表面氮化純鐵生物學(xué)性能的研究

伍青芳，畢 瑜，余 林，劉恒全

成都理工大學(xué)，材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059

表面氮化純鐵生物學(xué)性能的研究

伍青芳，畢 瑜，余 林，劉恒全

成都理工大學(xué)，材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059

采用氣體軟氮法對工業(yè)純鐵進(jìn)行表面氮化．用X射線衍射、金相顯微鏡、掃描電鏡分別對樣品表面的結(jié)構(gòu)及形貌進(jìn)行分析，用相變溫度分析儀測定純鐵表面氮化層相變溫度，用顯微硬度儀分析樣品表面硬度，通過溶血率、血小板粘附實(shí)驗(yàn)表征純鐵表面血液相容性．結(jié)果表明：滲氮后鐵表面有5 μm左右的白亮層，該白亮層為氮鐵化合物層，由ε相和γ′相組成，具有較高硬度及脆性，從而使?jié)B氮鐵的硬度有顯著提高；純鐵溶血率為3.81%，大于氮化處理鐵的2.9%；血小板實(shí)驗(yàn)證明，表面氮化鐵的血小板粘附率較低，表明經(jīng)氮化處理的純鐵表面生物學(xué)性能有所改善．

氣體軟氮法；血液相容性；硬度；耐腐蝕．

心血管疾病已嚴(yán)重威脅著人們的生命健康，支架植入術(shù)為治療心血管疾病帶來突破性進(jìn)展．但是，血管支架[1-3]作為異物長期存在血管內(nèi)容易引起血栓及再狹窄等并發(fā)癥，因此尋找一種短期起到血管支撐作用、后期能逐漸消失的血管支架材料成為近年來的研究熱點(diǎn)[4-7]．鐵作為人體所需的微量元素之一，與人體有很好的生物相容性[8]．鐵的腐蝕是一個(gè)緩慢的過程，在它完全降解前可對血管起到支撐作用[9]．Peuster等人[10]制作了一種可降解的純鐵支架，證明了鐵基可作為血管支架．Waksman等人[11]將純鐵支架和鈷鉻合金支架進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，純鐵支架性能優(yōu)于鈷鉻支架性能．Nie等人[12]發(fā)現(xiàn)，納米晶的純鐵材料抗腐蝕能力優(yōu)于微米晶的純鐵材料．由于純鐵在體內(nèi)的降解速率是不可控的，因此純鐵表面處理對改變材料的物理化學(xué)及生物學(xué)性能來說十分關(guān)鍵．

氣體氮化是一種低溫?zé)崽幚砉に?，?jīng)氮化處理后的材料表面形變很小、氮化層硬度高、抗疲勞性能良好．因此，氮化處理工藝得到廣泛的應(yīng)用[13]．本研究采用氣體軟氮化法對純鐵表面進(jìn)行氮化處理，并對氮化處理后純鐵的性能進(jìn)行了研究．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 氮化處理

實(shí)驗(yàn)材料為10 mm×10 mm×0.3 mm的工業(yè)純鐵片，經(jīng)機(jī)械打磨拋光后，在可控氣氛爐(BTF-1200C真空管式爐)中進(jìn)行滲氮．首先通入氮?dú)猓O(shè)定氣流量為200 mL/min，在70 min內(nèi)將爐溫度升至600 ℃，然后關(guān)閉氮?dú)忾y門，打開氨氣閥門，氨氣進(jìn)氣量為200 mL/min，保溫2.5 h后關(guān)閉氨氣閥門，打開閥門至爐冷卻后取出樣品．

1.2 分析測試

X射線衍射分析：將工業(yè)純鐵樣品及表面氮化純鐵樣品放入檢測儀器(上海精密儀器，DX-2700型)中，然后開始掃描并記錄數(shù)據(jù)．其中設(shè)置掃描步寬為0.05 °，掃描范圍為5～80 °，管電壓為40 kV，管電流為30 mA．

金相顯微觀察：將打磨拋光后的工業(yè)純鐵試樣浸入100 mL的腐蝕液(乙醇(φ=90%)+硝酸(φ=10%)的混合溶液)中浸泡7～10 s，然后吹干，在金相顯微鏡下觀察試樣的組織形貌．

掃描電鏡分析：將工業(yè)純鐵樣品及經(jīng)過氮化處理后的樣品清潔并表面噴金，用掃描電鏡(日本日立，S-530型)對試樣的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察．

相變溫度分析：將氮化處理的試樣放入相變溫度分析儀(彼奧德電子技術(shù)有限公司，PCA-1200型)中，擰緊閥門并打開真空泵．首先升溫至50 ℃，1 min后開始擬合，然后升溫至600 ℃，3 min后開始擬合．檢測完成后自然降溫冷卻，待溫度下降到100 ℃以內(nèi)時(shí)先關(guān)閉真空泵，然后通入空氣，最后打開閥門，取出樣品．

顯微硬度測試：將試樣置于砧座和壓針之間，當(dāng)壓針與檢測面垂直時(shí)輕輕壓下手柄，使壓針壓住試樣，然后快速壓下手柄，施加足夠的力，使壓針套筒的端面緊壓在試樣上，從表頭讀出硬度值(精確到0.5 HV)．超出限度的下壓力，會被彈簧平衡掉，而不會損壞硬度計(jì)．再次測量時(shí)，兩相鄰壓痕中心間距離應(yīng)不小于6 mm．

1.3 血液相容性

取新鮮抗凝兔血4 mL，加入5 mL濃度為0.9%的氯化鈉溶液，將血稀釋備用．將兩組10 mm×10 mm的純鐵、不銹鋼和氮化后的純鐵的薄膜樣品分別放于不同試管中．一組加入10 mL的0.9%氯化鈉溶液，作為陰性對照組．另一組加入10 mL的蒸餾水，作為陽性對照組．然后將所有樣本同置于37 ℃水浴中保溫30 min，再往各試管中加入稀釋血0.2 mL，于37 ℃水浴繼續(xù)保溫60 min，經(jīng)5 min離心后，取上清液在波長540 nm下測吸光度．材料的溶血率按下式計(jì)算：

(1)

式(1)中R為溶血率，A為試樣吸光度，C1為陰性對照樣吸光度，C2為陽性對照樣吸光度．

將新鮮抗凝兔血在離心機(jī)上以800 r/min的離心速率離心15 min，取上清液得到富血小板血漿(PRP)．不同樣品經(jīng)丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲洗凈，用PRP浸泡樣品，在37 ℃的恒溫水浴中培養(yǎng)15 min，然后用磷酸鹽緩沖液(PBS)漂洗樣品，用2%的戊二醛固定試樣，再用乙醇梯度脫水，在光學(xué)顯微鏡下觀察血小板粘附狀況．

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1為工業(yè)純鐵和氮化處理后工業(yè)純鐵的XRD圖譜．從圖1可以看到，氮化樣品表面的化合物層為呈六方晶系ε-FexN和立方γ'-Fe4N相的混合物，氮化處理后樣品表面層為鐵氮化合物白亮層，主要成分是ε-Fe2-3N相，厚度大約3～5 μm.

圖1 不同樣品的XRD圖譜Fig.1 The XRD spectrum of various samples

2.2 形貌分析

圖2為純鐵的金相圖．從圖2(a)可見，未經(jīng)氮化處理的工業(yè)純鐵的組織為塊狀?yuàn)W氏體．從圖2(b)可見：經(jīng)過氮化處理后的樣品表面顏色變深(暗沉)，純鐵表面形成致密化合物層，白亮層分布其中．氣體氮化過程中形成的化合物層比較厚．在氮?dú)夤?yīng)及氮化時(shí)間相同的處理?xiàng)l件下，含有氮化物形成元素的工業(yè)純鐵復(fù)合層也較厚，這是因?yàn)橛珊辖鹪匦纬傻牡锘蛱嫉锏牡勘辱F形成的高．

圖3為氮化處理前后工業(yè)純鐵樣品的SEM照片．從圖3可以看到，工業(yè)純鐵經(jīng)氮化處理后表面出現(xiàn)多孔的較為疏松的物質(zhì)層．進(jìn)一步觀察照片圖3(a)發(fā)現(xiàn)，疏松物質(zhì)分布不均勻，呈不連續(xù)的網(wǎng)狀．從圖3(b)可以看到，工業(yè)純鐵表面平整均勻，可以清晰看到亞微米尺寸的氮化物晶粒．

圖2 純鐵樣品的金相照片，600×(a)氮化處理前；(b)氮化處理后Fig.2 The metallographic photograph of pure iron sample，600×(a)un-treated sample；(b) treated samples

圖3 不同樣品的表面形貌(a)氮化處理；(b)未處理Fig.3 The surface morphology of different samples(a)nitrogen treatment；(b) untreated

2.3 薄膜相變

圖4為純鐵樣品表面氮化層薄膜相變曲線．由圖4可見，經(jīng)過氮化處理的工業(yè)純鐵表面在470 ℃左右發(fā)生了相變．據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[14]，純鐵在740 ℃(共析點(diǎn))以下時(shí)，當(dāng)γ′相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，ε相質(zhì)量分?jǐn)?shù)將按比例降低．在純鐵表面滲氮過程中，隨著時(shí)間的增加，γ′相可轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)，并在400～600 ℃下逐漸轉(zhuǎn)變成立方γ′相．當(dāng)?shù)幚頊囟容^低時(shí)，易發(fā)生氮化而生成Fe3N相；當(dāng)?shù)瘻囟容^高時(shí)，可生成較純的γ′相即Fe4N相．由于氮化鐵薄膜層的生成，在470 ℃附近出現(xiàn)了臺階，表明在純鐵表面有新相生成．

圖4 氮化工業(yè)純鐵表面薄膜相變曲線Fig.4 The membrane phase transition curve of industrial pure iron

2.4 表面硬度

圖5為氮化處理前后樣品的硬度．從圖5可見，氮化后樣品表面的硬度值均比未氮化純鐵表面的高，但經(jīng)過氮化處理后的樣品不同地方的硬度差值超過300 HV．這是由于氮化鐵的表面硬度由化合物層的厚度及化合物層中的ε-Fe2-3N相和γ′-Fe4N相氮化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定，表明此次實(shí)驗(yàn)所用的氮化處理方法并不完善，樣品表面處理不均勻．

圖5 不同樣品的硬度Fig.5 Hardness of different samples

2.5 血液相容性

純鐵、氮化鐵和不銹鋼均符合溶血率小于5%這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[15]，它們作為血液接觸材料時(shí)不會破壞紅細(xì)胞．圖6為不同樣品的溶血率．從圖6可見，純鐵的溶血率為3.81%、氮化鐵次之為2.9%.可降解的純鐵與滲氮鐵相比，進(jìn)行滲氮處理后的鐵材料溶血率更低，更適合作為支架材料．這是因?yàn)闈B氮處理后鐵的耐腐蝕性能提高，與血液中離子交換的速率比純鐵的慢，所以溶血率也就更?。?/p>

圖6 不同樣品的溶血率Fig.6 The hemolysis rate of different samples

圖7為不同樣品表面血小板黏附的光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果．從圖7可見：純鐵的血小板黏附率較高，其作為血管支架存在因血小板粘附而引起并發(fā)癥的可能性；經(jīng)滲氮處理后的鐵基本不存在血小板黏附現(xiàn)象，表明樣品表面的氮化層起到減少血小板吸附的作用．對鐵進(jìn)行滲氮處理在一定程度上可以提高支架血液相容性能，考慮血小板粘附因素時(shí)，滲氮處理鐵比純鐵更適合作為血管支架的材料.

圖7 不同樣品表面血小板黏附顯微圖，600×(a)純鐵；(b)氮化純鐵Fig.7 Platelet adhesion on the surface of different samples，600×(a)pure iron；(b) pure iron nitride

3 結(jié) 論

純鐵通過滲氮處理后，其表面硬度顯著提高．與未經(jīng)氮化處理的純鐵相比，表面氮化純鐵的溶血率和血小板粘附率降低，血液相容性能提高．

[1] JOSEPH T P，NATHANIEL W T，JONATHAN N J，et al．Intravascular and hybrid intraoperative stent placement for baffle obstruction in transposition of the great arteries after atrial switch[J]．Cathet Cardiovasc Intervent，2017，89(2)：306-314．

[2] WANG Q，REN Y B，BABAR M S，et al. Design and characterization of a novel nickel-free cobalt-base alloy for intravascular stents [J].Materials Science & Engineering C，2017，77：565-571．

[3] KADOHIRA T，KOBAYASHI Y．Intravascular ultrasound-guided drug-eluting stent implantation [J]．Cardiovascular Intervention and Therapeutics，2017，32 (1)：1-11.

[4] MORAVEJ M，PURNAMA A，F(xiàn)ISET M，et al．Electroformed pure iron as a new biomaterial for degradable stents：In vitro degradation and preliminary cell viability studies [J]. Acta Biomaterialia，2010，5(6):1843-1851.

[5] MARIOT P，M A LEEFLANG，L SCHAEFFER，et al．An investigation on the properties of injection-molded pure iron potentially for biodegradable stent application[J].Powder Technology，2016，294：226-235.

[6] ANDREA L，B OLIVER，TILMAN G，et al．Evaluation of High-yield purification methods on monodisperse PEG-grafted iron oxide nanoparticles[J]. Langmuir：The ACS Journal of Surfaces and Colloids，2016，17(32)4259-4269.

[7] HUANG T，CHENG Y，ZHENG Y F．In vitro studies on silver implanted pure iron by metal vapor vacuum arc technique [J]. Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2016，142：20-29.

[8] RANNA T，JEROME H，CARLO P，et al. The use of multiple pseudo-physiological solutions to simulate the degradation behavior of pure iron as a metallic resorbable implant: a surface-characterization study[J].Physical Chemistry Chemical Physics：PCCP，2016，29(18)：19637-19646.

[9] ZHANG E，CHEN H Y，SHEN F. Biocorrosion properties and blood and cell compatibility of pure iron as a biodegradable biomaterial[J].Journal of Materials Science: Materials in Medicine，2010，7(21)：2151-2163.

[10] PEUSTER M，WOHLSEIN P，BRüGMANN M，et al．A novel approach to temporary stenting：degradable cardiovascular stents produced from corrodible metal-results 6～18 months after implantation into new zealand white rabbits[J]. Heart，2001，86：563-569.

[11] WAKSMAN R，PAKALA R，BAFFOUR R，et al.Short-term effects of biocorrodible iron stents in porcine coronary arteries [J]. Journal of Interventional Cardiology，2008，21：15-20.

[12] NIE F，ZHENG Y，WEI S，et al. In vitro corrosion，cytotoxicity and hemocompatibility of bulk nanocrystalline pure iron[J].Biomedical Material，2010，6(5)：065015.

[13] 廖裕力，陳漢鳴．國外滲碳、氮化發(fā)展近況[J]．機(jī)電工程技術(shù)，1978(1)：5-10.

[14] 俞德剛．純鐵γ-Fe到α-Fe和共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變與過渡相界鐵原子個(gè)體有序位移機(jī)制[J]．材料熱處理學(xué)報(bào)，2012，6(33)：116-126．

[15] 查磊．表面修飾對鎂合金AZ811生物相容性的影響[D]．天津：天津醫(yī)科大學(xué)，2010.

Studyonthebiologicalpropertiesofpureironviasurfacenitridemodification

WU Qingfang，BI Yu，YU Lin，LIU Hengquan

ChengduUniversityofTechnology，CollegeofMaterialsandChemistry&ChemicalEngineering，Chengdu610059，China

The gas soft nitrogen method is used to nitride industrial pure iron. The surface structure and morphology of the samples were charactorized by X ray diffraction，optical microscopy and scanning electron microscopy, respectively. The phase transformation temperature of nitrided samples was determined by phase change temperature analyzer, and the surface hardness of allsamples was obtained by

microhardness tester.Thehemolysis rate and platelet adhesion test were used to evaluate the blood compatibility. The results show that the nitrided iron surface is about 5 μm of the white layer, the white layer is composed of iron, ε phase , ′ phase, which has high hardness and brittleness. The hemolysis rate of iron was 3.81% Vs. 2.9% of nitrided iron, the result of plateletadhesion shows that the amount of nitrided iron surface is lower than the pure iron surface, so gas soft nitrogen method is suitable to apply surface modification of pure iron as potential biodegradable biomaterials.

gas soft nitrogen method；blood compatibility；hardness；corrosion resistance.

2017-11-09

伍青芳(1995-)，女，四川眉山人，本科.

1673-9981(2017)04-0240-06

R318.08

A