鈦表面微納結(jié)構(gòu)制備及原位沉積磷酸鈣*

肖東琴　譚震　翁杰　匙峰　馮剛

(1. 南充市中心醫(yī)院·川北醫(yī)學(xué)院第二臨床學(xué)院組織工程與干細(xì)胞研究所，四川 南充 637000；2. 西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

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·論著·

鈦表面微納結(jié)構(gòu)制備及原位沉積磷酸鈣*

肖東琴1,2譚震2翁杰2匙峰2馮剛1

(1. 南充市中心醫(yī)院·川北醫(yī)學(xué)院第二臨床學(xué)院組織工程與干細(xì)胞研究所，四川 南充 637000；2. 西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

目的鈦表面結(jié)構(gòu)及成分會(huì)影響鈦和骨組織的界面鍵合，為增強(qiáng)鈦表面的生物活性，促進(jìn)材料與骨組織的鍵合，本文旨在鈦表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)并原位沉積磷酸鈣。方法首先，通過(guò)堿熱處理，在鈦表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)。將處理后的鈦置于添加環(huán)己烷六羧酸(H6L)的鈣磷溶液中，進(jìn)行水熱處理。采用SEM，EDX，XRD及FTIR等分析手段對(duì)材料進(jìn)行表征。此外，考察了鈦堿熱處理與原位沉積磷酸鈣鈦表面成骨細(xì)胞生長(zhǎng)情況。結(jié)果240 ℃堿熱處理下，鈦表面生成平均長(zhǎng)度在8 μm左右的鈦酸鈉納米線。經(jīng)過(guò)二次水熱后，磷酸鈣顆粒在納米線上發(fā)生原位沉積，而未加入H6L的鈣磷溶液中，納米線上沒(méi)有發(fā)生磷酸鈣沉積。這說(shuō)明，H6L的加入有利于磷酸鈣在納米線上沉積。細(xì)胞結(jié)果表明，原位沉積磷酸鈣的鈦表面更有利于細(xì)胞增殖。結(jié)論本文通過(guò)二次水熱的方法，成功在鈦表面制備出含磷酸鈣/納米線的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)，有望應(yīng)用于骨植入材料表面改性。

鈦；納米線；磷酸鈣；水熱處理；原位沉積

鈦及鈦合金因其具有良好的生物相容性、機(jī)械性能和優(yōu)異的耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于人體植入材料[1]。盡管其具有良好的生物相容性，但在植入初期不能與骨發(fā)生直接鍵合，缺乏生物活性[2]。因此，對(duì)鈦表面進(jìn)行改性，已引起人們的廣泛關(guān)注。研究表明：具有納米表面結(jié)構(gòu)的鈦金屬比傳統(tǒng)的鈦金屬有更好的細(xì)胞粘附性及成骨分化能力[3]。同時(shí)，Zhao等人認(rèn)為，微納米結(jié)構(gòu)對(duì)成骨細(xì)胞的增殖，蛋白質(zhì)合成，堿性磷酸酶合成，膠原蛋白的分泌，細(xì)胞外基質(zhì)礦化具有增強(qiáng)效應(yīng)[4]。通過(guò)熱處理形成的具有微納米結(jié)構(gòu)的多孔鈦，新骨生成量明顯高于普通多孔鈦，具有優(yōu)良的骨傳導(dǎo)能力[5]。磷酸鈣具有優(yōu)異的骨誘導(dǎo)性，有利于新骨形成[6]。因此，在鈦及鈦合金表面制備磷酸鈣生物活性涂層可以有效結(jié)合兩種材料的優(yōu)勢(shì)。金屬表面磷酸鈣涂層的制備方法包括等離子噴涂，生物礦化，磁控濺射，溶膠-凝膠法和電化學(xué)方法等[7-9]。通常在鈦金屬表面制備磷酸鈣涂層，均需解決金屬基底與涂層界面的結(jié)合問(wèn)題[10]。因此，如何在已構(gòu)建的鈦納米結(jié)構(gòu)表面沉積磷酸鈣，形成具有優(yōu)良界面結(jié)合和促進(jìn)骨鍵合的植入材料已成為亟待解決的問(wèn)題。本文通過(guò)堿熱處理，在鈦表面制備納米線結(jié)構(gòu)。然后二次水熱，采用小分子調(diào)控磷酸鈣生長(zhǎng)，使其在鈦納米線上原位沉積，從而成功構(gòu)建了具有多級(jí)微納結(jié)構(gòu)的鈦植入體表面。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1鈦表面納米結(jié)構(gòu)制備將鈦箔(純度>99.9%)剪成塊狀，大小為1 cm×10 cm。配置濃度為1 M的氫氧化鈉(NaOH)溶液，量取60 mL注入反應(yīng)釜中。然后，將鈦箔放入反應(yīng)釜中，置于240 ℃下，反應(yīng)5小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，取出并用去離子水沖洗，最后在60℃烘箱中烘干備用。

1.2原位沉積磷酸鈣分別稱取0.708 g四水硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O)，0.644 g十二水磷酸氫二鈉(NaHPO4·12H2O)，0.15 g環(huán)己烷六羧酸(H6L)溶于60 mL去離子水中，攪拌溶解，并用HNO3調(diào)節(jié)溶液pH值至2.5，加入2.00 g尿素(CO(NH2)2)，持續(xù)攪拌直到完全溶解。將配置好的溶液注入反應(yīng)釜中，并將堿熱處理后的鈦箔置于反應(yīng)釜內(nèi)，150 ℃下反應(yīng)3小時(shí)。結(jié)束后取出并用去離子水沖洗，60 ℃烘干待用。

1.3測(cè)試與表征利用掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI Quanta 200)觀察樣品表面形貌，X射線能譜儀(EDS)分析樣品表面元素成分；并用X射線衍射儀(XRD，PhilipsX′Pert Pro)分析樣品物相成分，紅外光譜儀(FT-IR，Nicolet 5700)分析樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)，酶標(biāo)分析儀(μ-Quant，DNM-9602G)測(cè)定吸光度值。

1.4體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)選取水熱堿處理和原位沉積磷酸鈣的鈦箔作為試驗(yàn)樣品，每組5個(gè)平行樣。將試樣置于24孔板中，再將成骨細(xì)胞(取自大鼠顱蓋骨)按照接種密度為1×104個(gè)/孔接種于材料上，在CO2恒溫培養(yǎng)箱中37 ℃培養(yǎng)。培養(yǎng)24小時(shí)后，取出試樣用PBS漂洗3次，2.5%戊二醛溶液固定，梯度乙醇脫水處理，再用乙酸乙酯脫脂，真空干燥后噴金，用SEM觀察細(xì)胞形貌。培養(yǎng)第1、3、5及7天后采用Alamar Blue法檢測(cè)成骨細(xì)胞活性與增殖情況。即棄除孔板中培養(yǎng)基，加入Alamar Blue工作液(α-MEM∶Alamar Blue= 9∶1)1 mL，放入CO2恒溫培養(yǎng)箱中37 ℃孵育4小時(shí)后，吸取上清液200 μl置于96孔板中測(cè)定其在570 nm波長(zhǎng)處吸光度值。

2　結(jié)果

2.1鈦表面納米結(jié)構(gòu)SEM分析圖1為水熱反應(yīng)下鈦表面制備納米線結(jié)構(gòu)的SEM圖。由圖可知，鈦箔表面形貌呈現(xiàn)大量納米線狀結(jié)構(gòu)，且較為均勻，長(zhǎng)度為5～10 μm，寬度為50～200 nm。納米線表面較為平整光滑。從對(duì)應(yīng)的XRD圖譜可知，樣品在2θ=35.3°、38.4°、40.4°、53.2°和63.2°分別對(duì)應(yīng)于鈦標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JSPDS 00-001-1198)的(100)，(002)，(101)，(102)，(110)晶面，而出現(xiàn)的36.5°，48.5°則對(duì)應(yīng)于鈦酸鹽(JSPDS 00-048-0693)的(251)，(063)晶面。由此可知，經(jīng)水熱堿液處理后，鈦箔表面形成的納米線主要成分是鈦酸鹽(NayH2-yTinO2n+1)[11]。

Dong等人研究了240 ℃條件下NaOH溶液濃度對(duì)鈦網(wǎng)表面形貌的影響[12]，采用0.25 M NaOH溶液水熱處理時(shí)，表面形成了鈦納米棒狀結(jié)構(gòu)，濃度升至1 M后，鈦表面形成寬約50～100 nm，長(zhǎng)5～10 μm的鈦納米線，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。本課題組前期研究了不同溫度堿熱處理對(duì)鈦表面結(jié)構(gòu)的影響，溫度為180 ℃， 200 ℃，240 ℃時(shí)，分別得到片層狀，納米棒狀以及納米線狀結(jié)構(gòu)[13]。研究表明，金屬鈦表面的納米線，能夠模仿自然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)細(xì)胞增殖粘附[14]。同時(shí)，其較高的比表面積，有利于藥物的吸附與控釋。所以本實(shí)驗(yàn)選擇溫度為240 ℃，濃度為1 M NaOH進(jìn)行第一步水熱制備鈦表面納米線結(jié)構(gòu)。

2.2原位沉積磷酸鈣的SEM分析圖2(a、b)為鈦表面微納結(jié)構(gòu)上原位沉積磷酸鈣的SEM圖。由圖可知，二次水熱后鈦納米線上原位沉積了珠子狀物質(zhì)，且該物質(zhì)并未形成較厚涂層覆蓋原有鈦納米線微結(jié)構(gòu)(圖2(a))。從圖2(b)中可以看出，鈦納米線中部被捆扎，且納米線表面變得粗糙，表面有珠子狀物質(zhì)生成。對(duì)珠子狀物質(zhì)進(jìn)行EDX圖譜(圖2(c))分析可知，其主要成分為Ca、P、Ti、O，其中Ca/P摩爾比為1.6。

圖1鈦表面微納米結(jié)構(gòu)的(a)SEM圖及對(duì)應(yīng)的(b)XRD圖譜

Figure1(a) SEM images of nano-structure on Ti surface and (b) corresponding XRD spectrum

原鈦納米線中的鈉離子并未檢測(cè)到，其原因可能是鈣離子取代了鈦納米線(主要由鈦酸鈉構(gòu)成)中的鈉離子[14]。

水熱礦化液中鈣磷離子濃度會(huì)影響磷酸鈣的成核、生長(zhǎng)。Zhang等人的研究表明當(dāng)鈣離子濃度高于0.1M時(shí)，沉積的磷酸鈣涂層完全覆蓋于納米線之上，進(jìn)而掩蓋了納米線本身的結(jié)構(gòu)[15]。本實(shí)驗(yàn)將鈣離子濃度降低到0.05M，磷酸鈣沉積在納米線表面，并保存鈦表面納米線本身的微結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建具有多級(jí)微納結(jié)構(gòu)的鈦表面。究其原因在于鈣磷離子濃度的降低，會(huì)在磷酸鈣成核后，抑制磷酸鈣的生長(zhǎng)[16]。就反應(yīng)溫度而言，宋等人發(fā)現(xiàn)水熱合成磷酸鈣時(shí)，溫度在90℃時(shí)形成主相為羥基磷灰石的混合磷酸鈣[17]。當(dāng)溫度達(dá)到150℃時(shí)，產(chǎn)物為純相羥基磷灰石，且隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)其長(zhǎng)徑比不斷升高。因此，本實(shí)驗(yàn)為不覆蓋原有鈦納米線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，原位沉積磷酸鈣，合成具有多級(jí)微鈉結(jié)構(gòu)表面的鈦植入體，選擇實(shí)驗(yàn)條件為150℃，3小時(shí)。

圖2原位沉積磷酸鈣的SEM與EDX圖

Figure2(a,b) SEM images of in-situ deposited calcium phosphate on Ti nanowire and (c) corresponding EDX graph

2.3原位沉積磷酸鈣的結(jié)構(gòu)、組成分析圖3a為二次水熱反應(yīng)后鈦表面的XRD圖譜。S1為反應(yīng)溶液添加了H6L的反應(yīng)產(chǎn)物，S2為反應(yīng)溶液未添加H6L的反應(yīng)產(chǎn)物。與鈦、鈦酸鹽(JSPDS 01-089-5009)和羥基磷灰石(HA，JSPDS 00-001-1008)標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比，可以看出除原有的鈦與鈦酸鹽的峰外，S1在2θ=25.7°，28.7°，32.0°，49.5°出現(xiàn)了HA的特征峰，并且從圖2c可知，鈦表面含有Ca、P成分，說(shuō)明鈦表面生成了主相為HA的磷酸鈣。而在S2的XRD圖譜中，并未出現(xiàn)HA的特征峰。圖3b為原位沉積磷酸鈣的FTIR圖，其中S1為反應(yīng)溶液添加H6L的反應(yīng)產(chǎn)物，S2為反應(yīng)溶液未添加H6L的反應(yīng)產(chǎn)物。分析可知，H6L調(diào)控水熱沉積磷灰石的樣品在1090cm-1處檢測(cè)到PO43-，在1440cm-1處檢測(cè)到CO32-。PO43-的出現(xiàn)說(shuō)明生成了磷酸鈣，而磷酸鈣中CO32-存在可能是由于尿素分解形成，也不排除樣品吸附CO2，生成CO32-[18-19]。由此可見(jiàn)，溶液中添加H6L后，有利于磷酸鈣在納米線上的沉積，與XRD結(jié)果一致。Zhao等人采用電化學(xué)法，在模擬體液溶液中，通過(guò)控制反應(yīng)電流在鈦納米線上沉積磷酸鈣顆粒[20]。而本文則在水熱條件下通過(guò)小分子調(diào)控磷酸鈣生長(zhǎng)，在鈦納米線上原位沉積磷酸鈣，生成多級(jí)微鈉結(jié)構(gòu)鈦表面。

圖3原位沉積磷酸鈣的XRD圖與FTIR圖(S1為反應(yīng)溶液添加了H6L的反應(yīng)產(chǎn)物，S2為反應(yīng)溶液未添加H6L的反應(yīng)產(chǎn)物)

Figure3(a) XRD spectrum of in-situ deposited calcium phosphate on Ti surface and (b) corresponding FTIR spectrum

2.4鈦表面堿熱處理及原位沉積磷酸鈣樣品體外生物相容性為考察鈦表面納米線與原位沉積磷酸鈣后樣品的生物相容性，我們研究了成骨細(xì)胞在兩種樣品表面的鋪展、粘附以及增殖情況。圖4為成骨細(xì)胞在鈦納米線與原位沉積磷酸鈣樣品表面培養(yǎng)1天的SEM形貌。由圖4可知，細(xì)胞在兩種樣品表面鋪展、粘附良好，細(xì)胞偽足清晰可見(jiàn)。結(jié)合Alamar Blue檢測(cè)結(jié)果由圖5可知，細(xì)胞在接種5天后，原位沉積磷酸鈣樣品表面細(xì)胞增殖情況明顯優(yōu)于鈦納米線表面。綜上說(shuō)明，二次水熱后，在鈦納米線上原位沉積磷酸鈣，相比于鈦納米線，更有利于細(xì)胞的增殖生長(zhǎng)。

圖4鈦表面納米線(a)與原位沉積磷酸鈣(b)樣品表面細(xì)胞粘附圖

Figure4SEM images of cell adhesion on (a) Ti nanowires and (b) in-situ deposited calcium phosphate surface

Ding等人采用1 M NaOH，220 ℃反應(yīng)8小時(shí)水熱反應(yīng)得到鈦納米線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行成骨細(xì)胞(MG-63)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)鈦納米線不利于細(xì)胞增殖[21]。本實(shí)驗(yàn)在鈦納米線上原位沉積磷酸鈣以后，相比于鈦納米線，細(xì)胞增殖情況良好。因此，在鈦納米線上沉積磷酸鈣，有利于提高其生物相容性。

圖5細(xì)胞在不同樣品表面增殖情況

Figure5Cell proliferation on different Ti surfaces

3　討論

本實(shí)驗(yàn)采用二次水熱的方法，在鈦表面納米線上原位沉積磷酸鈣晶體，既保留了原鈦表面納米線結(jié)構(gòu)，又制備出納米線/磷酸鈣多級(jí)微納結(jié)構(gòu)，賦予鈦表面生物活性。我們對(duì)其反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行推測(cè)，開(kāi)始反應(yīng)溶液中的鈣磷離子在酸性溶液中均勻分布。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中尿素逐步分解，溶液的pH值升高。反應(yīng)溶液中的小分子模板劑H6L，分子結(jié)構(gòu)中含有6個(gè)羧基，在堿性條件下脫質(zhì)子化，易與反應(yīng)溶液中的鈣離子發(fā)生螯合作用，形成Ca-H6L螯合物。Zhang等認(rèn)為，H6L易吸附在鈦納米線上，進(jìn)而與鈣螯合，使鈣磷離子聚集在納米線周圍，從而在納米線上沉積磷酸鈣顆粒[15]。至于H6L如何在納米線上吸附，仍需進(jìn)一步研究。同時(shí)，Ouyang等認(rèn)為，由于鈣離子比鈉離子活潑，所以鈣離子取代了鈦酸鈉中的鈉離子，有效促進(jìn)羥基磷灰石的定向生長(zhǎng)[14]。所以，磷酸鈣在鈦納米線上的沉積有可能是鈣離子取代納米線中鈉離子所引發(fā)的。Ca-H6L中的鈣取代納米線中的鈉離子，H6L中的羧基進(jìn)一步螯合溶液中自由鈣離子，進(jìn)而吸引磷酸根、氫氧根，形成磷酸鈣晶核，沉積在鈦納米線上。

在本實(shí)驗(yàn)中，采用二次水熱的方法，既保持了鈦納米線本身的結(jié)構(gòu)特征，又在納米線上原位沉積磷酸鈣顆粒，賦予鈦表面骨誘導(dǎo)性，成功制備了鈦納米線/磷酸鈣多級(jí)微納結(jié)構(gòu)。這種多級(jí)微納結(jié)構(gòu)有利于成骨細(xì)胞生長(zhǎng)，促進(jìn)骨植入體與組織的鍵合[22]。

4　結(jié)論

采用二次水熱的方法，在保持鈦表面原納米線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，原位沉積磷酸鈣晶體，制備出了具有納米線/磷酸鈣多級(jí)微納結(jié)構(gòu)的鈦表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小分子調(diào)控劑H6L的添加，能促進(jìn)磷酸鈣晶體在鈦納米線上的成核、生長(zhǎng)。鈣磷離子濃度的降低，能有效控制磷酸鈣的生長(zhǎng)，使其在納米線上原位沉積而不至于覆蓋納米線原有結(jié)構(gòu)。且鈦納米線原位沉積磷酸鈣后構(gòu)建的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)更有利于細(xì)胞生長(zhǎng)。此方法操作簡(jiǎn)單，有望應(yīng)用于鈦植入體表面改性，增強(qiáng)其生物活性。

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Fabrication of micro/nano-structure on titanium surface and in-situ deposition of calcium phosphate

XIAO Dongqin1,2，TAN Zhen2，WENG Jie2,et al

(1.ResearchInstituteofTissueEngineeringandStemCell,TheSecondClinicalInstituteofNorthSichuanMedicalCollege·NanchongCentralHospital,Nanchong637000,Sichuan,China;2.KeyLabofAdvancedTechnologiesofMaterials,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

ObjectiveTitanium (Ti) and alloys are widely used in the bone repair due to their good biocompatibility. The bonding between Ti implants and tissues is significantly affected by Ti surface microstructure and composition. Therefore, in order to enhance the biological activity of the titanium surface and promote the bonding of materials and bone tissues, the study was aimed to construct micro/nano-structures on titanium surface and in-situ deposition of calcium phosphate. MethodsFirst, alkali-heat treatment was used to construct microstructures on titanium surface. Then, CaP crystals were deposited on the treated Ti surface from solutions containing cyclohexanehexacarboxylic acid (H6L) under hydrothermal conditions. Products were characterized by scanning electron microscope equipped with energy disperse spectroscopy, X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscope spectrometry. In addition, the cell growth on the alkali-heat treated Ti surface and calcium phosphate in-situ deposited Ti surface was also investigated. ResultsNanowires (mean length: ～ 8 μm) formed on the Ti surface at 240 ℃. After the two-step hydrothermal treatment, calcium phosphate particles are deposited on the titanium nanowire, and calcium phosphate could not deposit on titanium nanowire without H6L in solution. The results proved that H6L was beneficial for calcium phosphate deposition on the titanium nanowire. Moreover, cell results indicated that Ti surface modified by calcium phosphate in-situ deposition was more favorable for cell proliferation. ConclusionThe two-step hydrothermal method was successfully used to fabricate hierarchical structure composed of calcium phosphate/nanowire and is expected to be applied to the surface modification of bone implants.

Titanium; Nanowires; Calcium phosphate; Hydrothermal treatment; In-situ deposition

國(guó)家自然科學(xué)基金面上研究項(xiàng)目(51572228)；四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2016JY0123)；四川省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(13TD0030)；四川教育廳重大培育項(xiàng)目(15CZ0021)

翁杰，教授，主要研究方向：生物醫(yī)用材料, E-mail: jweng@swjtu.edu.cn

R 318.08

A

10.3969/j.issn.1672-3511.2016.08.007

2016-04-22； 編輯： 張文秀)