變形鏈球菌對(duì)醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-4V腐蝕行為研究

摘 " " "要：采用電化學(xué)法、掃描電鏡法研究了鈦合金Ti-6Al-4V在變形鏈球菌作用下的腐蝕性。將變形鏈球菌菌液接種至液體培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)兩天，然后把鈦合金金屬與培養(yǎng)基菌液一起共同培養(yǎng)，同時(shí)設(shè)置無(wú)菌組為對(duì)照組，同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。腐蝕30天后，用掃描電鏡觀察。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，含有變形鏈球菌的自腐蝕腐蝕電位比無(wú)菌組低，腐蝕電流密度比無(wú)菌組大，掃描電鏡結(jié)果顯示，變形鏈球菌組的合金表面粗糙度更大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變形鏈球菌能增加鈦合金Ti-6Al-4V的腐蝕傾向和腐蝕速率。

關(guān) "鍵 "詞：鈦合金Ti-6Al-4V；變形鏈球菌；腐蝕速率

中圖分類(lèi)號(hào)：TG172.9 " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）04-0474-04

鈦合金Ti-6Al-4V有好的力學(xué)性能、生物相容性，因此，Ti-6Al-4V常用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用來(lái)制備牙種植體 [1，2]。但是鈦合金長(zhǎng)期服役于復(fù)雜的口腔環(huán)境中，口腔中有大量的微生物存在，當(dāng)微生物形成微生物膜后，往往會(huì)發(fā)生微生物腐蝕[3-6]，影響到牙科金屬的使用壽命。變形鏈球菌（Mutans Streptoccus，S.Mutans）是人體口腔中常見(jiàn)的細(xì)菌，檢出率達(dá)90%[7，8]，同時(shí)，變形鏈球菌能降低口腔pH[9]，也能導(dǎo)致齲齒病，常常粘附于義齒表面[10]。本實(shí)驗(yàn)將變形鏈球菌與醫(yī)用牙科金屬共同培養(yǎng)，以此來(lái)探討變形鏈球菌對(duì)牙科合金的耐蝕性研究，為醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-4V臨床植入中提供實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。

1 "材料與方法

1.1 "材料和設(shè)備

鈦合金Ti-6Al-4V（泰州拓馳金屬制品有限公司，江蘇），其成分表1，變形鏈球菌來(lái)源于上海保藏生物技術(shù)中心。實(shí)驗(yàn)儀器為Solartron1287+1260A電化學(xué)工作站（Solartron，英國(guó)），TESCAN Vega-3SBU掃描電子顯微鏡（捷克TESCAN）。

1.2 "試樣制備

試樣尺寸為10 mm×16 mm×3 mm，制備4塊，用來(lái)做腐蝕形貌分析，有菌組和無(wú)菌組各兩塊。同時(shí)制作電化學(xué)工作電極試樣2個(gè)，其尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，工作電極一端暴露，暴露面積為100 mm2，另一端用長(zhǎng)為200 mm的銅線(xiàn)連接起來(lái)，然后用環(huán)氧樹(shù)脂密封。所有試樣用黑相砂紙研磨至800#，然后用600#、800#白砂紙進(jìn)行濕磨，最后用研磨膏拋光至鏡面，用去離子水和無(wú)水乙醇分別超聲10 min，并用丙酮進(jìn)行清洗，用氮?dú)獯蹈蓚溆?。將合金試樣隨機(jī)分為有菌組、無(wú)菌組。

1.3 試驗(yàn)介質(zhì)制備和菌種活化

試驗(yàn)介質(zhì)用蛋白胨大豆肉湯（TSB），制作培養(yǎng)基時(shí)，取出胰蛋白胨肉湯35 g，并加入1 000 mL去離子水，用稀HCl調(diào)節(jié)pH至6.7，121 ℃高壓蒸汽鍋（BKQ-B50II，山東博科消毒設(shè)備有限公司）滅菌30 min。

實(shí)驗(yàn)菌種變形鏈球菌來(lái)自上海保藏生物技術(shù)中心（編號(hào)：ATCC25175），在TSB液體培養(yǎng)基活化、繁殖。培養(yǎng)3代可以進(jìn)行使用，變形鏈球菌按10%進(jìn)行接種，放入恒溫振蕩培養(yǎng)器（HZQ-X300C，上海一恒有限公司）進(jìn)行培養(yǎng)，溫度為37 ℃，轉(zhuǎn)速為80 r·min-1。

1.4 "電化學(xué)測(cè)試方法

用三電極體系，鈦合金為工作電極，并且用環(huán)氧樹(shù)脂包埋，飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，輔助電極為鉑片。開(kāi)路電位測(cè)試1 000 s，電化學(xué)阻抗譜測(cè)試的頻率范圍為0.01～100 000 Hz，設(shè)置動(dòng)電位掃描區(qū)間為-250～2 500 mV，掃描速度為1 mV/s，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果用ZSimpWin軟件擬合，并且連續(xù)測(cè)試7天。

1.5 "表面形貌分析

腐蝕30天后，取出腐蝕掛片，掛片表面用大量的去離子水清洗，用丙酮清洗掛片表面多余的雜質(zhì)，用無(wú)水乙醇超聲10 min，然后烘干，用掃描電子顯微鏡觀察試樣表面。

2 "結(jié)果與討論

2.1 "電化學(xué)分析

2.1.1 "自腐蝕電位

鈦合金Ti-6Al-4V合金的變形鏈球菌與純培養(yǎng)基對(duì)照組做對(duì)比，圖1為鈦合金在有菌條件和無(wú)菌條件下的自腐蝕電位變化情況。

從圖1可以看出，無(wú)菌體系在1～7 d自腐蝕電位基本保持一致，表明體系處于穩(wěn)定的狀態(tài)，基本沒(méi)有腐蝕傾向；在浸泡的1 d，無(wú)菌和有菌的自腐蝕電位相同，原因是細(xì)菌處于生長(zhǎng)階段，細(xì)菌的活性還未達(dá)到巔峰；2～6 d時(shí)，含有變形鏈球菌組的自腐蝕電位不斷負(fù)移，原因是細(xì)菌不斷繁殖、快速增長(zhǎng)、活性增強(qiáng)，在鈦合金表面形成微生物膜，同時(shí)變形鏈球菌的生命活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生乳酸等有機(jī)酸，所以微生物膜的擴(kuò)散和乳酸協(xié)同作用加速了鈦的腐蝕，使得電位負(fù)移[11]。在7 d時(shí)，有菌體系電位正移，是由于細(xì)菌在前期消耗了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌進(jìn)入死亡期，導(dǎo)致細(xì)菌的活性不斷降低?？偟膩?lái)說(shuō)，有菌體系的自腐蝕電位更低，從腐蝕熱力學(xué)來(lái)看，說(shuō)明有菌體系的腐蝕傾向更大。

2.1.2 "電化學(xué)阻抗譜

圖2所示為鈦合金Ti-6Al-4V在兩種體系下的Nyquist圖。

用ZSimpWin軟件擬合，采用電路圖如圖3，擬合參數(shù)見(jiàn)表2，其中溶液電阻為Rs，雙電層電容為Qd1，電荷轉(zhuǎn)移電阻為Rct，生物膜電阻為Rbf，生物膜電容為Qbf。無(wú)菌組只有一個(gè)電容回路，其電路圖可以用R（QR）來(lái)表示，而有菌組含有兩個(gè)電容回路，這兩個(gè)電容回路由腐蝕產(chǎn)物膜和微生物膜層產(chǎn)生，其電路圖可以用R（Q（R（QR）））表示。

從圖2可以看出，所有的阻抗半徑都是不完全半圓的一部分，在2、4、6天時(shí)，含有變形鏈球菌組的阻抗半徑比無(wú)菌組小，阻抗半徑小，腐蝕速率大，表明在這段時(shí)間內(nèi)變形鏈球菌加速了鈦合金的腐蝕。從表2可以看出，兩種環(huán)境下，溶液電阻Rs基本保持不變，并且數(shù)值較低，說(shuō)明兩種體系下溶液的導(dǎo)電性良好。電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct在2、4、6天不斷的降低，在同時(shí)間段，無(wú)菌組的Rct比有菌組的大，說(shuō)明含有變形鏈球菌組的腐蝕速率更大，這是因?yàn)镽ct用來(lái)表示電子轉(zhuǎn)移的難易程度，Rct越小，受阻礙就越小，金屬腐蝕速率越大[12]。

同時(shí)無(wú)菌組的極化電阻（Rp）比有菌組的大，電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）與生物膜層電阻（Rb）之和等于極化電阻（Rp），Rp-1與腐蝕速率成正比，因此，可以根據(jù)極化電阻判斷材料的腐蝕性[13]。所以，含有變形鏈球菌組的腐蝕速率大，鈦合金的耐蝕性降低。

2.1.3 "極化曲線(xiàn)

鈦合金在第7天時(shí)的極化曲線(xiàn)測(cè)試結(jié)果如圖4，從圖中可以得出，無(wú)菌的腐蝕電位高，有菌的腐蝕電位低，表明變形鏈球菌可以促進(jìn)鈦合金Ti-6Al-4V的腐蝕。其對(duì)應(yīng)的擬合參數(shù)見(jiàn)表3，用CView來(lái)擬合，其中Ecorr為腐蝕電位，Icorr為腐蝕電流密度，βc為陰極Tafel斜率，βα為陽(yáng)極Tafel斜率。

腐蝕電流密度是電化學(xué)中另外一個(gè)重要的參數(shù)[14]，腐蝕電流密度越小，腐蝕速率就越??；反之，腐蝕速率就越快[15-16]。從表3中可以得出，無(wú)菌比有菌的腐蝕電流密度數(shù)值更小，表明含有變形鏈球菌組的腐蝕速率越快。所以，變形鏈球菌促進(jìn)鈦合金的腐蝕。

2.2 "掃描電鏡結(jié)果

鈦合金Ti-6Al-4V試樣在無(wú)菌和有菌中浸泡30天時(shí)的腐蝕形貌如圖5所示。

從圖中可以看出，無(wú)菌組材料表面暗淡，而有菌組合金表面粗糙度明顯增加，沿著刮痕、裂縫、溝腐蝕嚴(yán)重，這是由于這些區(qū)域有大量的微生物粘附在上面，微生物首先會(huì)聚集在表面不平整的地方，隨后由這些地方腐蝕[17-18]。粗糙的牙科合金表面可以改變變形鏈球菌毒性基因的表達(dá)，這能加速細(xì)菌的粘附和加快合金的腐蝕速率。另一方面，在腐蝕的過(guò)程中，產(chǎn)生的裂縫為變形鏈球菌進(jìn)一步的粘附提供基礎(chǔ)，所以在口腔醫(yī)學(xué)中，合金表面好的拋光也可以有效防止微生物腐蝕的發(fā)生。3 "結(jié) 論

本文采用掃描電鏡法和電化學(xué)方法研究變形鏈球菌對(duì)醫(yī)用鈦合金的腐蝕性研究，得出了以下結(jié)論：

1）電化學(xué)結(jié)果顯示，有菌組比無(wú)菌組有更低的自腐蝕電位，有菌組的腐蝕電流密度更大，說(shuō)明含有變形鏈球菌組有更大的腐蝕速率和腐蝕傾向。表明變形鏈球菌可以促進(jìn)鈦合金的腐蝕。

2）通過(guò)掃描電鏡觀察，有菌組的鈦合金表面越加的粗糙，再次證實(shí)了變形鏈球菌能夠加速鈦合金的腐蝕。

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Corrosion Behavior of Streptococcus Mutans

on Medical Titanium Alloy Ti-6Al-4V

TAN Ming-xing1， CHEN Ying-zi4， FU Lei1，2*， WANG Zheng-guo1，3， LIN Li3，4，5， YAN Shi-sen1

（1. School of Mechanical Engineering， Sichuan University of Science amp; Engineering， Zigong Sichuan 643000， China;

2. Failure Mechanics and Engineering Disaster Prevention Key Lab of Sichuan Province，

Sichuan University， Chengdu Sichuan 610065， China;

3. Sichuan Provincial Key Lab of Process Equipment and Control， Zigong Sichuan 643000， China;

4. School of Material Science and Engineering， Sichuan University of Science amp; Engineering， Zigong Sichuan 643000， China;

5. College of Materials and Chemistry and Chemical Engineering， Chengdu University of Technology，

Chengdu Sichuan 610059， China）

Abstract： The corrosion resistance of titanium alloy Ti-6Al-4V under the action of Streptococcus mutans was "studied by electrochemical method and scanning electron microscope. After two days of growth of Streptococcus mutans， the titanium metal was then incubated with Streptococcus mutans while setting the sterile group as the control group. After corrosion for 30 days， electrochemical test was carried out， and the samples were observed by scanning electron microscopy. The electrochemical experiments showed that the corrosion potential containing Streptococcus mutans was lower than that of the sterile group， the corrosion current density was greater than that of the infertile group， and the surface roughness of the alloy was more significant in the Streptococcus mutans group. The experimental results showed that Streptococcus mutans could increase the corrosion tendency and corrosion rate of titanium alloy Ti-6Al-4V.

Keywords： Titanium alloy Ti-6Al-4V; Streptococcus mutans; Corrosion rate