鈦合金表面TiO2薄膜制備及生物活性研究

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(1.浙江工業大學 機械工程學院,浙江 杭州 310014;2.浙江工業大學 材料科學與工程學院,浙江 杭州 310014)

鈦(Ti)和鈦合金因其彈性模量與骨組織更為接近、生物相容性好以及優異的耐蝕性和抗疲勞性能等特點,被廣泛應用于人體硬組織的修復[1-3]。但鈦和鈦合金本質屬于生物惰性材料,即不具備骨誘導能力,所以植入時與人體骨之間只是一種機械嵌連性骨整合,而非強有力的化學骨性結合。因此良好的鈦金屬種植體-骨組織界面的形成是保證移植修復成功的重要因素,也是這類移植手術面臨的一個關鍵性難題。羥基磷灰石(HA)是一種很好的生物活性材料并具備許多優異特性,但是其強度低,韌性差,脆性大且在人體體液中抗疲勞強度差,因此不能單獨使用于承載部位,臨床上一般與綜合性能優異的鈦及其合金復合使用。另外,HA薄膜的生物活性雖然優于Ti-O薄膜,但是其與基體的結合力存在問題,HA薄膜與鈦基體的結合力不及Ti-O薄膜與鈦基體的結合力,容易脫落,導致植入物的失效。因此,需要在基體表面進行改性來增加它的結合力,例如:采用在鈦及鈦合金基體表面生長TiO2薄膜[4-5]。對于晶體來說,晶面是一個非常重要的組成部分,因為大多數的化學過程首先發生在晶面上,因此具有不同暴露晶面的TiO2薄膜勢必擁有不同的性能。自從Yang等首先合成了具有47%{001}暴露面的TiO2微米晶以來,大量的成果集中在具有高能曝露面的TiO2的合成、性質、改性及應用上[6-9]。如Han等[10]采用水熱法制備暴露高活性{001}面的TiO2納米晶,發現這種晶體的催化活性高于一般的TiO2納米粒子;Li等[11]合成了分別以{101}晶面和{001}晶面為曝露面的銳鈦礦相TiO2,發現以{001}為主導面的銳鈦礦TiO2微球具有更優異的催化活性。但這類研究僅局限于對催化活性方面的研究[12],未進行生物活性方面探討。筆者報道了一個簡單易行的水熱法,在鈦合金基體表面原位生長了具有高能曝露晶面的TiO2納米棒陣列薄膜,探討了反應條件對膜形貌、結構的影響。另外,這種方法也能適用在具有不規則表面的3D打印鈦合金基體上,且該層薄膜能誘發羥基磷灰石的沉積,具有優異的生物活性。

1 實驗材料及方法

實驗選用商用鈦合金片(TC4,尺寸為25 mm×10 mm×0.8 mm,化學成分見表1)和3D打印多孔鈦合金種植體(采用SLM工藝[13],化學成分見表1,尺寸見圖1)為基底。具體合成方法如下:鈦合金片用丙酮超聲清洗5 min,再用去超純水超聲清洗5min,各重復清洗3次后晾干。將其浸入30 mL 30% H2O2的溶液里,置于80 ℃下1,12 h,然后將鈦合金片取出,用超純水清洗,并在周圍氣氛中干燥備用.3D打印多孔鈦合金種植體經噴砂酸蝕等標準化處理后,用丙酮超聲清洗5 min,再用去超純水超聲清洗5 min,各重復清洗3 次后晾干。將其放入30 mL 30% H2O2的溶液里,置于80 ℃下1 h,然后將種植體取出,用超純水清洗,并在周圍氣氛中干燥備用。將備用的鈦合金片和種植體分別浸入盛有20 mL前驅液(表2)的25 mL規格聚四氟乙烯內襯不銹鋼高壓反應釜中,鈦合金片斜靠于內襯且檢測面朝下,在160 ℃下水熱反應3 h。待自然冷卻后取出,用超純水超聲清洗2 min后在周圍氣氛中干燥,接著進行下一步測試。

表1 TC4鈦合金片和3D打印用鈦合金粉化學成分Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy and powder %

圖1 3D打印多孔鈦合金種植體模型Fig.1 Model of 3D printing porous titanium alloy implant

前驅液C(HCl)/(mol·L-1)C(TiCl3)/(mmol·L-1)C11.006C21.0012C31.0018N10.6218

體外生物活性評估:將水熱反應后的3D打印多孔鈦合金種植體在36.5 ℃下浸入40 mL人體模擬體液(SBF)中3 d后,取出,用超純水輕輕沖洗后在周圍氣氛中干燥,接著進行下一步測試。

采用掃描電子顯微鏡(捷克TESCAN VEGA 3 SBH),場發射電子顯微鏡(美國FEI NovaNanoSEM 450),X射線衍射(日本理學組合式多功能X射線衍射儀Ultima IV)分別對樣品檢測面表面形貌、組成成分和晶體結構進行觀察和分析。

2 實驗結果與討論

2.1 H2O2預處理時間對TiO2陣列薄膜表觀形貌和成分的影響

鈦合金在H2O2中會被腐蝕后氧化形成TiO2膜。在此水熱反應中,形成TiO2納米棒的鈦源主要由兩部分提供:1) 來自TiCl3前驅液;2) 來自基體和初始表面TiO2膜的腐蝕。只有在足夠的鈦源環境下才會生成TiO2薄膜。圖2為鈦合金片在雙氧水不同預處理時間(0,1,12 h)后,再在C1,C2,C3前驅液中水熱反應3 h的表觀SEM圖。由圖2(b)可以看出:在C1前驅液、預處理1 h的情況下,由于預處理下氧化得到的TiO2膜較薄并且前驅液中鈦源濃度較低、酸性大,水熱反應后未生長納米TiO2薄膜,呈現出一個個腐蝕坑。如果氧化時間足夠,形成的TiO2膜較厚,在強酸性的條件下,基底表面TiO2膜會被腐蝕,腐蝕產生的鈦離子和氧離子會進入反應液中,這時由于鈦、氧離子濃度的增加,水解反應將會加劇,大量的納米晶TiO2沉積在基體表面。同時強酸環境又使得部分納米晶溶解,再沉積,直至形成致密的TiO2膜。所以,在延長H2O2預處理時間至12 h后,鈦合金片在C1前驅液環境下得到了TiO2薄膜(圖2c),納米棒直徑約為100 nm。在C2前驅液環境下,由圖2(e)可以看到：由于足夠的鈦源濃度,所以H2O2預處理1 h后水熱反應即得到納米TiO2棒陣列,納米棒直徑約為150～200 nm;當預處理時間為12 h時,從圖2(f)可以看出:膜的表觀形貌相對于未預處理或H2O2預處理1 h條件下更加平整。這是由于在足夠長時間的H2O2預處理下,鈦合金表面氧化生成了足夠厚的TiO2膜,掩蓋了鈦合金基體在加工制造過程中產生的微區表面應力的影響。

圖2 不同H2O2預處理時間下TC4鈦合金片在C1,C2,C3前驅液里水熱反應后SEM圖Fig.2 SEM of TC4 substrate soaked in solution C1, C2, C3 after different H2O2 treatment periods

圖3為對應的表面XRD圖,由圖3可以看出:在不同的H2O2預處理時間后,鈦合金基體表面的TiO2的晶型都由銳鈦礦型(Anatase)和金紅石型(Rutile)組成,為混晶,并且金紅石型的衍射峰強遠大于銳鈦礦型,其中2θ=25.6°,27.3°,35.9°,38.3°,41.1°,54.1°,57.9°,62.5°,63.8°分別為A(101),R(110),R(101),A(004),R(111),R(211),R(220),R(002),R(310)。有趣的是,與標準金紅石型二氧化鈦粉末衍射圖(金紅石型,JCPDS 01-077-0443)相比,可以發現樣品的金紅石型(101),(002)晶面的衍射峰明顯地增強了,而其他一些衍射峰如(110),(111),(211)降低了,這說明生成的金紅石型平行六面體二氧化鈦晶體沿著[001]軸,垂直于基體表面生長,這與圖2相吻合[14-15]。并且標準衍射圖(金紅石型,JCPDS 01-077-0443)中,(101)峰與(110)峰的強度比(I(101)/I(110))為0.5,而這里強度比幾乎為10,說明納米棒的生長方向為[001]方向并且(101)晶面曝露[4]。另外根據第一性原理密度泛函理論(DFT)計算可得到:金紅石型二氧化鈦晶體不同晶面的表面能大小排序為Esurf(110)

圖3 H2O2不同預處理時間下TC4鈦合金片在C2里水熱反應后XRD圖Fig.3 XRD of TC4 substrate soaked in solution C2 after different H2O2 treatment periods

2.2 鈦源濃度對二氧化鈦陣列薄膜生長的影響

由圖2可看出:在H2O2預處理1 h的情況下,隨著前驅液鈦濃度的增加,鈦合金基底表面從呈現腐蝕狀態到TiO2納米棒薄膜再到TiO2納米叢薄膜。圖4為對應的表面XRD圖,可以得到:在H2O2處理1 h情況下,鈦合金表面沒有檢測到晶化的二氧化鈦存在(圖4中H2O2預處理1 h曲線)。浸入低鈦濃度的C1前驅液水熱反應后,由于處于強酸的環境下,鈦合金被腐蝕并且鈦合金里不同組分的腐蝕速率不同,由圖4 C1曲線可看出:鈦峰大大降低,說明鈦被腐蝕,一些匹配為VxOy,AlxOy的峰被檢測到。隨著鈦濃度的升高,鈦離子的水解反應加劇,所以二氧化鈦開始沉積,膜開始出現。

圖4 H2O2預處理1 h后,TC4鈦合金片以及其在C1,C2,C3里水熱反應后XRD圖Fig.4 XRD of TC4 substrate, and it soaked in solution C1, C2, C3 after H2O2 treatment 1 h

2.3 3D打印多孔種植體表面TiO2薄膜及其生物活性研究

圖5為3D打印多孔鈦合金種植體的初始、噴砂酸蝕后、N1溶液水熱反應后以及浸入SBF 3 d后的表面SEM圖。從圖5(a)可以可看出:3D加工得到的種植體表面非常粗糙,表面很多直徑在30 μm左右的金屬顆粒沒有融化成型。經噴砂酸蝕后,可以看到(圖5b):種植體表面幾乎沒有金屬顆粒附著,并且顯示出了螺紋狀SLM掃描軌跡。種植體在C3溶液中水熱反應后,沒有TiO2膜的生成,這主要因為種植體的比表面積和鈦合金片存在較大差異,所以筆者調整了前驅液配方記為N1,可以看到種植體在N1溶液里水熱處理后,表面長滿了TiO2納米棒(圖5c)。圖5(d)為反應后的種植體36.5 ℃下在SBF中浸泡3 d后的表面SEM圖,可以看到:種植體表面有球狀“絨毛”沉積,此為羥基磷灰石,種植體被羥基磷灰石完全包覆。這說明了此鈦合金表面的二氧化鈦膜具有良好誘導磷灰石生長的能力,即具有良好的生物活性[18]。基于課題組前期的工作[4-5,19],筆者認為羥基磷灰石(002)晶面上羥基與金紅石(101)晶面上氧原子存在良好的晶格匹配,對應晶面兩個晶向上的錯配率分別為2.4%,0.5%,從而使金紅石(101)晶面曝露的改性種植體具有更好的誘導羥基磷灰石的能力。另外,鈦合金中的Al和V具有潛在毒性,Hanawa[20]總結了43種金屬陽離子在L929纖維原細胞和MC3T3-E1成骨細胞中的毒性大小,發現V離子的毒性較大。在種植體表面制備致密的TiO2薄膜能有效阻止鈦合金中Al,V陽離子被腐蝕進入到人體體內,有利于種植體達到良好的生物相容性(即有助于其毒性、致敏性、致癌性和發炎等指標達到要求)。

圖5 3D打印種植體不同階段的SEM圖Fig.5 SEM of 3D printing implant in each stage

3 結 論

通過一種簡單、易操作且耗能少的方法在鈦合金表面原位的制備了二氧化鈦納米棒陣列薄膜。通過SEM和XRD研究發現:形成的陣列薄膜形貌均一,沿著[001]軸垂直基底擇優生長,并且具有金紅石高能(101)晶面主導曝露。通過改變H2O2預處理時間、鈦源濃度,可以得到不同形貌、不同銳鈦礦和金紅石比例的混晶TiO2膜。適當的H2O2預處理有利于在基底表面先修飾上一層TiO2籽晶層,防止后續水熱反應時前驅液對基底的腐蝕。初步試驗結果顯示:采用3D打印多孔種植體作為基底可成功在其表面生長TiO2納米棒,說明該方案具有一定的普適性和實用性。通過SBF浸泡實驗驗證了其具有生物活性,并且在鈦合金表面修飾致密的TiO2膜也能有效阻止V離子的溶出。這些特征說明了該方案除了在傳統光催化方面有潛在應用以外,還具有一定生物材料表面改性應用的前景。