鈦鎳合金絲材電解拋光工藝的研究①

彭 靜， 徐小寧， 劉立斌

（中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

鈦鎳合金因具有良好的性能成為心血管支架的首選材料，但常用的激光切割制備的支架表面粗糙，植入人體后易導(dǎo)致腐蝕和溶血，因此需要進(jìn)行表面處理。電解拋光因具有拋光效率高、效果好等優(yōu)點(diǎn)常作為鈦鎳合金支架的最后一道處理工序。 目前常用的拋光液體系為酸-醇體系［1-3］，如硝酸-正丁醇［4］、硫酸-甲醇［5］等，該體系拋光效率高、效果好，但腐蝕性強(qiáng)、危險(xiǎn)系數(shù)高，在基礎(chǔ)拋光液中加入如氟化銨［6］、檸檬酸［7］、乳酸［8］、三乙醇胺［9］等添加劑能進(jìn)一步優(yōu)化拋光效果。

針對(duì)鈦鎳絲材粗糙表面引起的腐蝕、溶血問題，本文以酸-醇拋光液為基礎(chǔ)拋光液、有機(jī)酸和醇為添加劑，研究拋光液成分對(duì)鈦鎳合金絲材拋光效果的影響，以獲得適宜的拋光液成分，提高鈦鎳絲材的表面質(zhì)量、抗腐蝕性和生物相容性。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原料為經(jīng)低溫?zé)崽幚砗统醪綑C(jī)械拋光的49.2Ti50.8Ni 合金絲材，規(guī)格為Ф0.5 mm×10 mm。 實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑包括高氯酸、檸檬酸、甲醇、甘油、磷酸、無水乙醇等，均為分析純。 主要實(shí)驗(yàn)儀器為IT6833 型直流穩(wěn)壓電源、DS-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、燒杯、超聲波清洗儀、玻璃棒等。

1.2 電解拋光

絲材預(yù)處理：將絲材試樣浸沒在恒溫50 ℃的62%磷酸［10］溶液中，攪拌條件下浸泡30 min，取出后用無水乙醇超聲清洗10 min，干燥后裝入密封袋中。

電解拋光：以預(yù)處理后的絲材試樣為陽極、鉑片（10 mm×10 mm）為陰極，陰極和陽極均完全浸沒在拋光液中，在IT6833 型直流穩(wěn)壓電源（通過軟件PV6800 調(diào)控電壓參數(shù)）上進(jìn)行電解拋光，拋光液基礎(chǔ)成分為：12 mL 高氯酸＋108 mL 甲醇。 各拋光液添加劑種類及濃度與電解拋光參數(shù)分別如表1 與表2 所示。

表1 拋光液成分

表2 電解拋光參數(shù)

1.3 微觀形貌表征

采用MIRA3 LMH 掃描電子顯微鏡表征試樣表面形貌；通過Dimension Icon 原子力顯微鏡評(píng)價(jià)試樣表面粗糙度。

1.4 抗腐蝕性能

采用IM6ex 型電化學(xué)工作站，測(cè)試試樣極化曲線：參比電極為飽和甘汞電極，陰極為鉑電極，測(cè)試介質(zhì)為37 ℃磷酸鹽緩沖溶液（PBS），電壓測(cè)試范圍－0.4～0.3 V，掃描速率為1 mV／s。

采用SPECTRO BLUE SOP 全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定PBS 中鎳離子濃度：將試樣浸泡在PBS中，恒溫37 ℃，每12 h 更換一次PBS 以模擬人體中體液的流動(dòng)，分別測(cè)試第1、3、7 和14 d 的PBS 中鎳離子濃度。

1.5 血液相容性能

溶血率測(cè)試：離心管中加入10 mL 生理鹽水作為陽性對(duì)照組，離心管中10 mL 去離子水作為陰性對(duì)照組，將試樣浸泡在10 mL 生理鹽水中、37 ℃水浴保溫30 min 作為實(shí)驗(yàn)組，然后在陽性對(duì)照組、陰性對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組中分別加入0.2 mL 稀釋抗凝兔血（抗凝兔血與生理鹽水體積比4 ∶5），輕輕搖晃均勻后在37 ℃下保溫1 h，以離心速度2 000 r／min 對(duì)溶液離心5 min，取上層清液在550 nm 處測(cè)試吸光度值。

式中OD實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)組吸光值；OD陽性為陽性對(duì)照組吸光值；OD陰性為陰性對(duì)照組吸光值。

血小板黏附實(shí)驗(yàn)：將樣品放置在12 孔板中，取新鮮抗凝兔血加入離心管中，以離心速度1 200 r／min 離心10 min，取上層富血小板血漿浸沒孔板中的樣品，37 ℃恒溫培育2 h 后取出孔板，用PBS 漂洗兩次，以去除未黏附的血小板，再加入戊二醛固定12 h，經(jīng)過30%、50%、70%、80%、90%和100%酒精梯度脫水和噴金后，在掃描電鏡下觀察血小板黏附情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加劑對(duì)拋光過程的影響

為選擇合適的拋光電壓，以拋光液1 為例，探究了電解拋光鈦鎳絲材過程中的電壓-電流關(guān)系，如圖1（a）所示。 圖中BC 段電流隨著拋光電壓升高達(dá)到近似平臺(tái)值，此階段為鈍化拋光階段；CD 段電流隨電壓升高急劇升高，為過鈍化出光階段；AB 段處于活化溶解階段，粗糙度有初步改善；拋光電壓高于D 點(diǎn)后處于過鈍化階段，電壓過大，陽極迅速溶解，氣體劇烈逸出導(dǎo)致拋光液沸騰，拋光效果差。 為了獲得更好的拋光效果，結(jié)合鈍化整平和過鈍化出光2 個(gè)階段，在BCD 段電壓中選擇一段連續(xù)變化電壓作為拋光電壓，經(jīng)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)確定拋光電壓范圍為5～7 V。

圖1 鈦鎳絲材拋光過程中電壓-電流關(guān)系

圖1（b）為拋光電壓5～7 V 時(shí)鈦鎳絲材在不同拋光液中的拋光電壓-電流關(guān)系。 可以發(fā)現(xiàn)，添加檸檬酸和甘油使電流平臺(tái)值更明顯，這是因?yàn)閽伖庖? 中檸檬酸與陽極溶解出的Ni2＋形成可溶性絡(luò)合物，主要以NiCit－形式存在［11］，隨著拋光過程的進(jìn)行，絡(luò)合物逐漸在陽極積累，形成一層液膜，在粗糙的樣品表面凸處液膜薄、電阻小，因此凸處溶解電流大，溶解出的陽離子更易擴(kuò)散，溶解速度大于凹處，表面得到整平；拋光液3中甘油是表面活性劑且黏度大，溶解的陽離子更容易在陽極積累形成液膜；與單獨(dú)添加檸檬酸或甘油相比，兩者同時(shí)添加的拋光液4 的緩蝕效果更好。

2.2 表面形貌

圖2 為電解拋光前后鈦鎳絲材表面形貌。 拋光前樣品經(jīng)初步機(jī)械拋光后留下的劃痕明顯且深淺、分布不均勻，表面粗糙。 經(jīng)拋光液1 拋光后，樣品表面質(zhì)量已經(jīng)得到很大改善，尤其劃痕數(shù)量明顯減少，表面較為均勻，但依然存在較深的凹坑。 經(jīng)過拋光液2、3 拋光，樣品表面明顯更均勻平整，劃痕去除，檸檬酸和甘油的添加使拋光效果得到提升，但表面有少量蝕坑，這可能是因?yàn)閽伖膺^程中絲材表面局部電流過大，導(dǎo)致腐蝕嚴(yán)重形成蝕坑。經(jīng)拋光液4 拋光后樣品表面平整光滑，幾乎觀察不到蝕坑，拋光效果好。

粗糙度可以量化表面平整程度。 圖3 為電解拋光前后鈦鎳絲材表面粗糙度，圖4 為拋光前后鈦鎳絲材表面形貌立體圖。 拋光前鈦鎳絲材平均粗糙度為161.3 nm，且波動(dòng)大；拋光后粗糙度大幅度降低，波動(dòng)也較小，整體較為均勻，其中拋光液4 的拋光效果好，平均粗糙度為15.6 nm，與圖2 結(jié)果相符。

圖3 拋光前后鈦鎳絲材表面粗糙度

圖4 拋光前后鈦鎳絲材表面形貌立體圖

2.3 抗腐蝕性

圖5 為拋光前后鈦鎳合金絲材在37 ℃PBS 中的極化曲線，利用塔菲爾外推法對(duì)其進(jìn)行分析，得到了各樣品的自腐蝕電位與自腐蝕電流，如表3 所示。 自腐蝕電位從－0.167 V 提高至0.045 V，自腐蝕電流密度有所降低，表明經(jīng)電解拋光后，鈦鎳合金絲材抗腐蝕性有所提高。 鈦鎳合金在人體中主要發(fā)生點(diǎn)蝕和均勻腐蝕，前者速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，拋光前表面粗糙不平，劃痕深度、長度不一，以孔蝕為主；拋光后表面平整、光滑，以均勻腐蝕為主，可見拋光后抗腐蝕性能有所提升。

圖5 拋光前后鈦鎳絲材在37 ℃PBS 中的極化曲線

表3 拋光前后鈦鎳絲材在37 ℃PBS 中的極化參數(shù)

圖6 為拋光前后鈦鎳絲材在37 ℃PBS 中浸泡不同時(shí)間時(shí)鎳離子溶出量。 由圖6 可知，5 組樣品的鎳溶出量都隨著浸泡時(shí)間增加而減少。 拋光前樣品的鎳溶出量一直很高，與其抗腐蝕性能差相一致。 這是因?yàn)樽匀粭l件下粗糙表面形成的氧化層并不均勻，電化學(xué)不均勻區(qū)域更容易發(fā)生腐蝕，樣品經(jīng)初步機(jī)械拋光，近表面區(qū)域往往會(huì)展現(xiàn)較高水平的鎳［12］，腐蝕發(fā)生后鎳的溶出量高。 經(jīng)拋光液4 拋光后的樣品鎳溶出量在第3 d 已經(jīng)下降到較低水平，這是因?yàn)閽伖夂髽悠繁砻嫫秸鶆颍赑BS 中生成一層均勻致密的氧化膜，抗腐蝕性能提高，阻止了鎳離子的溶出。 經(jīng)拋光液1、2、3 拋光后的樣品表面質(zhì)量雖然有所提高，形成了氧化膜，但依然存在部分坑蝕，鎳離子可能通過坑蝕溶出，鎳溶出量較拋光前樣品有所降低，但依然高于經(jīng)拋光液4 拋光后的樣品。

圖6 拋光前后鈦鎳絲材在37 ℃PBS 中浸泡不同時(shí)間時(shí)鎳離子溶出量

2.4 血液相容性

表4 為拋光前后鈦鎳絲材表面溶血率。 拋光前樣品溶血率達(dá)到2.333%，為輕微溶血材料，經(jīng)拋光液1拋光后樣品溶血率沒有明顯降低，但經(jīng)拋光液2、3、4拋光后樣品溶血率明顯下降，其中經(jīng)拋光液4 拋光后樣品溶血率降至0.333%。 醫(yī)用材料對(duì)紅細(xì)胞產(chǎn)生的破壞包括機(jī)械損傷和材料可溶性離子化學(xué)作用兩方面［14］，拋光前樣品表面粗糙、鎳離子溶出多，劃痕邊角尖銳，造成紅細(xì)胞膜機(jī)械損傷，鎳離子可通過抑制酶的活性使紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，膜的通透性增強(qiáng)，使膜破裂，引起溶血。 經(jīng)拋光液1 拋光后樣品雖然粗糙度有明顯下降，但鎳離子溶出較多，拋光液1 拋光后樣品依然輕微溶血。 拋光液2、3、4 拋光后樣品表面粗糙度和鎳溶出量明顯降低，材料有較好的血液相容性。

表4 拋光前后鈦鎳絲材表面溶血率

圖7 為拋光前后鈦鎳絲材表面的血小板黏附情況，圖8 為拋光前后鈦鎳絲材表面的血小板形態(tài)。 拋光前樣品表面血小板聚集明顯，處于激活狀態(tài)。 經(jīng)拋光液1 拋光后樣品表面血小板黏附多，部分血小板已經(jīng)伸出偽足，血小板已經(jīng)激活。 經(jīng)拋光液2、3、4 拋光后樣品表面血小板黏附和聚集明顯減少，血小板有輕微變形，處于初步激活。 這是因?yàn)閽伖馇皹悠繁砻娲植冢降鞍踪|(zhì)的有效面積增加，更容易導(dǎo)致血小板黏附［15］。

圖8 拋光前后鈦鎳絲材表面血小板形態(tài)

3 結(jié) 論

1） 最佳拋光液組成為高氯酸-檸檬酸-甲醇-甘油，其中檸檬酸濃度為2.91 g／L，甘油濃度為83.33 mL／L，用優(yōu)化后的拋光液對(duì)鈦鎳合金絲材進(jìn)行電解拋光，表面粗糙度由拋光前的161.3 nm 降至15.6 nm，表面平整光亮。

2） 拋光后樣品自腐蝕電位由－0.167 V 升至0.045 V，自腐蝕電流密度由10－5.49A／cm2降至10－6.08A／cm2，鎳離子溶出量也明顯低于拋光前樣品，拋光后鈦鎳合金絲材抗腐蝕性能明顯提高。

3） 經(jīng)拋光液4 拋光后樣品溶血率由2.333%降至0.333%，絲材表面溶血情況得到改善。 拋光前樣品表面血小板聚集明顯，已有鋪開跡象，處于激活狀態(tài)；經(jīng)拋光液4 拋光后樣品表面血小板黏附數(shù)量顯著減少，血小板有輕微變形，處于初步激活狀態(tài)。 綜合可知，拋光后鈦鎳合金的血液相容性得到了改善。