鈦表面微弧氧化羥基磷灰石陶瓷膜的結構及其生物活性

于維先，劉歆嬋，王聞天，張玉鳳，王海瑞

（1.吉林大學 口腔醫(yī)學院牙發(fā)育及頜骨重塑與再生省重點實驗室，長春130021；2.北華大學 口腔醫(yī)學院，吉林 吉林132013；3.吉林大學 口腔醫(yī)學院麻醉科，長春130021；4.吉林大學 口腔醫(yī)學院修復科，長春130021；5.哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院，哈爾濱150090）

由于鈦和鈦合金具有優(yōu)良的力學性能及良好的生物相容性等優(yōu)點，因此作為人體植入材料廣泛應用于臨床醫(yī)學各領域.但由于鈦金屬為生物惰性材料，缺乏生物活性，因此不易與骨組織形成化學性結合，從而阻礙了鈦和鈦合金在臨床醫(yī)學中的進一步應用.羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）為人體骨組織中的主要無機成分，具有優(yōu)良的生物活性，植入骨組織后可在界面上與骨形成化學鍵結合，并具有骨誘導活性.但HA脆性大，強度低，力學性能較差，因此在臨床應用中僅用于非承力部位.

微弧氧化（microarc oxidation，MAO）可直接在金屬表面原位生長陶瓷膜［1］，利用該技術制備的陶瓷膜與基體結合牢固、結構致密，且膜層表面呈微孔狀，有利于植入材料與骨組織的結合.本文采用微弧氧化技術，在純鈦表面制備一層含有HA的陶瓷膜，并分析膜層在模擬體液（simulate body fluid，SBF）中誘導形成HA的能力及特點.

1 實 驗

1.1 儀器和設備 微弧氧化設備為WHD－300型雙相脈沖電源（哈爾濱工業(yè)大學中俄科技合作及產業(yè)化中心）；JSM－6460型掃描電子顯微鏡（SEM，日本電子株式會社）；X射線能譜分析儀（EDS，日本電子株式會社）；Dmax－ⅢB型X射線衍射儀（XRD，日本理學公司）；TENSOR27型紅外光譜儀（FT－IR，德國Bruker公司）.

1.2 樣品制備 選用純鈦TA2（寶雞寶冶鎳鈦制造有限公司）作為制備生物活性陶瓷膜的基體材料.將樣品加工成15mm×15mm×1mm的薄片后，先分別用240＃，800＃和1 200＃碳化硅砂紙打磨，再分別用丙酮和蒸餾水超聲清洗20min，室溫干燥備用.本文以不銹鋼電解槽為陰極，樣品鈦片為陽極進行微弧氧化.電源頻率為60Hz，占空比為50%，電流密度［2］為20A／dm2.用0.5mol／L的醋酸鈣和0.25mol／L的磷酸二氫鈉作為電解液，處理時間分別為5min和10min.反應結束后，取出樣品，蒸餾水沖洗，室溫干燥備用.

1.3 模擬體液浸泡實驗 參考文獻［3］，按表1所列配制SBF.樣品浸泡前，先用丙酮和蒸餾水超聲清洗，烘干后浸泡在SBF中，置于37℃培養(yǎng)箱中6，12，24，48h后分別取出樣品，用丙酮和去離子水漂洗，在室溫下自然晾干備用.

表1 配制50mL SBF所需試劑的質量及其濃度Table 1 Amount and concentrations of reagents for preparing 50mL of SBF

1.4 樣品表征 用SEM觀察膜層表面的形貌，用EDS分析膜層表面的元素組成，用XRD（Cu Kα）和FT－IR分析膜層的相和成分組成.

2 結果與討論

2.1 微弧氧化膜層的表面形貌 微弧氧化膜層表面形貌的SEM照片如圖1所示.由圖1（A）可見，膜層表面孔徑較均勻，約為2～4μm，且表面較平坦，呈典型的微弧氧化形貌；由圖1（B）可見，膜層表面粗糙不平，出現(xiàn)大量顆粒狀物質，在部分孔周圍可觀察到類似火山口狀形貌；由圖1（C）可見，膜層表面出現(xiàn)少量棉絮狀結晶物質；由圖1（D）可見，膜層表面大部分已被羥基磷灰石的針狀結晶覆蓋.

微弧氧化5min和10min制備的膜層表面形貌差別較大，這是因為恒流模式下，在微弧氧化初期，工作電壓較小，膜層表面放電能量較小且均勻，此時形成的膜層孔徑均勻，表面平整，隨著反應的進行，膜層逐漸增厚，若維持電流不變，則電壓將增大，火花放電能量越來越高，放電變得不均勻，同時孔道燒蝕，伴隨大量熔融物從孔道中噴出，形成火山口形貌，使得膜層表面粗糙不平.在微弧氧化初期，電解液中的鈣和磷在電場驅使下開始在膜層表面沉積，但火花能量較小，不足以形成HA.隨著反應的進行，膜層逐漸增厚，工作電壓增大，火花能量也逐漸增大，當其增大到一定程度后，膜層中富集的大量鈣和磷開始轉變?yōu)镠A相，并與孔道中噴出的熔融物沉積在膜層表面的微孔周圍，形成大量顆粒狀物質，使得表面粗糙不平.膜層粗糙度的增大有利于HA在膜層表面沉積，此外膜層表面粗糙多孔有利于細胞附著［4］.

圖1 微弧氧化膜層表面形貌的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of surface morphologies of coatings fabricated by MAO

2.2 微弧氧化膜層相組成 微弧氧化膜層的XRD譜如圖2所示.由圖2中曲線a可見，膜層相組成主要為銳鈦礦型TiO2和金紅石型TiO2，未形成HA相.由圖2中曲線b可見，除銳鈦礦型TiO2和金紅石型TiO2特征峰外，出現(xiàn)了HA的特征峰，表明膜層中出現(xiàn)HA相，但HA特征峰較寬，即膜層中HA的結晶程度較低，存在大量無定型態(tài)的鈣磷成分.此外，在微弧氧化為5min和10min的XRD譜中均可見較強的鈦基體特征峰，表明微弧氧化過程形成的膜層較薄.

圖2 微弧氧化膜層的XRD譜Fig.2 XRD patterns of the coatings fabricated by MAO

圖3 微弧氧化膜層的FT－IR譜Fig.3 FT－IR pattern of the coating fabricated by MAO

微弧氧化10min時所得膜層的紅外光譜如圖3所示.由圖3可見：在550～650cm－1處出現(xiàn)基團O—P—O彎曲振動雙峰和OH－的吸收峰［5］，這是典型的HA結構特征；在1 020～1 100cm－1處為的吸收峰；在3 450cm－1附近有一個較寬的H2O吸收峰；在1 650cm－1處存在一個較弱的H2O吸收峰［6］.由XRD和FT－IR的測試結果可知，該膜層由TiO2／HA復合組成并含有大量其他無定形態(tài)鈣、磷成分.且該復合膜層比純HA膜層與基體間的結合強度大［7］.

2.3 SBF浸泡后膜層表面形貌 微弧氧化處理10min制備的膜層經SBF浸泡后表面形貌的SEM照片如圖4所示.由圖4（A）可見，膜層的多孔形貌變化較??；由圖4（B）可見，沉積層開始沿微孔在膜層表面沉積鋪展，同時孔徑縮小，孔徑較小的微孔逐漸消失，表面趨于平整；由圖4（C）可見，膜層表面基本被沉積層覆蓋，僅有極少量微孔露出；由圖4（D）可見，膜層已被沉積層完全覆蓋，表面更平整.

圖4 微弧氧化處理10min制備的膜層經SBF浸泡不同時間后表面形貌的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of surface morphologies of the coatings fabricated by MAO for 10min after soaking in the SBF for different time

2.4 SBF浸泡后膜層的相組成及化學組成 微弧氧化處理10min制備的膜層經SBF浸泡48h后的XRD譜如圖5所示.由圖5可見，存在HA、銳鈦礦型TiO2、金紅石型TiO2及鈦基體的衍射峰.相對于未浸泡前膜層的XRD譜，其HA衍射峰更強，表明經SBF浸泡后膜層中含有大量的HA成分，該膜層具有較強的誘導HA形成能力，此時HA衍射峰仍較寬，即仍存在大量非晶物質.

微弧氧化處理10min制備的膜層經SBF浸泡48h后的FT－IR譜和EDS譜分別如圖6和圖7所示.由 圖 6 可 見： 在 550～650cm－1和1 020～1 100cm－1處基團的吸收峰增強；在3 450cm－1和1 650cm－1處H2O吸收峰變尖銳；在870cm－1和1 470cm－1處出現(xiàn)吸收峰，XRD測試結果未發(fā)現(xiàn)碳酸鹽晶相，表明沉積層中的成分可能復合在新形成的HA結構中，含有該碳酸磷灰石是植入材料誘導形成骨組織的必要條件.由圖7可見，新形成的沉積層主要由鈣和磷元素組成.通常微弧氧化制備含鈣和磷元素的膜層需在SBF溶液中浸泡14d以上，沉積層才能完全覆蓋膜層表面［8］，等離子噴涂制備的TiO2膜層需活化處理后才具有生物活性，且在SBF浸泡處理28d后沉積層才能完全覆蓋膜層表面［9］.因此，本文制備的膜層具有較高的生物活性.

圖5 微弧氧化處理10min制備的膜層經SBF浸泡48h后的XRD譜Fig.5 XRD pattern of the coating fabricated by MAO for 10min after soaking in the SBF for 48h

圖6 微弧氧化處理10min制備的膜層經SBF浸泡48h后的FT－IR譜Fig.6 FT－IR pattern of the coating fabricated by MAO for 10min after soaking in the SBF for 48h

圖7 微弧氧化處理10min制備的膜層經SBF浸泡48h后的EDS譜Fig.7 EDS pattern of the coating fabricated by MAO for 10min after soaking in the SBF for 48h

［1］ZHONG Tao－sheng，JIANG Bai－ling，LI Jun－ming.Characteristics，Application and Research Direction of Micro－arc Oxidation Technology ［J］.Electroplating ＆ Finishing，2005，24（6）：47－50.（鐘 濤 生，蔣 百 靈，李均明.微弧氧化技術的特點、應用前景及其研究方向 ［J］.電鍍與涂飾，2005，24（6）：47－50.）

［2］YU Wei－xian，ZHANG Yu－feng，ZHANG Ying－jie，et al.Effect of Microarc Oxidation Ceramic Membrane on NiCr Alloy on the Release of Ni Ions［J］.Journal of Jilin University：Science Edition，2012，50（5）：1029－1032.（于維先，張玉鳳，張影杰，等.鎳鎘合金表面的微弧氧化陶瓷膜對鎳離子析出的影響 ［J］.吉林大學學報：理學版，2012，50（5）：1029－1032.）

［3］Nouri A，Castro R，Santos J L，et al.Calcium Phosphate－Mediated Gene Delivery Using Simulated Body Fluid（SBF）［J］.International Journal of Pharmaceutics，2012，434（1／2）：199－208.

［4］Singh R G.Evaluation of the Bioactivity of Titanium after Varied Surface Treatments Using Human Osteosarcoma Osteoblast Cells：An in vitro Study［J］.Int J Oral Maxillofac Implants，2011，26（5）：998－1003.

［5］Kim H W，Koh Y H，Kong Y M，et al.Strontium Substituted Calcium Phosphate Biphasic Ceramics Obtained by a Powder Precipitation Method［J］.J Mater Sci Mater Med，2004，15（10）：1129－1134.

［6］Balamurugan A，Balossier G，Kannan S，et al.Electrochemical and Structural Characterisation of Zirconia Reinforced Hydroxyapatite Bioceramic Sol－Gel Coatings on Surgical Grade 316LSS for Biomedical Applications［J］.Ceramics International，2007，33（4）：605－614.

［7］Kim H W，Koh Y H，Li L H，et al.Hydroxyapatite Coating on Titanium Substrate with Titania Buffer Layer Processed by Sol－Gel Method［J］.Bimaterials，2004，25（13）：2533－2538.

［8］WEI Da－qing，ZHOU Yu，JIA De－chang，et al.Characteristic and in vitro Bioactivity of a Microarc－Oxidized TiO2－Based Coating after Chemical Treatment［J］.Acta Biomater，2007，3（5）：817－827.

［9］ZHAO Xiao－bing，LIU Xuan－yong，CHEN Zhi－gang，et al.Study on Bioactivity of Plasma－Sprayed Titania Coating［J］.Journal of Inorganic Material，2008，23（5）：1021－1026.（趙曉兵，劉宣勇，陳志剛，等.等離子體噴涂氧化鈦層的生物活性研究 ［J］.無機材料學報，2008，23（5）：1021－1026.）