超細(xì)晶純鈦種植體表面微弧氧化處理的實(shí)驗(yàn)研究

賈曉瑞，辛海濤，張 強(qiáng)，宋鑫磊，安佰利

(1.第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，軍事口腔醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710032 2.蘭州軍區(qū)空軍機(jī)關(guān)醫(yī)院，甘肅蘭州730020)

純鈦材料具有良好的生物相容性和耐腐蝕性，且能與牙槽骨組織形成良好的骨結(jié)合，因此作為種植體材料已廣泛應(yīng)用于臨床［1］。但純鈦的機(jī)械強(qiáng)度比鈦合金低，將純鈦種植體應(yīng)用于臨床時(shí)會(huì)因種植體折斷而影響種植修復(fù)壽命［2］。另有文獻(xiàn)報(bào)道，鈦合金的機(jī)械強(qiáng)度雖相對(duì)較高，但由于該合金中所含的鋁和釩元素會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒副作用，也在一定程度上限制了其作為種植體材料在口腔臨床中的應(yīng)用［3-4］。因此，需要對(duì)純鈦材料的組織與結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以提高其機(jī)械性能來(lái)滿足臨床種植需要。

晶粒細(xì)化是一種通過(guò)改變金屬材料的晶粒大小和結(jié)構(gòu)來(lái)提高其機(jī)械性能的方法，而且在細(xì)化過(guò)程中不會(huì)形成任何有害元素［5］。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，采用等通道擠壓技術(shù)對(duì)純鈦材料的晶粒進(jìn)行細(xì)化處理后，可使其晶粒直徑由40 μm減小到300 nm;細(xì)化后的材料硬度值由1 496 MPa上升到2 458 MPa，動(dòng)態(tài)、靜態(tài)壓縮屈服強(qiáng)度分別從900、300 MPa 上升到1 240、772 MPa［6］。Park 等研究也證明，超細(xì)晶純鈦能促進(jìn)成骨細(xì)胞在其表面的黏附和繁殖［7］。以上研究結(jié)果提示，具有更高強(qiáng)度和良好生物相容性的超細(xì)晶純鈦更適合作為種植體的材料用于臨床。

為了提高種植體的骨結(jié)合率和減少種植失敗的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有的純鈦種植體都要進(jìn)行表面處理［8-10］。表面處理技術(shù)主要有物理方法、電化學(xué)方法和化學(xué)方法［11-13］，其中微弧氧化(MAO)是目前應(yīng)用較廣，改性效果好并且技術(shù)成熟的方法［14-16］。為了能將超細(xì)晶純鈦應(yīng)用于口腔種植修復(fù)，本實(shí)驗(yàn)采用微弧氧化技術(shù)在超細(xì)晶純鈦表面制備氧化涂層，并通過(guò)測(cè)量氧化涂層的組成及其相關(guān)性能評(píng)價(jià)，以探討微弧氧化技術(shù)用于超細(xì)晶純鈦材料表面處理的可行性。

1 材料和方法

1.1 試件制備

取直徑10 mm、長(zhǎng)10 cm的圓柱狀商業(yè)純鈦(99.5%，2級(jí))(西北工業(yè)大學(xué))用等通道擠壓(ECAP)模具常溫下擠壓4道次，然后進(jìn)行熱處理將其制成超細(xì)晶純鈦材料(圖1)。分別取上述制備的超細(xì)晶純鈦和普通純鈦，將其線切割成直徑6 mm、厚3 mm的圓盤狀試件后，用SiC砂紙拋光至1 500目;然后再依次用丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水各超聲震蕩清洗3次備用。

圖1 等通道擠壓技術(shù)示意圖和制備的超細(xì)晶純鈦

1.2 制備微弧氧化涂層

取上述制備的超細(xì)晶純鈦試件和普通純鈦試件(作為對(duì)照)各12個(gè)，分別置于微弧氧化設(shè)備(MAO-100D，長(zhǎng)安大學(xué)提供)中的陽(yáng)極處;然后以不銹鋼板作為陰極，混合性水溶液作為電解液，并在電壓450 V、單脈沖、頻率500 Hz、循環(huán)周期為15%的條件下進(jìn)行微弧氧化處理15 min。

1.3 微弧氧化涂層性能測(cè)定

微弧氧化處理結(jié)束后，將兩種試件各隨機(jī)分為2組(每組6個(gè)試件)。一組采用X射線能譜儀(ZEISS SUPRATM55，徳國(guó))分析各試件氧化涂層的元素組成，場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)(ZEISS SUPRATM55，徳國(guó))觀察并測(cè)量各試件氧化涂層表面和橫斷面的形貌及其厚度;另一組采用三維形貌掃描儀(NANOVEA，美國(guó))測(cè)量各試件氧化涂層的表面粗糙度、涂層附著力自動(dòng)劃痕儀(WS-2005，蘭州)測(cè)量各試件氧化涂層與基體的結(jié)合力強(qiáng)度。每種測(cè)量方法均在每個(gè)試件上各隨機(jī)測(cè)量3個(gè)部位，并取其平均值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 各組微弧氧化涂層的元素組成

超細(xì)晶純鈦實(shí)驗(yàn)組和普通純鈦對(duì)照組微弧氧化涂層的元素組成(圖2)。超細(xì)晶純鈦表面涂層的各元素比例分別為:O(47.12%)、Ti(35.53%)、P(6.98%)、Si(10.35%)、C(0.02%)，普通純鈦表面涂層的各元素比例分別為:O(47.45%)、Ti(35.75%)、P(9.61%)、Si(7.17%)、C(0.02%)，兩組各元素的比例均無(wú)顯著性差異(P＞0.05);提示，超細(xì)晶純鈦經(jīng)微弧氧化處理后其表面的元素組成未發(fā)生明顯變化。

圖2 兩種材料表面涂層的元素組成

2.2 各組氧化涂層表面和橫截面的形貌及其厚度

SEM觀察顯示:微弧氧化處理后，超細(xì)晶純鈦和普通純鈦表面均形成了疏松多孔的氧化涂層，兩組試件的涂層表面均分布有火山口狀圓形或橢圓形微孔，其中超細(xì)晶純鈦表面氧化涂層的孔隙率大于普通純鈦的氧化涂層(圖3);通過(guò)觀察各試件表面涂層的橫截面形貌可見(jiàn)，兩組試樣表面的涂層均由兩部分組成，分別為:接觸底物結(jié)構(gòu)致密的內(nèi)層和含釋放通道疏松而多孔的外層(圖4)。涂層厚度:超細(xì)晶純鈦組為(7.833±0.771)μm，普通純鈦組為(4.775±0.558)μm，二者相比有顯著差異(P＜0.05)(表1)。

圖3 兩種材料表面形貌(SEM，×5 000)

圖4 超細(xì)晶純鈦和普通純鈦涂層的橫截面(SEM，×5000)

2.3 各組微弧氧化涂層的粗糙度

三維形貌掃描儀顯示:超細(xì)晶純鈦和普通純鈦兩種材料經(jīng)微弧氧化處理后所形成的氧化涂層均呈現(xiàn)出高低不平的粗糙界面(圖5)，其粗糙度值分別為(1.391±0.143)μm 和(1.346±0.091)μm(P＞0.05)(表1)。

圖5 超細(xì)晶純鈦和普通純鈦氧化涂層表面的三維形貌

2.4 各組微弧氧化涂層的結(jié)合力

涂層附著力自動(dòng)劃痕儀測(cè)定結(jié)果顯示，超細(xì)晶純鈦和普通純鈦經(jīng)微弧氧化處理后所形成的氧化涂層與其基體之間的結(jié)合力值分別為:(23.900±1.267)N、(23.867±1.134)N(P＞0.05)(表1)。

表1 各組微弧氧化涂層的厚度、粗糙度和結(jié)合力比較(s)

表1 各組微弧氧化涂層的厚度、粗糙度和結(jié)合力比較(s)

組別 樣本數(shù) 氧化膜厚度(μm)粗糙度(μm)結(jié)合力(N)超細(xì)晶純鈦6 7.833±0.771 1.391±0.143 23.900±1.267普通純鈦 6 4.775±0.558 1.346±0.091 23.867±1.134 t值 9.984 0.649 0.048 P值 ＜0.05 ＞0.05 ＞0.05

3 討論

鈦因其優(yōu)異的生物相容性和耐腐蝕性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于口腔種植修復(fù)中。但由于純鈦材料的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，如何提高其力學(xué)性能是近年來(lái)口腔種植研究的熱點(diǎn)。等通道擠壓是Segal等［17］20世紀(jì)80年代提出的一種制備納米材料的加工方法，所用模具由兩個(gè)成一定角度的等徑通道組成，材料受壓后可通過(guò)純剪切應(yīng)力改變晶粒結(jié)構(gòu)和大小，且能在不改變?cè)嚇映叽绲那疤嵯逻M(jìn)行多次擠壓變形，以增大總應(yīng)變量，并使晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化。本課題組前期研究表明，通過(guò)等通道擠壓可使純鈦的晶粒明顯細(xì)化、硬度和屈服強(qiáng)度明顯提高，且不會(huì)明顯改變其彈性模量，從而有利于純鈦與骨組織發(fā)生骨結(jié)合;生物安全性試驗(yàn)也表明，超細(xì)晶純鈦無(wú)毒性反應(yīng)、不含抑制細(xì)胞生長(zhǎng)成分、不會(huì)引起溶血(溶血率為1.6%)，并且對(duì)黏膜無(wú)刺激性［6］。以上研究結(jié)果提示，晶粒細(xì)化后的純鈦材料具有更好的機(jī)械性能和生物安全性，更適合作為牙科種植體材料應(yīng)用于臨床。

為了使超細(xì)晶化純鈦材料能應(yīng)用于口腔種植修復(fù)，還要對(duì)其表面進(jìn)行處理，使之能與骨組織形成良好的骨結(jié)合。目前，用于純鈦材料表面處理的方法主要有物理方法、電化學(xué)方法和化學(xué)方法。微弧氧化是近年來(lái)在陽(yáng)極氧化的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種在有色金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜的新技術(shù)，其過(guò)程和機(jī)制包括熱析出、元素?cái)U(kuò)散、等離子化學(xué)反應(yīng)和電泳效應(yīng)等。對(duì)純鈦表面進(jìn)行微弧氧化處理，可將其表層的Ti原子轉(zhuǎn)化為內(nèi)層致密、外層多孔的穩(wěn)定的TiO2活性陶瓷層，有利于提高鈦植入體的生物活性［18-19］。本實(shí)驗(yàn)選用微弧氧化技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行表面處理，通過(guò)元素分析可知，超細(xì)晶純鈦實(shí)驗(yàn)組和普通純鈦對(duì)照組表面氧化涂層中的主要元素均為 O、Ti、P、Si、C，兩種材料表面涂層的各組成元素比例基本相同;其中Ti為基體成分，O為微弧氧化過(guò)程中產(chǎn)生，而少量P、Si和C的存在則說(shuō)明:在微弧氧化過(guò)程中，有電解液中的離子沉積到試件表面，并參與了氧化膜的形成，從而形成了含有不同元素的氧化層。涂層表面形貌觀察結(jié)果顯示，微弧氧化處理后的兩組試件表面均形成了疏松多孔的氧化涂層，從而為成骨細(xì)胞的黏附提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。Akin等［20］發(fā)現(xiàn)，鈦種植體表面粗糙度的增加可以增加磷酸鈣鹽的沉積，并能提高成骨細(xì)胞造蛋白質(zhì)和提取鈣離子的能力;而疏松多孔的表面則有利于成骨細(xì)胞的黏附和增殖，并增強(qiáng)種植體與骨組織間的結(jié)合力。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，普通純鈦組涂層表面的粗糙度為(1.346±0.091)μm，超細(xì)晶純鈦組涂層表面的粗糙度為(1.391±0.143)μm，均可為成骨細(xì)胞的黏附和骨組織的結(jié)合提供較為理想的表面形貌。有研究發(fā)現(xiàn)，涂層的厚度小于10 μm時(shí)，涂層和基體間可形成較牢固的結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超細(xì)晶和普通純鈦的涂層厚度分別為(7.833±0.771)μm、(4.775±0.558)μm，而兩者的結(jié)合強(qiáng)度分別為(23.900±1.267)N、(23.867±1.134)N，無(wú)明顯差異。該結(jié)果表明，雖然超細(xì)晶純鈦組和普通純鈦組的氧化涂層厚度有差異，但涂層與其基體間仍形成了較高的結(jié)合力;提示機(jī)械性能優(yōu)越的超細(xì)晶純鈦經(jīng)微弧氧化后，可以作為種植體材料并在臨床中應(yīng)用。關(guān)于其生物安全性、生物相容性尚需進(jìn)一步研究。

本實(shí)驗(yàn)采用微弧氧化技術(shù)分別在超細(xì)晶純鈦和普通純鈦表面制備氧化涂層，并通過(guò)測(cè)定氧化層的組成及其相關(guān)性能評(píng)價(jià)，探討微弧氧化技術(shù)用于超細(xì)晶純鈦材料表面處理的可行性。結(jié)果表明，超細(xì)晶和普通純鈦表面生成的氧化涂層在元素組成、表面形態(tài)和粗糙度等方面，均未見(jiàn)明顯差異;雖然超細(xì)晶純鈦組表面的涂層厚度明顯高于普通純鈦組，但兩者的涂層與其基體的結(jié)合強(qiáng)度均較高，且無(wú)顯著性差異，均能滿足臨床種植體的使用要求。提示，機(jī)械性能良好的超細(xì)晶純鈦經(jīng)微弧氧化處理后，可在其表面形成性能良好的氧化涂層，從而為超細(xì)晶純鈦的后續(xù)生物學(xué)研究及其在口腔種植中的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)室依據(jù)。

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