12268400)

盧世松(1986—)，男，碩士研究生；通訊作者：李玉海(1962—)，男，教授，博士，研究方向：金屬材料表面改性處理.

1003-1251(2014)04-0014-07

TG146.23

A

趙麗琴)