鈦基多孔羥基磷灰石/氧化鎂復(fù)合涂層制備及其生物活性研究

張 嵐

(廈門醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系，福建廈門361023)

羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2](HA)代表約70%的天然人類骨骼，已廣泛應(yīng)用于整形外科[1]。 但是有研究表明鈦底材上HA涂層的機械強度差，為了解決HA生物陶瓷涂層的問題，該問題的一種解決方案是采用電泳沉積的方法在鈦植入物上沉積HA復(fù)合涂層[2]。有研究表明致密的HA涂層不利于與機體之間的生物相容，植入材料的多孔結(jié)構(gòu)以及空隙表面在成骨環(huán)境中會更有利于蛋白的沉積，骨細胞的附著和增殖[3]。MgO作為骨科植入材料在模擬體液測試中可誘導(dǎo)磷灰石層的形成，表現(xiàn)出良好的生物活性[4]。采用電泳沉積的方法在鈦基體表面沉積HA/MgO/殼聚糖CS涂層，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，CS分解致孔，MgO作為中間顆?？梢跃彌_HA與鈦基體之間的應(yīng)力差，能夠提高復(fù)合涂層與基體之間的粘結(jié)力[5-6]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

無水氯化鈣(CaCl2)、磷酸氫二銨(NH4H2PO4) 、尿素(H2NCONH2)、十二烷基硫酸鈉(SDS)：AR，西隴科學(xué)有限公司；脫乙酰度約為96.4%的殼聚糖(CS)，青島金湖有限公司；純鈦(西北有色金屬研究院)；其余藥品均購自國藥股份有限公司；離子水。

采用Hitachi FlexSEM1000掃描電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的表面微觀形貌；Bruker ALPHA型紅外光譜儀表征產(chǎn)物的組成；采用Hitachi FT7700 Exalens高分辨透射電鏡表征產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)；LLOYD LR5K型萬能材料實驗機測試涂層與鈦基體的結(jié)合強度。

1.2 實驗步驟

1.2.1 納米羥基磷灰石制備

稱取0.78g的CaCl2和0.55g的NH4H2PO 加入到燒杯中(Ca/P=1.67)，然后加入約35mL的去離子水攪拌溶解，加入0.2gSDS和1.5g的尿素繼續(xù)攪拌10min，轉(zhuǎn)移到100mL水熱反應(yīng)釜中，條件設(shè)置為120℃水熱合成12h，自然冷卻至室溫，取出用離心機分離，粉體分別用水洗、乙醇洗，最后在烘干機中60℃烘干5h，放入干燥器備用。

1.2.2 電泳沉積復(fù)合涂層

純鈦片裁剪成1mm×10mm×100mm，經(jīng)砂紙磨光，在5%氫氟酸和5 mol/L硝酸中蝕刻1min后放入盛有丙酮的燒杯中在超聲儀中超聲洗滌30min，取出用去離子水清洗自然晾干后備用。稱取0.268g HA納米粉體、0.268g CS微粒(球磨后過篩，＜38.5μm)和0.268g MgO(球磨后過篩，＜38.5μm)于燒杯中，加入40mL的正丁醇作為分散劑，加入0.5mL的三乙醇胺，超聲分散1h后陳化24h。電泳沉積采用DYY-2C型穩(wěn)壓穩(wěn)流電泳儀(北京六一儀器廠)，設(shè)置電壓為35V，鉑片為陽極，處理后鈦片為陰極，電極間距為0.7cm，沉積面積為10 mm×10mm，電泳沉積時間為60s，電泳沉積后取出鈦片自然晾干備用。

1.3 生物活性評價

將燒結(jié)后的涂層浸泡在1.5倍離子濃度的人體模擬體液如表1中，保持溫度在37℃，分別浸泡9天、10天和12天后取出自然晾干，SEM觀察涂層表面的微觀形貌，F(xiàn)TIR分析涂層的組成。

表1 1.5 倍離子濃度的人體模擬體液Table 1 The ion concentration of 1.5SBF

2 結(jié)果與討論

2.1 羥基磷灰石粉體表征

圖1 HA粉體透射電鏡圖Fig.1 TEM image of the HA nanoparticles

圖1 是水熱制備的羥基磷灰石(HA)粉體的透射電鏡圖，從圖中可以看出，在120℃條件下的水熱合成12h后制備的羥基磷灰石呈納米棒狀，長度在200nm～400nm之間, 直徑約為20nm，形成納米棒狀結(jié)構(gòu)可能是添加的表面活性劑SDS誘導(dǎo)HA晶體的生長方向[7]。

2.2 電泳沉積涂層組成表征

電泳沉積后的涂層用刀片刮下粉末的紅外譜圖如圖2所示，從圖中可以看出，在569cm-1、603cm-1、962cm-1以及1035cm-1～1094cm-1處出現(xiàn)PO43-強吸收峰，在3571cm-1也有OH-特征吸收峰[8]；在1638cm-1和1598cm-1處吸收峰分別為CS的酰胺Ⅰ譜帶特征吸收峰和-NH2的彎曲振動吸收峰，1385cm-1是官能團-CH2-OH中C-O伸縮振動吸收峰[9]，說明電泳沉積能夠使HA顆粒與CS顆粒共沉積在鈦表面。

圖2 電泳沉積涂層的紅外譜圖Fig.2 FT-IR spectra of composite coating

2.3 燒結(jié)和浸泡后涂層表面形貌圖

電泳沉積復(fù)合涂層經(jīng)過700℃保溫2h后的SEM圖如圖3所示，可以看出，燒結(jié)后涂層中的CS顆粒高溫分解形成孔隙，孔隙大約在10μm～15μm如圖3(a)所示，孔隙較深，孔狀的結(jié)構(gòu)有利于成骨離子濃度的增加，同時也可以使成骨溶液與涂層之間的接觸角減少，有助于晶核的形成[10]；HA顆粒相互粘結(jié)使涂層致密致密，表面有少許裂紋；同時可以看出有球形顆粒鑲嵌在涂層表面和涂層中間如圖3(b)所示，說明MgO顆粒與HA共沉積在鈦表面，可以有效緩和HA涂層與基體之間的應(yīng)力不匹配(Ti: 8.7×10-6K-1；HA: 13.6×10-6K-1)[11]，增強HA涂層與基體之間的結(jié)合能力，經(jīng)過拉力測試多孔涂層基體之間的結(jié)合力可達30.2MPa。

圖3 燒結(jié)后復(fù)合涂層的SEM圖Fig.3 SEM images of composite coatings after sintering

2.4 浸泡后涂層的組成和微觀形貌

相比于未浸泡涂層的FTIR譜圖(圖4b)，從多孔HA/MgO涂層在1.5SBF中浸泡12天后的FTIR譜圖(圖4a)可以看出，在1400cm-1～1552cm-1和870cm-1處出碳酸根的吸收峰，說明隨著浸泡時間的延長，涂層表面的多孔結(jié)構(gòu)能夠不斷的誘導(dǎo)模擬體液中的Ca2+、OH-離子形成碳酸羥基磷灰石晶體，形成的機理如下：

多孔HA/MgO涂層在1.5SBF中浸泡6天后碳酸羥基磷灰石晶體基本覆蓋涂層表面如圖5(a)所示，而在浸泡9天[圖5(b)和12天圖5(c)]后已經(jīng)完全覆蓋涂層，從浸泡12天后的涂層表面局部放大[圖5(d)]可以看見蠕蟲狀的小孔布滿碳磷灰石表面，這可能是碳酸羥基磷灰石與體液中的離子交換導(dǎo)致[12]，有研究表明作為人體植入材料在人體模擬體液中浸泡后能否形成碳酸羥基磷灰石晶體層是衡量該材料是否具有良好的生物活性的一個重要指標[13]，綜上所述，制備的多孔HA/MgO涂層具有較好的生物活性。

圖4 多孔 HA/MgO復(fù)合涂層于1.5SBF中浸泡12d前后的FT-IR圖Fig.4 FT-IR spectra of porous HA/MgO composite coatings before and after immersion in 1.5SBF for 12 d

圖5 多孔HA/MgO復(fù)合涂層于1.5SBF中浸泡后的SEM圖Fig.5 SEM images of porous HA/MgO composite coatings after immersion in 1.5SBF

3 結(jié)論

采用水熱合成的方法制備了長度在200nm～400nm，直徑約為20nm的羥基磷灰石納米棒；以正丁醇為分散劑，三乙醇胺為添加劑，配制HA/MgO/CS質(zhì)量比為1/1/1的穩(wěn)定懸浮液，通過電泳沉積的方法在金屬鈦表面沉積HA/MgO/CS復(fù)合涂層，經(jīng)過700℃燒結(jié)保溫2 h后，CS高溫分解后致孔，得到孔隙在10μm～15μm的鈦基多孔HA/MgO復(fù)合涂層，涂層與基體之間的結(jié)合力可達30.2MPa；涂層在1.5SBF中浸泡12天后表面完全覆蓋了碳酸羥基磷灰石層，說明涂層具有良好的生物活性。