熱處理對鈦基體表面電泳沉積GO/HA生物活性涂層的影響

韓委委，劉 莉，余本銳，朱慶霞

(天津工業大學材料科學與工程學院，天津市先進纖維與儲能重點實驗室，天津 300387)

0 引 言

羥基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是一種具有優異生物相容性、生物活性和骨誘導性[1-2]的陶瓷材料，是人體骨組織的主要無機成分，被廣泛應用于醫用金屬骨植入材料的表面改性領域。在鈦基體表面涂覆HA涂層可以提高種植體的生物活性，但是HA力學性能較差，阻礙其在骨組織工程中的應用。氧化石墨烯(graphene oxide, GO)具有優良的抗菌性能、力學性能和生物相容性[3]，其結構表面或邊緣存在的含氧官能團賦予其較高的表面活性與化學活性[4]。相關研究表明，GO可以改善HA涂層的裂紋情況[5]、硬度[6]、結合強度[7-8]、耐腐蝕性[9]和生物相容性[10]等。

電泳沉積法制備過程簡單，成本低，涂層厚度可控，可以在形狀不規整或表面多孔的金屬基體表面形成均勻的沉積涂層，被廣泛用于制備生物活性涂層。但是電泳沉積涂層結合強度較低，可以通過熱處理提高GO/HA涂層與基體的結合強度，為避免GO的過度氧化，熱處理需要在氬氣保護下進行。涂層經過不同溫度熱處理后擁有差異化的物化性質，涂層表面形貌和結構方面的改變對后續性能有較大的影響。目前國內外學者主要側重于GO/HA涂層服役性能方面的研究[6,10-11]，而將GO優良的機械性能和HA的生物性能有機地結合在一起可進一步拓寬生物活性涂層在治療骨科疾病領域的應用前景。因此，考慮到GO/HA涂層在組織工程的應用，本文探究了熱處理制度對涂層形貌、物相組成、結合強度、潤濕性和生物活性的影響。

1 實 驗

1.1 HA粉體的制備

采用Ca(NO3)2·4H2O(分析純，天津市大茂化學試劑廠)與(NH4)2HPO4(分析純，天津市光復科技發展有限公司)作為鈣源和磷源，通過化學沉淀法制備鈣磷摩爾比為1.67的HA。配制0.5 mol/L Ca(NO3)2·4H2O水溶液，通過NH3·H2O(分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司)調節溶液pH值為10～11，并控制水浴溫度為60 ℃，以 3.50 mL/min的速度滴加0.5 mol/L的(NH4)2HPO4水溶液，同時以450 r/min的速度進行機械攪拌。磷源滴加結束后，繼續恒溫攪拌3 h，整個反應過程中控制混合液pH值為10～11。反應結束后靜置陳化24 h，用去離子水和無水乙醇(分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司)洗滌、抽濾至pH值為7，放入烘箱，在120 ℃下烘干并研磨備用。

1.2 鈦基體預處理

基體分別為長4.0 cm、寬2.5 cm、厚0.3 cm的鈦板和長4.0 cm、寬0.5 cm、厚0.1 cm的鈦片，鈦板用于測試結合強度，鈦片用于其他測試。首先用400目、800目、1 200目的砂紙依次對基體進行打磨拋光，然后置于無水乙醇和丙酮(分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司)混合溶液中進行超聲去油處理，隨后在雙氧水(分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司)和濃硫酸(分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司)混合液中浸泡1 h。最后，取出鈦片，用去離子水超聲清除鈦片上殘留的酸性液體，自然晾干備用。

1.3 電泳沉積涂層

稱取0.025 g GO粉體(南京先豐納米材料科技有限公司)分散于75 mL無水乙醇中，使用超聲波細胞粉碎機(BILON-650Y,China,比朗儀器制造有限公司)超聲1 h；稱取0.5 g HA粉體分散于25 mL無水乙醇中，超聲1 h，超聲HA粉體的無水乙醇提前用HNO3(分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司)調節pH值為4～5。將兩組懸浮液混合后超聲1 h，得到穩定分散的懸浮液，用于下一步電泳沉積涂層。以預處理鈦片為陰極，石墨為陽極，調節沉積電壓為15 V，沉積時間為1 min，沉積間距為1 cm，使用穩壓電源儀(DYY-6C,China,六一生物科技有限公司)沉積GO/HA復合涂層，自然晾干備用。

1.4 涂層熱處理

將GO/HA涂層置于管式爐(SK-G06123K,China,中環實驗電爐有限公司)中，氬氣保護下進行熱處理。升溫速率為5 ℃/min，分別在600 ℃和800 ℃下保溫1 h，降至室溫后取出。

1.5 樣品表征

采用X射線衍射儀(DMAX2500,Janpan,理學公司)對不同熱處理參數下制備的涂層樣品進行物相組成分析,衍射靶為 Cu Kα射線，工作電流為 200 mA，工作電壓為40 kV，掃描范圍為5°～70°，掃描速率為2 (°)/min。采用冷場發射掃描電鏡(S-4800,Janpan,日立公司)觀察涂層表面微觀結構。依據《色漆和清漆拉開法附著力試驗》(GB/T 5210—2006)中的拉開法，用萬能材料試驗機(CMT4503,America, MTS)進行拉伸試驗，拉伸速率為10 mm/min，當涂層與基體完全分離時測試結束，記錄最大載荷，以確定涂層與基材之間的結合強度。采用動態接觸角測試儀(DSA-100,Germany, KRUSS)測試涂層表面的潤濕性。

2 結果與討論

2.1 熱處理對涂層形貌和結合強度的影響

在懸浮液中利用電泳沉積法制備涂層，雖然有工藝簡單、沉積厚度可控、涂層均勻性好等優點，但是沉積的固體顆粒很分散，涂層力學性能較差，需要進行熱處理使涂層更加致密化。GO/HA涂層在不同熱處理條件下的SEM照片如圖1所示。從圖1中可以看出：在沒有進行熱處理的涂層表面，針狀HA顆粒雜亂疏松地堆積在一起，其長度平均約為330 nm，直徑平均約為40 nm；600 ℃熱處理后，HA 顆粒的針狀結構幾乎沒有變化，顆粒堆積方式由雜亂疏松變得更加致密，顆粒分布也更加均勻；800 ℃熱處理后,HA顆粒主要為棒狀結構，其長度平均約為250 nm，直徑平均約為70 nm，涂層中HA顆粒發生了擇優取向的改變。圖1(c)表面的氣孔率高于圖1(a)和圖1(b)表面的氣孔率，這是因為懸浮液中HA的固含量為5 g/L，濃度較低，800 ℃熱處理時HA顆粒體積收縮，涂層中處于較上層的HA顆粒會填充到較下層的空隙中，涂層表面出現孔隙結構。

圖1 GO/HA涂層在不同熱處理條件下的SEM照片Fig.1 SEM images of GO/HA coatings at different heat treatment conditions

結合強度與植入體在周圍骨骼中的穩定植入息息相關，影響植入體材料在骨科疾病治療領域的使用壽命。GO/HA涂層在不同熱處理條件下的結合強度如表1所示。在經過600 ℃熱處理后，GO/HA涂層結合強度得到了提高，由10.06 MPa提高到14.74 MPa，800 ℃熱處理后結合強度達到25.31 MPa。600 ℃熱處理只是促進HA顆粒較為規律致密的排列，800 ℃熱處理可以促進HA顆粒相互融合(見圖1(c))，靠近基體的底層涂層之間結合更為緊密。此外，熱處理可以促進金屬基體的原子擴散，有助于形成中間過渡層，達到提高涂層結合強度的目的[12]。

表1 熱處理條件對GO/HA涂層結合強度的影響Table 1 Effect of heat treatment condition on adhesion strength of GO/HA coatings

2.2 熱處理對涂層物相組成的影響

圖2為GO粉體和GO/HA涂層的XRD譜。由圖2可知，無熱處理時，涂層的主晶相為鈦，這可能是因為涂層較薄，且內部存在空隙，X射線可以穿透涂層而探測到鈦基體。在25.9°、31.8°和32.9°處觀察到HA的衍射峰，分別對應PDF#09-0432中HA的(002)、(211)和(300)晶面。隨著溫度的升高，(211)和(300)晶面衍射峰的半峰全寬縮小，峰形更加尖銳，表明升高溫度有助于促進HA結晶度的提高,結晶度越高，HA的性能越穩定。600 ℃和800 ℃熱處理時，涂層中并沒有出現HA的分解相磷酸三鈣(TCP)的雜相峰，說明600 ℃和800 ℃的熱處理制度并沒有導致HA發生熱分解。

圖2 GO粉體和GO/HA涂層的XRD譜Fig.2 XRD patterns of GO powder and GO/HA coatings

無熱處理時，涂層中沒有出現金紅石相的衍射峰，但是600 ℃和800 ℃熱處理時涂層中有明顯可見的金紅石相，說明熱處理可以促進TiO2的生成[13]。鈦常溫下在空氣中很難氧化，但是在高溫環境下，鈦會氧化形成TiO2，TiO2可以有效防止腐蝕介質對鈦基體腐蝕。隨熱處理溫度的升高，原本鈦峰強度明顯降低，甚至消失，800 ℃時金紅石相衍射峰更強。這說明鈦基體的表面發生了較大程度的氧化，這也是由于疏松多孔的涂層結構使鈦基體表面可以與空氣接觸，促進了鈦基體的氧化反應。

圖2中曲線d顯示了GO的XRD譜，2θ=11°處明顯的衍射峰是GO在(001)晶面的特征峰。在曲線b和曲線c中未觀察到GO的特征峰，有可能是因為熱處理破壞了GO的有序晶體結構。

2.3 熱處理對涂層潤濕性的影響

潤濕性是涂層表面一種重要的物理性質，良好的潤濕性有利于細胞和蛋白質在涂層上的吸附，從而提高細胞的生物相容性。潤濕效果越好的材料一般具有更好的細胞親和性，與機體組織的結合性能也愈佳。GO/HA涂層在不同熱處理條件下的水接觸角如圖3所示。從圖3可以明顯看出，無熱處理、600 ℃熱處理和800 ℃熱處理的涂層水接觸角分別為15.0°、25.5°和51.6°，隨著熱處理溫度的提高，涂層表面潤濕性受到抑制。固體材料的形貌結構和表面暴露基團是影響潤濕性的關鍵因素,熱處理溫度提高到800 ℃，HA顆粒由針狀結構轉變為棒狀結構，涂層中HA顆粒的結合更加緊密；涂層表面的HA含有大量羥基，羥基通過氫鍵增強涂層與水分子之間的吸引力，達到增加表面能和提高潤濕性的效果，熱處理溫度升高導致羥基數量減少，潤濕性降低[14-15]。

圖3 GO/HA涂層在不同熱處理條件下的水接觸角Fig.3 Water contact angle of GO/HA coatings at different heat treatment conditions

2.4 熱處理對涂層礦化性能的影響

HA植入體內后，其表面首先會形一層與骨無機成分相似的類骨磷灰石物質，促進生物材料與活體骨形成化學鍵合，是生物材料具有骨誘導性的必要條件。為了衡量溫度對涂層形成磷灰石能力的影響，評價涂層生物活性，將600 ℃和800 ℃條件下制備的涂層浸泡在與人體血漿無機成分類似的模擬體液(simulated body fluid, SBF)中，浸泡時間為7 d，浸泡結束后觀察微觀形貌，如圖4所示。從圖4(a)、(b)可以看出，600 ℃熱處理后涂層表面形成一層致密均勻的礦化層，覆蓋率為100%，呈完整的花瓣狀結構。圖4(c)、(d)顯示，800 ℃熱處理后涂層表面礦化層不均勻，礦化層上層磷灰石晶體結構為尺寸較大的花瓣狀，礦化層下層晶體結構為尺寸較小的鱗片狀，礦化層晶體整體生長情況不如600 ℃熱處理條件下的涂層。

圖4 不同熱處理溫度的GO/HA涂層在37 ℃ SBF中浸泡 7 d后的SEM照片Fig.4 SEM images of GO/HA coatings treated at different temperatures after immersion in 37 ℃ SBF for 7 d

2.5 浸泡時間對涂層礦化性能的影響

圖5顯示了GO/HA涂層在SBF中浸泡 3 d、7 d和15 d后的表面形貌，涂層熱處理溫度為600 ℃?？梢悦黠@看到涂層表面都沉積了一層磷灰石，說明GO/HA涂層能夠誘導磷灰石在生物環境中生長，具有優異的生物活性。體外浸泡不同天數后形成的礦化層在形貌上存在很大的區別:浸泡3 d后，從圖5(a)可以看出礦化層是發育不完整的低結晶度的礦化晶體；浸泡7 d后，從圖5(b)可以看出礦化層是由發育完整、尺寸較大的磷灰石晶體相互交織在一起；從圖5(c)可以看出浸泡15 d后的表面形貌與3 d后的類似，區別在于浸泡15 d樣品的磷灰石晶片結晶度明顯優于僅浸泡3 d的樣品。涂層的礦化過程是不斷溶解沉淀的過程，礦化形成的礦化層形貌并不固定，而是處于動態變化的狀態。

圖5 GO/HA涂層在SBF中浸泡不同時間后的SEM照片Fig.5 SEM images of GO/HA coatings after immersion in SBF for different time

3 結 論

(1)GO/HA涂層需要進行熱處理改變沉積顆粒松散堆積的狀態，提高涂層結合強度。未經熱處理、600 ℃熱處理和800 ℃熱處理的涂層結合強度分別為10.06 MPa、14.74 MPa和25.31 MPa。

(2)熱處理有助于促進GO/HA涂層中HA結晶度的提高，600 ℃和800 ℃的熱處理制度并沒有導致HA發生熱分解，但有可能破壞了涂層中GO的有序晶體結構。

(3)熱處理溫度的升高會影響GO/HA涂層的結晶度和致密度，不利于涂層的潤濕性。GO/HA涂層能夠誘導磷灰石在生物環境中生長，具有優異的生物活性。800 ℃熱處理后涂層穩定性高，溶解度低，不利于涂層的礦化過程。