滲氮316L不銹鋼的結構和血液相容性*

羅狄鋒，張帆，付濤△，韓生蘭，吳鋒

(1.西安交通大學生命科學與技術學院生物醫學信息工程教育部重點實驗室，西安 710049；2.廣東順德西安交通大學研究院，廣東 佛山 528300；3西安交通大學醫學院，西安 710061)

1 引 言

316L不銹鋼具有良好的力學性能、成型性和較好的耐蝕性，廣泛用于制造接骨板、心血管支架、心臟起搏器等外科植入物。TiO2薄膜具有良好的耐蝕性和生物相容性，常用于不銹鋼及其它醫用金屬的表面改性[1-3]。溶膠-凝膠制備TiO2薄膜的方法，可以很好地控制膜層的成分、厚度和表面形貌，并且操作較為簡便。

滲氮是一種工業化的不銹鋼表面強化方法。滲氮處理在奧氏體不銹鋼表面形成過飽和的氮固溶體，即S相，可以改善其耐蝕性、表面強度和耐磨性。滲氮層對不銹鋼親水性和血液相容性的影響鮮有報道[4]。本研究以拋光不銹鋼和溶膠-凝膠TiO2涂層試樣為對照，研究了等離子體滲氮316L不銹鋼的顯微結構、親水性、在生理溶液中的耐蝕性和血液相容性。

2 實驗

2.1 試樣制備

采用水砂紙把尺寸10 mm×10 mm×1.5 mm的316L不銹鋼片逐級磨光到2500號，依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗，空氣中干燥。采用文獻[5]的方法制備TiO2溶膠，含有17.02 g鈦酸丁酯、5.26 g二乙醇胺、61.04 g乙醇和0.90 g去離子水。采用浸涂法在磨光的不銹鋼片上涂覆TiO2膜層，提拉速度2 mm/s。涂層試樣在空氣中干燥后，在箱式電阻爐中400℃處理10 min和500℃處理10 min，升溫速度10℃/min。在脈沖直流等離子體氮化爐(電壓0～1 000 V，頻率1 kHz)中，對磨光的不銹鋼片濺射清洗后進行氮化，其中氮氣和氫氣的流量比1∶3，氣壓100 Pa，溫度450℃，時間2 h。

2.2 分析測試

采用掃描電鏡(SEM, FEI Quanta 600F)觀察試樣的表面形貌，采用輪廓儀(Mitutoyo SurfTest SJ-201)測量試樣的表面粗糙度，采用X射線衍射(XRD, CuK, Rigaku D/MAX-2400)分析試樣表面的相組成。在電化學工作站(Corrtest CS150)上測量試樣的動電位極化曲線，電解液為無鈣的Hank’s平衡鹽液。采用接觸角測量儀分別測量5 μl去離子水和乙二醇在試樣表面的接觸角，根據文獻[6-7]的方法計算試樣的表面能γs以及試樣與純水、血液、纖維蛋白原和白蛋白的界面張力γsbc。按照文獻[8]的方法進行溶血實驗和血小板黏附功能實驗，富血小板血漿與試樣的作用時間為3 h。

3 結果與分析

3.1 表面形貌、粗糙度和相組成

從試樣的掃描電鏡圖(見圖1)可以看出，磨光和TiO2涂層試樣表面較為平整(Ra分別為0.06±0.01 μm、0.05±0.01 μm)，但都有較淺的劃痕。這說明TiO2薄膜厚度較小，沒有明顯改變不銹鋼基體的表面形貌。但是，由于熱處理時凝膠膜中有機物的不均勻揮發，TiO2薄膜出現了寬約1 μm的細長裂紋。滲氮試樣表面較為粗糙(Ra=0.25±0.02 μm)，這是滲氮時等離子體對晶界的優先刻蝕造成的。

圖1 316L不銹鋼試樣的掃描電鏡圖像

三種試樣的XRD譜見圖2。拋光不銹鋼試樣只有奧氏體的衍射峰，而涂層試樣還檢測到馬氏體衍射峰。馬氏體可能是試樣熱處理后在空氣中緩慢冷卻時產生的。在2θ=25.4°處出現銳鈦礦TiO2的弱衍射峰，表明TiO2薄膜為結晶態。等離子體滲氮不銹鋼試樣僅檢測到膨脹的奧氏體，即S相，其氮化層厚約7.9 μm。

圖2 316L不銹鋼試樣的XRD譜

3.2 親水性、表面能、界面張力和耐蝕性

拋光和TiO2涂層試樣的接觸角約為80°，而滲氮試樣的親水性較好，接觸角約為70°(見表1)。親水性表面有利于材料的生物學性能，可以提高材料的血液相容性[9]。根據水和乙二醇的接觸角，計算出三種試樣的表面能為27～36 mJ/m2(見表1)。拋光和TiO2涂層試樣的表面能以色散分量為主(分別為68%、59%)，而滲氮試樣表面能的極性分量很高(86%)。據報道[10]，表面能的極性分量越高，材料的血液相容性越好。

表1試樣的接觸角和表面能

Table 1 Contact angle and surface energy of the samples

三種鈦試樣與純水、血液、纖維蛋白原和白蛋白的界面張力見表2。與拋光和TiO2涂層試樣相比，滲氮試樣與水、血液和纖維蛋白原的界面張力較小，而與白蛋白的界面張力較大。材料表面與血液的界面張力較小，有利于改善其抗凝血性能[9]；而材料表面吸附白蛋白，有利于改善其血液相容性[11]。

表2試樣表面與生理物質的界面張力

Table2Interfacialtensionbetweenthesamplesurfaceandthebiologicalsubstances(mN/m)

試樣水血液纖維蛋白原白蛋白拋光15.69.810.07.6TiO2涂層14.97.710.08.5滲氮8.51.58.211.5

三種不銹鋼試樣在無鈣Hank’s平衡鹽液中的動電位極化曲線見圖3。TiO2涂層試樣的平衡電位為-0.23 V，略高于拋光試樣(-0.25 V)。涂層試樣的擊穿電位為0.20 V，低于拋光試樣的0.42 V，并且在鈍化區的電流密度較高。這與涂層試樣在熱處理時形成的表面氧化層的耐蝕性較差、二氧化鈦薄膜存在裂紋等結構缺陷有關。滲氮試樣具有穩定和較長的鈍化區，擊穿電位達到0.77 V，這歸因于表面形成的耐腐蝕的S相層。因此，三種試樣中滲氮試樣具有最好的耐蝕性。

圖3 316L不銹鋼涂試樣的動電位極化曲線

Fig3Potentiodynamicpolarizationplotsofthe316Lstainlesssteelsamples: (a) .polished, (b).TiO2coated, (c).plasmanitrided

3.3 血液相容性

溶血實驗表明，拋光、TiO2涂層和滲氮試樣的溶血率分別為0.9%、0.3%和0.5%，都滿足醫學標準對植入物溶血率小于5%的要求。圖4為三種不銹鋼試樣進行血小板粘附實驗的掃描電鏡圖。拋光和TiO2涂層試樣表面有較多的血小板粘附和聚集，血小板有明顯的偽足，表明兩者都造成了一定程度的血小板激活和變形。滲氮試樣表面的血小板粘附和聚集明顯減少，血小板保持球狀形貌，并且較為分散，因此滲氮試樣表面的血小板激活較弱[12]。

材料表面的血小板粘附與粗糙度、表面能等表面特性以及血漿蛋白吸附有密切關系。例如，鉭離子注入使鎳鈦合金的表面能和界面張力下降，血小板粘附和激活程度變弱；纖維蛋白原的吸附量也隨界面張力的下降而減少[7]。與拋光試樣和TiO2涂層試樣相比，滲氮試樣的表面能較低，它與水、血液和纖維蛋白原的界面張力也較低(見表1、2)。此外，滲氮試樣表面能的極性分量占有很高的比例(86%)，而它與白蛋白的界面張力較高。研究表明，材料表面能的極性分量越高，則白蛋白的吸附量越大，材料的血液相容性越好[6,10]。

圖4 316L不銹鋼試樣接觸富血小板血漿3h后的表面形貌

Fig4Surfaceimagesofthe316Lstainlesssteelsamplesaftercontactedwithplatelet-richplasmafor3h: (a) .polished, (b).TiO2coated, (c).plasmanitrided

4 結論

(1)溶膠-凝膠TiO2薄膜沒有明顯改變不銹鋼基體的表面形貌，但含有寬約1 μm的細長裂紋；試樣熱處理后在空氣中緩慢冷卻，基體中產生了馬氏體相。由于等離子體對晶界的優先刻蝕，滲氮試樣表面較為粗糙，其表面僅檢測到膨脹的奧氏體，即S相。

(2)與拋光和TiO2涂層試樣相比，滲氮試樣表面較為親水，表面能以極性分量為主；它與水、血液和纖維蛋白原的界面張力較小，與白蛋白的界面張力較大。三種試樣中滲氮試樣具有最好的耐蝕性。三種試樣的溶血率都小于5%，滲氮試樣具有最好的抗血小板粘附性能。