使鈦與骨易結合的熱處理方法

使鈦與骨易結合的熱處理方法

植入骨盆的人工股關節表面覆有金屬殼，為了促使其與骨更好的結合，需要在金屬殼表面進行鈦粉末的等離子噴鍍處理。而賦予純鈦生物活性的研究已有許多，例如在空氣中對純鈦進行熱處理，使其表面氧化從而在模擬體液中易生成羥基磷灰石。但這種情況下得到的羥基磷灰石的形成能不太高，因此有必要再進行紫外線照射處理，以使其表面具有電荷，提高羥基磷灰石的形成能。基于這種想法，研究人員擬通過簡便的氧氮化處理方法以提高純鈦的生物活性。

在嚴格控制氧分壓的氮氣中(氧分壓PO=10－18～104Pa的N2氣氛)進行純鈦的熱處理。例如氮氣純度為99.999 95%，其中PO僅為10 Pa，在該實驗中使用氧泵使氮氣中的氧分壓進一步減少至10－14Pa和10－18Pa。另外，采用空氣的時候PO=104Pa。經過熱處理的純鈦表面進行X射線衍射、XPS及Zeta電位的測定。結果表明，PO=104Pa以及PO=10－14Pa時，表面均生成了金紅石型氧化鈦薄膜，但PO=10－18Pa時，還有氮化鈦生成。N1s的XPS譜圖表明，當PO為104Pa時結合能為400 eV，可確認其為吸附氮，而PO=10－14Pa，結合能為402 eV，可確認其為間隙氮，即在氧化鈦晶格間存在有氮。O1s的XPS譜圖表明，與PO=104Pa(空氣中)相比，PO=10－14Pa時其結合能向低能方向移動，表明在氧化鈦中存在氧空位。Zeta電位測試結果表明，PO=10－14Pa時，Zeta電位為+20 mV，而PO為104Pa時，Zeta電位近乎為0。可見在PO=10－14Pa條件下氧氮化處理的純鈦最表面具有帶正電荷的氧空位存在，其下為帶負電荷的晶格間氮。

為了研究經氧氮化處理的純鈦的生物活性，將其浸漬在摸模擬體液(SBF)中進行表面生成羥基磷灰石的評價。結果表明，在含極微量氧的氮氣氛中處理的純鈦，其表面具有前所未有的羥基磷灰石形成能，而且這種鈦在空氣中保存3個月后仍然具有高的羥基磷灰石形成能。

研究人員又用二次離子質譜儀(ToF-SIMS)解析了純鈦表面羥基磷灰石的形成過程。根據浸漬在SBF中鈦表面鈣及磷吸著量隨時間的變化量得知，首先是磷離子在表面附近被吸附，然后是鈣離子進入，再隨著浸漬時間延長其磷和鈣逐漸按化學當量值形成羥基磷灰石。由此可見，羥基磷灰石形成能提高的原因之一是純鈦經氧氮化處理后，氧化鈦表面附近伴有固溶氮，表面附近就存在氧空位，表面就帶正電荷。因此首先吸引了P的負離子，繼而Ca正離子跟進，促進了羥基磷灰石的形成。今后還將進行細胞培養試驗及動物試驗，以進行骨形成能的進一步研究。

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.02.015

吳全興摘譯自《チタン》