鈦合金表面梯度摻鍶透鈣磷石涂層研究

李忻暢，閆玉婷，方謙，梁永強

(華北理工大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，河北 唐山　063000)

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鈦合金表面梯度摻鍶透鈣磷石涂層研究

李忻暢，閆玉婷，方謙，梁永強

(華北理工大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，河北 唐山063000)

通過2步電化學(xué)沉積工藝，以醫(yī)用鈦合金(Ti-6Al-4V)作為基板，制備梯度摻鍶透鈣磷石涂層，為涂層鈦(合金)的臨床應(yīng)用與進一步實驗研究提供有價值的理論參考．實驗采用X線衍射儀(XRD)以及X線熒光光譜儀(XRF)檢測試件涂層成分和摻鍶量，場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀測微觀形貌，溶血實驗檢測溶血率，初步判斷其體外生物相容性．根據(jù)檢測結(jié)果，按照n(Sr)/n(Sr+Ga) 計算涂層摻鍶量，結(jié)果顯示成功在鈦合金基板上制備鍶的物質(zhì)的量分數(shù)為10%、15%、20%的透鈣磷石涂層，SEM觀察涂層形態(tài)規(guī)則致密，檢測溶血率均小于5%，符合醫(yī)用材料相應(yīng)要求(<5%)．

醫(yī)用鈦合金；電化學(xué)沉積；鍶；透鈣磷石；涂層

鈦合金(Ti-6Al-4V)作為外科植入物用材料，臨床常用于修復(fù)和輔助治療人體重要骨組織器官[1]，如口腔牙種植體和種植支抗、人工關(guān)節(jié)以及骨修復(fù)產(chǎn)品等．但是由于鈦合金生物活性差，無誘導(dǎo)和引導(dǎo)骨再生能力，因此需要通過表面涂層等改性方法加強鈦合金制品在骨組織中的固定能力．常用的金屬表面涂層改性處理法主要有涂覆-燒結(jié)法、等離子噴涂法、電化學(xué)沉積法等，其中，電化學(xué)沉積技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢尤為突出，如：對金屬基底體積及形態(tài)要求低，口腔種植體以及骨科孔狀鈦板等均可通過此法進行表面改性；成本低，可控制因素較多，通過改變電流、電壓等參數(shù)可以間接控制電沉積涂層厚度、成分組成比例等屬性.國內(nèi)外已有許多研究通過電化學(xué)沉積法制備金屬基鈣磷類涂層，并取得了一定成果[2-3]．

透鈣磷石(CaHPO4·2H2O，Brushite)作為動物骨骼無機成分羥基磷灰石(hydroxylapatite，HA)的前體物質(zhì)，具有良好的生物相容性以及誘導(dǎo)、引導(dǎo)成骨作用，且在體內(nèi)更易溶解，降解吸收速度較羥基磷灰石快[4-5]．但在以往研究中關(guān)于羥基磷灰石的金屬基涂層較多[6-7]，而關(guān)于透鈣磷石的較少，這可能是由于透鈣磷石降解速度較快，致使成骨作用較羥基磷灰石弱，因此限制了其應(yīng)用．鍶(strontium，Sr)作為治療骨質(zhì)疏松的常見藥物，與Ga元素在骨骼系統(tǒng)中的代謝性為基本一致，具有抑制骨吸收和促進成骨的雙重作用[8]．體外及動物實驗已證明鍶及透鈣磷石在骨組織工程學(xué)中的積極作用[9-10]，梁永強[11]采用電化學(xué)沉積法對摻鍶透鈣磷石涂層進行了初步研究，本實驗通過將以往研究方法進行改進創(chuàng)新，旨在利用2步電化學(xué)沉積法，制備出不同摻鍶濃度的透鈣磷石涂層，為涂層鈦(合金)在口腔及骨組織工程學(xué)中的應(yīng)用提供更多參考與途徑．

1　材料與方法

1.1材料與儀器

實驗材料與試劑：醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-4V(寶雞高新興隆鈦業(yè)有限公司)；氯化鍶SrCl2·6H2O、氯化鈣CaCl2、二水磷酸氫氨NH4H2PO4(分析純，天津市化學(xué)試劑批發(fā)公司)；氫氧化鈉NaOH(分析純，天津歐博凱化工有限公司)；鹽酸HCl、硫酸H2SO4(華北理工大學(xué)實驗中心提供)．

儀器：數(shù)字直流電位差計(杭州大華儀器制造有限公司)；HH-2型恒溫水浴鍋(石家莊金陵公司)；GZX-9140MBE電熱恒溫干燥箱(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；SpectraMax190型光吸收酶標儀(美國Molecular Devices Corporation公司)；S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；D/MAX2500PC型X線衍射儀(日本理學(xué)株式會社)；ZSX Primus Ⅱ型X線熒光光譜儀(日本理學(xué)公司)．

1.2方法

1.2.1試件處理及溶液配制

試件預(yù)處理：將醫(yī)用鈦合金(Ti-6Al-4V)制成10 mm×10 mm×2 mm規(guī)格鈦合金板36枚，采用酸堿2步預(yù)處理，首先用320號、600號、1 000號砂紙對樣品進行打磨，丙酮、無水乙醇、去離子水分別超聲清洗20 min后干燥箱中干燥，然后將其置于混合酸溶液(5.80 mol/LHCl+8.96 mol/LH2SO4)，60 ℃環(huán)境中浸泡1 h，再浸入10 mol/L NaOH溶液60 ℃下處理24 h，淋洗后去離子水中待用．

溶液配制：采用二次蒸餾水作為溶劑，CaCl2、NH4H2PO4以及SrCl2·6H2O作為溶質(zhì)，分別配制電化學(xué)沉積溶液Ⅰ、Ⅱ，pH值4.5．溶液Ⅰ溶質(zhì)：0.067 mol/L SrCl2·6H2O，0.050 mol/L NH4H2PO4；溶液Ⅱ溶質(zhì)：0.067 mol/L CaCl2，0.050 mol/L NH4H2PO4．

1.2.2涂層制備

將處理好的鈦合金板分為3組，每組12個樣本，反應(yīng)溫度60 ℃，鈦合金板作為陰極，石墨板作為陽極，數(shù)字電位直流電位差計作為電沉積電源(恒電壓2.5 V)．反應(yīng)時鈦合金板與石墨板垂直距離1.5 cm，通過調(diào)節(jié)電解液濃度和反應(yīng)時間，采用2步電化學(xué)沉積工藝進行摻鍶量(物質(zhì)的量分數(shù))為10%、15%、20%的梯度摻鍶透鈣磷石涂層制備．第1步采用Ⅰ液在試件表面沉積生成SrHPO4結(jié)晶，第2步更換溶液Ⅱ沉積生成Brushite晶體，總反應(yīng)時間恒定2 h．沉積時間分配：10%組在100 mL溶液Ⅰ中反應(yīng)1/6 h，然后馬上置入Ⅱ液反應(yīng)11/6 h；15%組在100 mL溶液Ⅰ中反應(yīng)1/4 h，然后馬上置入Ⅱ液反應(yīng)7/4 h；20%組在100 mL溶液Ⅰ中反應(yīng)1/3 h，然后馬上置入Ⅱ液反應(yīng)5/3 h，制備完成的試件去離子水淋洗后，50 ℃烘箱烘干，常溫放置．

1.2.3試件分析

采用X線衍射儀(XRD)分析沉積后涂層成分，X線熒光光譜儀(XRF)分析確定涂層摻鍶量，肉眼及掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析涂層微觀形貌．

1.2.4溶血實驗

參照國家及醫(yī)藥行業(yè)標準[12-13]，經(jīng)一定改進后進行溶血實驗．首先家兔耳緣靜脈取血管(肝素抗凝)取血4 mL，制備成新鮮抗凝兔血，再加入質(zhì)量分數(shù)為0.9%生理鹽水5 mL稀釋后，(4±2) ℃環(huán)境保存待用．檢測用浸提液分5組配置：10%組取9個試件消毒后平均放入3個試管，每個試管加入5 mL生理鹽水，15%組、20%組分別取各自組試件以同樣做法制得3個平行組；試管中加入5 mL生理鹽水作為陰性對照組，加入5 mL蒸餾水作為陽性對照組，各設(shè)3個平行組．實驗時將各組試管全部放入37 ℃恒溫水浴箱保溫30 min，然后各放入稀釋兔血0.1 mL，輕輕搖勻后再置于37 ℃恒溫水浴箱保溫60 min后取出，800 r/min離心5 min，取上清液，用酶標儀在545 nm波長下測吸光度(OD值)．溶血率(Z)按如下公式計算：

2　結(jié)果與討論

2.1XRD分析

圖1為不同時間配比下所得涂層的XRD圖譜．XRD分析表明，經(jīng)過2步電化學(xué)沉積工藝制備的10%組、15%組、20%組的表面涂層成分均為Brushite和SrHPO4晶體混合物.其中Ⅱ液所沉積的Brushite晶體(020)晶面衍射峰增長優(yōu)勢顯著，且強度隨反應(yīng)時間延長而增大；Ⅰ液所沉積SrHPO4晶體的(120)、(102)晶面衍射峰具有生長優(yōu)勢，但強度較弱，表明一定時間內(nèi)，Brushite和SrHPO4沉積量與反應(yīng)時間呈正相關(guān).SrHPO4(120)晶面衍射峰隨反應(yīng)時間的延長雖有一定增強趨勢，但較Brushite晶體(020)晶面衍射峰強度變化不明顯，考慮可能是由于在2步電化學(xué)沉積摻鍶透鈣磷石涂層工藝中，第1步反應(yīng)所制備的SrHPO4涂層沉積時間與總時間2 h之比分別為1/12、1/8、1/6，因此時間相對較短，導(dǎo)致SrHPO4沉積量在總沉積量中比重較小，變化弱．

圖1　不同時間配比下沉積涂層的XRD譜Fig.1　Different time ratios on specimen deposited coating’s XRD pattern

2.2XRF分析

為節(jié)省檢測時間與成本，本實驗僅對所需元素Sr、Ga進行了分析(管壓50 kV，管流50 mA,不使用濾光片)，根據(jù)試件所測平均每cm2所含SrO、GaO質(zhì)量(mg/cm2)，換算試件涂層鍶的物質(zhì)的量分數(shù)．結(jié)果如表1所示，10%組、15%組、20%組所得鍶的物質(zhì)的量分數(shù)分別為10.05%、15.34%、20.97%，均近似于預(yù)期濃度．可以判斷在一定時間范圍內(nèi)，隨著Ⅰ液反應(yīng)時間增加和Ⅱ液反應(yīng)時間的減少，摻鍶透鈣磷石涂層的摻鍶量成一定程度增長．

相關(guān)實驗證明[7，14]，一定量的鍶可以促進新骨形成，但過量鍶會產(chǎn)生毒性，因此本實驗涂層選擇10%、15%、20%鍶的物質(zhì)的量分數(shù)進行制備．費克第二定律(Fick’s second law)指出反應(yīng)時間與涂層的生成量成正比，但反應(yīng)時間過長會使陰極電阻增大，抑制電化學(xué)反應(yīng)，影響陰極金屬涂層表面晶體致密性，因此實驗將總沉積時間控制在2 h，力求在保證涂層沉積量的同時又保證涂層晶體的致密性，并通過控制電沉積Ⅰ液與Ⅱ液反應(yīng)時間調(diào)節(jié)摻鍶透鈣磷石涂層摻鍶量．

常用的X線樣品檢測方法，按照激發(fā)、色散以及探測方法的不同可分為能量色散分析(X線能譜分析)和波長色散分析(X線熒光光譜析).X線熒光光譜分析技術(shù)常用于液體、固體薄膜以及粉末樣品的定性及定量分析，是材料成分分析的通用技術(shù)之一．與常見的X線能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)對金屬基涂層進行成分定量分析相比，XRF檢測具有不破壞樣品屬性，一次檢測范圍大、數(shù)量多，操作簡便等諸多優(yōu)點[15]，更適用于涂層檢測．

表1　涂層XRF分析結(jié)果

2.3肉眼觀察及SEM觀察

普通光源下觀察涂層后試件，10%組、15%組，20%組涂層均勻白色致密，在光源下移動可見滿天星樣晶體反射光，無明顯區(qū)別．SEM觀察高倍鏡(1 000×倍)下觀察，如圖2所示，涂層由大、小不同尺寸晶體組成，10%組小晶體形態(tài)細長而薄，針刺叢狀；15%組小晶體尺寸相比10%組有所增大，呈短柱狀或?qū)捚瑺罹奂蓤F；20%組小晶體與15%組相似，個別晶體呈蜂窩狀；3組大晶體形態(tài)變化不大，基本成長短不一的柱狀和平滑板狀，呈放射形無序但致密地生長在小晶體之間.經(jīng)掃描電子顯微鏡能譜分析，推測形態(tài)較小晶體基本為第1步電化學(xué)沉積所產(chǎn)生的SrHPO4晶體，其形態(tài)差異可能由沉積時間長短所影響，Ⅰ液沉積時間短者晶體體積小，隨著沉積時間變長晶體體積有一定限度的增加，且沉積量增大，從而增加涂層摻鍶量．

圖2　10%組、15%組、20%組SEM形貌(1 000×)Fig.2　Micro morphology of 10%、15%、20% group sedimentary layer(1 000×)

采用電化學(xué)沉積法制備金屬基地涂層具有諸多優(yōu)點，如：反應(yīng)溫度低，不破壞金屬基底性狀；沉積涂層均勻致密不易發(fā)生皸裂，且可以保證涂層多隙粗糙的微觀結(jié)構(gòu)，更有利于鈦合金與骨組織的結(jié)合等.因此本實驗采用電化學(xué)沉積技術(shù)，并將反應(yīng)分為2步進行，力求更好地控制涂層摻鍶量，制備梯度摻鍶透鈣磷石涂層．

2.4溶血實驗結(jié)果分析

各組試件OD值以及溶血率(Z)檢測結(jié)果見表2，10%組、15%組、20%組試件溶血實驗后所測溶血率均小于5%，表明在此實驗條件及要求下各組試件無生物毒性，血液相容性好，符合醫(yī)用材料對于溶血性能的限制要求(<5%)．

表2　不同摻鍶濃度涂層試件的溶血評價

3　結(jié)論

采用2步電化學(xué)沉積技術(shù)，以醫(yī)用鈦合金(Ti-6Al-4V)為基板，通過調(diào)節(jié)SrHPO4與Brushite的沉積時間，在一定條件下可以成功制備摻鍶量為10%、15%、20%的梯度摻鍶透鈣磷石涂層.涂層均勻致密，溶血實驗檢測溶血率均小于5%，符合國家及醫(yī)藥行業(yè)標準對醫(yī)用材料溶血性能限制的要求，初步評價體外生物相容性良好，為其在口腔和骨組織工程中的臨床應(yīng)用與進一步實驗研究提供有價值的理論參考．

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(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Gradient strontium-brushite coatings of medical titanium alloy surface

LI Xinchang,YAN Yuting,FANG Qian,LIANG Yongqiang

(College of Stomatology,North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,China)

The concentration gradient of strontium-doped brushite coatings was prepared by two steps electrochemical depositions on the surface of medical titanium alloy(Ti-6Al-4V),which provided valuable theoretical reference for the clinical application and further experimental research of titanium (alloy)coating.The chemical compositions of coatings was analyzed by X-ray diffractometer(XRD),and the concentration of doped strontium was examed by X-ray fluorescence spectrometer(XRF).Field emission scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the morphology of strontium-doped brushite coatings.The biocompatibility of strontium-doped brushite coatings was judged preliminarily by hemolysis rate that was tested by hemolysis test in vitro.The concentration of strontium was calculated according to the ratio ofn(Sr)/n(Sr+Ga).Our results showed the concentrations of strontium-doped for strontium-doped brushite coatings were the percent of 10,15 and 20.The SEM images showed that the morphology of coatings was regular and compact.The rate of hemolysis was less than 5%,which was in accordance with the requirements of medical materials (<5%).

medical titanium alloy；electrochemical deposition；strontium；brushite；coating

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.02.004

2015-11-10

河北省教育廳重點項目(ZD2015016)

李忻暢(1989—)，女，河北保定人，華北理工大學(xué)在讀碩士研究生.E-mail：lxcsyp@sina.com

梁永強(1971—)，男，陜西銅川人，華北理工大學(xué)副教授，博士，主要從事口腔種植、正畸學(xué)方向研究.

E-mail:lych810@foxmail.com

R318.08

A

1000-1565(2016)02-0129-05