Ti-6Al-4V表面金紅石型TiO2薄膜制備及生物活性評價

肖 帆，劉升沛，項 軍，陳燚云，翟月麗

(1.浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310023；2.浙江工業(yè)大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014)

鈦合金具有優(yōu)異的機械性能，較好的生物相容性以及與人體骨接近的彈性模量等特性，因此被廣泛用于骨組織的損傷修復和替代[1-3]。但鈦合金本質(zhì)上屬于生物惰性材料，在植入時與人體骨之間只是機械嵌連性整合，而非強有力的化學鍵骨鍵合，植入后不夠穩(wěn)定[4-5]。為了解決植入體與骨組織之間的穩(wěn)定性問題，很多研究者嘗試在植入體表面制備具有生物活性的二氧化鈦或羥基磷灰石涂層。Anna等[6]通過陽極氧化處理，在鈦及鈦合金基體上制備了銳鈦礦二氧化鈦薄膜，該薄膜易沉積殼聚糖羥基磷灰石。Seo等[7]通過堿熱處理在鈦基體上獲得了具有良好生物活性和細胞響應(yīng)的二氧化鈦納米管。Lindberg等[8]利用物理氣相沉積法(PVD)在鈦片上制得具有(101)高能晶面的金紅石TiO2薄膜，該薄膜可以快速誘導羥基磷灰石沉積。近年來，筆者通過水熱法在純鈦/鈦合金基體表面制備了高能晶面曝露的二氧化鈦薄膜[9-12]。該薄膜具有優(yōu)異的羥基磷灰石沉積能力，但在鈦合金基體上的實施條件很苛刻，基體容易被腐蝕導致坍塌。針對這一問題，筆者著重討論前驅(qū)液配方及反應(yīng)工藝，在鈦合金基體表面原位制備了高能晶面曝露的二氧化鈦納米棒陣列薄膜。該方法適用范圍廣，亦可應(yīng)用于3D打印三維網(wǎng)格狀鈦合金基體。

1 實驗材料及方法

實驗選用商用鈦合金片TC4(尺寸為20 mm×10 mm×0.8 mm)和3D打印網(wǎng)格狀鈦合金(采用SLM工藝，尺寸為φ10 mm×8 mm)為基體，其化學成分見表1。TC4用2000#SiC砂紙打磨，去除表面氧化層，先后用丙酮、酒精和去離子水超聲15 min，取出晾干備用。3D打印網(wǎng)孔狀鈦合金試樣經(jīng)酸蝕標準化處理以后，用酒精、去離子水分別超聲30 min，重復清洗3 次后晾干。以三氯化鈦、鹽酸和雙氧水混合溶液為前驅(qū)液(表2)，將片狀鈦合金及3D打印網(wǎng)孔狀鈦合金分別浸入含18 mL前驅(qū)液的25 mL規(guī)格的聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓鍋反應(yīng)釜中，在160 ℃下進行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，取出樣品并用超純水超聲2 min，晾干后備用。

表1 Ti-6Al-4V片和3D打印鈦合金的化學成分

表2 前驅(qū)液的配方

體外生物活性評估：將水熱反應(yīng)后的樣品浸入40 mL模擬體液(SBF)，在36.5 ℃中保持3 d后取出，用超純水沖洗后自然晾干。

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(美國FEI Nova NanoSEM 450)與X射線衍射儀(日本理學Ultima IV)分別對樣品表面形貌、組成成分和晶體結(jié)構(gòu)進行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiO2納米棒陣列生長過程及生長機理

圖1給出了鈦合金片在L2前驅(qū)液中反應(yīng)不同時間的FE-SEM表面形貌圖。45 min時，基體表面覆蓋著一層連續(xù)致密的納米棒薄膜，納米棒直徑約為60 nm，并且定向垂直于基體表面生長；105 min時，納米棒直徑增至90 nm左右，頂端有細小的晶粒出現(xiàn)；180 min時，納米棒直徑約為130 nm，薄膜厚度增加，納米棒排列緊密，頂端表面無明顯縫隙。

圖1 在L2溶液中不同反應(yīng)時間的二氧化鈦薄膜形貌圖

圖2給出了相對應(yīng)的XRD圖，從圖2中可以觀察到：在2θ=27.3°，35.9°，41.1°，54.1°，57.9°，62.5°，63.2°處均出現(xiàn)衍射峰，與標準金紅石型二氧化鈦粉末衍射圖(Rutile，JCPDS 01-077-0443)相符合,說明水熱反應(yīng)后得到的納米棒陣列薄膜為金紅石型二氧化鈦單晶結(jié)構(gòu)。隨著反應(yīng)時間的延長，金紅石型TiO2的(101)和(002)晶面對應(yīng)的衍射峰增強，而其他一些衍射峰如(110),(111),(211)降低，說明生成的TiO2納米陣列薄膜垂直于基體平面即沿著[001]方向定向生長，與圖1相符。另外，根據(jù)第一性原理密度泛函理論計算，金紅石型二氧化鈦不同晶面的表面能大小排序[13]如下：Esurf(110)

圖2 在L2溶液中不同反應(yīng)時間的二氧化鈦薄膜XRD圖

在前驅(qū)液(TiCl3/HCl/H2O2)的制備中，Ti3+遇到強氧化性的H2O2被氧化成Ti4+，當Ti4+與過剩的H2O2絡(luò)合后，會形成絡(luò)合物Ti4+[H2O2]，溶液顏色由澄清淡紫色變?yōu)槌吻寰萍t[14-16]。

把鈦合金樣品置于高壓反應(yīng)釜中，在160 ℃與前驅(qū)液進行反應(yīng)。此時，覆蓋于鈦合金表面不規(guī)則取向的自然鈍化膜被鹽酸腐蝕，鈦合金基體曝露，前驅(qū)液中的H2O2與鈦原子反應(yīng)，在表面形成大量密排且取向一致的TiO2晶胚。隨著前驅(qū)液中H2O2的消耗，絡(luò)合物Ti4+[H2O2]中的Ti4+逐漸被釋放，發(fā)生水解反應(yīng)，得到的水合TiO2以非均勻形核的方式優(yōu)先在基體表面既有的TiO2晶胚上形核。

一般來說，低表面能的晶面會優(yōu)先生長，而有較高表面能的晶面則難以穩(wěn)定存在，因此，金紅石二氧化鈦晶體會以(110)低能晶面穩(wěn)定存在。而在實驗中，由于反應(yīng)溶液中存在的Cl-離子具有吸附在金紅石(110)晶面，使[001]方向優(yōu)于[110]方向生長的特性[17]，使TiO2納米晶沿著[001]方向垂直基體表面擇優(yōu)生長成為納米棒。最終形成的納米棒之間連接緊密，側(cè)面(110)和(100)晶面被隱藏，僅有頂端晶面(101)和(002)曝露在表面，因此得到了(101),(002)高能晶面擇優(yōu)且(002)高能晶面為主導曝露的金紅石二氧化鈦納米棒陣列薄膜，其生長機理示意圖如圖3所示。

圖3 鈦合金基體表面二氧化鈦納米棒生長示意圖

2.2 鹽酸濃度的影響

圖4是鈦合金片在不同鹽酸濃度中反應(yīng)180 min后的FE-SEM表面形貌圖。從圖4中可以觀察到：經(jīng)1 mol/L的HCl前驅(qū)液處理后，得到頂端為方形的納米棒陣列薄膜，直徑約為90 nm,垂直于基體表面，具有較為明顯的獨立棒狀結(jié)構(gòu)。鹽酸濃度增加到2 mol/L，此時納米棒直徑增至130 nm左右,排列更加緊密,表面無明顯縫隙孔洞。當鹽酸濃度增至2.5～3.0 mol/L時，由于該濃度鹽酸對基體的腐蝕性太強，基體坍塌。

圖4 不同鹽酸濃度下反應(yīng)180 min得到的二氧化鈦薄膜形貌圖

圖5給出了相對應(yīng)的XRD圖，從圖5中可以觀察到：在2θ=27.3°，35.9°，41.1°，54.1°，57.9°，62.5°，63.2°處均出現(xiàn)衍射峰，與標準金紅石二氧化鈦粉末衍射圖(Rutile，JCPDS 01-077-0443)相符合，說明經(jīng)前驅(qū)液L1, L2處理后得到的薄膜均為金紅石型二氧化鈦單晶結(jié)構(gòu)。L1處理后的試樣在2θ=35.9°，62.5°處所對應(yīng)的(101)，(002)晶面衍射峰為其主強峰，與(110)晶面對應(yīng)衍射峰強度比分別為I(101)/I(110)=8.75，I(002)/I(110)=6.45，遠高于標準值0.44與0.07，說明經(jīng)L1處理得到的薄膜同樣具有(101)，(002)高能晶面擇優(yōu)生長，且(101)，(002)高能晶面曝露。隨著前驅(qū)液中HCl濃度升高(L2樣品)，二氧化鈦衍射峰增強，(002)晶面對應(yīng)的衍射峰出現(xiàn)明顯增高，說明在較高鹽酸濃度下得到的二氧化鈦晶體結(jié)晶度增加，(002)高能晶面主導曝露。

圖5 不同鹽酸濃度下反應(yīng)180 min得到的二氧化鈦薄膜XRD圖

圖6是經(jīng)L2水熱處理的片狀鈦合金，在36.5 ℃ 模擬體液(SBF)浸泡實驗前后對比的FE-SEM表面形貌圖。從圖6中可以觀察到：SBF浸泡3 d后，出現(xiàn)直徑約為2 μm“絨毛”球狀薄膜，覆蓋了整個樣品表面。將該試樣超聲10 min后，該薄膜未見明顯脫落。

圖6 經(jīng)L2水熱處理的試樣浸泡3 d的SBF前、后形貌圖

圖7是其對應(yīng)的XRD圖。SBF浸泡3 d后，L2試樣在2θ=25.8°，31.8°，32.2°，32.9°處出現(xiàn)新的衍射峰，與標準羥基磷灰石粉末衍射圖(JCPD 009-0342)相符合，這說明經(jīng)L2處理得到的二氧化鈦薄膜在3 d內(nèi)成功誘導了羥基磷灰石沉積，具有良好的生物活性。有意思的是，在標準羥基磷灰石的衍射圖中，32°左右(211)(112)(300)晶面衍射峰高于26°處的(002)晶面衍射峰，而SBF浸泡3 d后后的樣品XRD圖中，(002)晶面衍射峰明顯高于(211)(112)(300)晶面衍射峰，說明沉積的羥基磷灰石晶體具有(002)晶面擇優(yōu)。

圖7 經(jīng)L2水熱處理的試樣浸泡3 d的SBF前、后XRD圖

2.3 3D打印網(wǎng)格狀鈦合金表面TiO2制備及其生物活性研究

在片狀鈦合金基體中，通過L2前驅(qū)液的水熱處理，在其表面成功制備出{001}高能晶面曝露二氧化鈦薄膜，將該制備方法應(yīng)用到3D打印網(wǎng)格狀鈦合金基體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)結(jié)束后基體坍塌，這可能是由于3D打印三維網(wǎng)孔狀鈦合金比表面積與片狀鈦合金存在較大差異，導致前驅(qū)液中雙氧水含量不足造成的，因此提高前驅(qū)液中雙氧水含量記為L3。將基體放入L3溶液中反應(yīng)，結(jié)束后溶液由酒紅色變?yōu)槌吻濉?/p>

圖8是3D打印網(wǎng)孔狀鈦合金經(jīng)L3溶液水熱處理后，在36.5 ℃下浸泡1 d的1.5SBF前后的樣品表面圖及SEM圖。從圖8(a)中可以觀察到：經(jīng)L3溶液水熱反應(yīng)后，樣品基本呈灰色，表面長滿TiO2納米棒。浸泡SBF后，樣品表面完全被球狀“絨毛”羥基磷灰石層覆蓋，結(jié)果與片狀鈦合金片類似。由此說明：在3D打印網(wǎng)格狀鈦合金基體表面可以制得的二氧化鈦納米棒陣列薄膜，能夠在短時間內(nèi)誘導羥基磷灰石沉積，相比于現(xiàn)有大多表面處理技術(shù)需要1 周以上的浸泡時間，大幅度縮短了其誘導沉積時間，具有良好的生物活性。另外，將表面具有沉積羥基磷灰石的試樣超聲10 min，未見羥基磷灰石層有明顯的脫落，說明羥基磷灰石層與二氧化鈦具有良好的結(jié)合力。

圖8 經(jīng)L3水熱處理的試樣浸泡1 d的1.5SBF前、后的形貌圖

3 結(jié) 論

通過優(yōu)化后的水熱法成功在鈦合金基體表面制備了原位生長的二氧化鈦納米棒陣列薄膜，經(jīng)過FE-SEM和XRD研究發(fā)現(xiàn)：制備得到的薄膜，為單相金紅石。納米棒沿著[001]方向垂直基體表面生長，具有明顯的(101)和(002)高能晶面擇優(yōu)取向，且(002)高能晶面主導曝露。在二氧化鈦晶體生長過程中，鹽酸與雙氧水的協(xié)同作用于基體，形成大量排列有序的TiO2晶胚，構(gòu)成活性形核點。水熱反應(yīng)中得到的二氧化鈦納米晶在形核點上垂直基體表面生長，最終得到(002)高能晶面主導曝露的金紅石型二氧化鈦納米棒陣列薄膜。在反應(yīng)過程中，延長反應(yīng)時間，TiO2納米棒薄膜厚度增加，晶化程度提高，{001}晶面擇優(yōu)生長，適量提高前驅(qū)液鹽酸濃度，二氧化鈦納米棒排列緊密，{001}晶面衍射峰增強，形成{001}高能晶面曝露的金紅石TiO2薄膜。通過SBF浸泡實驗證實了該二氧化鈦薄膜具有良好的生物活性。另外，該制備方法在3D打印網(wǎng)格狀鈦合金基體也適用，可以在表面制得具有良好生物活性的TiO2納米棒薄膜，說明該方案具有一定的普適性和實用性，顯示了在骨科植入體表面改性領(lǐng)域的應(yīng)用前景。