TLM钛合金表面二氧化钛三维结构纳米薄膜的可控制备及表征

何 芳，李立军，黄 远，李凤娇，陈利霞

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；2. 天津市材料复合与功能化重点实验室，天津 300072)

TLM钛合金表面二氧化钛三维结构纳米薄膜的可控制备及表征

何 芳1,2，李立军1,2，黄 远1,2，李凤娇1,2，陈利霞1,2

(1. 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；2. 天津市材料复合与功能化重点实验室，天津 300072)

为了提高血管支架医用钛合金表面的亲水性和抗溶血作用，采用阳极氧化工艺在近β型TLM(Ti-25Nb-3Mo-2Sn-3Zr)医用钛合金表面构建了具有纳米孔/纳米管三维结构二氧化钛(TiO2)纳米薄膜，并对其结构和性能进行表征．研究结果表明：通过控制一次阳极氧化电压和时间可获得具有上层为无序纳米孔、中层为有序纳米管、底层为有序纳米孔的三维结构TiO2纳米薄膜，该薄膜为无定形态；而采用二次阳极氧化工艺获得了纳米孔互贯网络的TiO2纳米薄膜，该薄膜表面更加平整，且表面孔隙率大、亲水性好，同时具有比一次阳极氧化薄膜更好的抗溶血作用，这为其应用于血管支架方面打下基础．

TLM钛合金；二氧化钛；三维结构；纳米薄膜

血管支架介入是治疗冠心病的主要方法，但支架置入后易引起炎症反应，导致平滑肌细胞增殖与迁移，同时血小板在支架表面易发生黏附，从而引起血管内膜增生或血栓形成，因此血管再狭窄(支架内再狭窄)率高[1-2]．药物洗脱支架(DES)由于能实现局部的、长期的、可控的药物释放，药物用量少而全身毒副作用小，在降低再狭窄率方面有显著的优势，但是聚合物的应用却会引发一系列的炎症、毒性反应，而且DES晚期急性血栓问题与聚合物的存在也有一定的关系，即使是可降解聚合物也会存在降解速率不均一等问题[3-5]．文献[6]已有研究表明，通过在金属支架表面构建纳米结构或微米结构氧化层，利用多孔氧化膜作为药物载体(吸附药物)来实现药物局部传递，从而有望避免DES中载药聚合物引发的炎症反应及其他副反应．但是目前获得的纳米或微米结构氧化膜多为单一形态，如纳米孔或者纳米管，因而比表面积小，药物加载量有限．笔者选用近β型TLM(Ti-25Nb-3Mo-2Sn-3Zr)钛合金，通过阳极氧化工艺在其表面构建了比表面积大的结构可控三维分级结构二氧化钛(TiO2)纳米薄膜，并对其结构及亲水性、抗溶血作用进行表征．

1 实 验

TLM钛合金属于第3代医用钛合金，为近β型，不含Al、V、Ni等对人体有害的元素，其具体成分含量(质量分数)如表1所示，由西北有色金属研究院提供．

表1 TLM钛合金化学成分Tab.1 Chemical components of TLM titanium alloy %

1.1 TiO2三维结构纳米薄膜制备及热处理

将TLM钛合金切割成尺寸为10,mm×10,mm× 2,mm的试样，打磨抛光至无明显划痕，然后依次用丙酮、异丙醇、甲醇、去离子水超声清洗15,min，接着在氢氟酸、浓硝酸和去离子水体积比为2∶3∶11的混合酸溶液中预处理30,s，随后用去离子水、乙醇超声清洗数次，浸泡保存在乙醇溶液中待用．采用自制电解槽对经预处理后的试样进行阳极氧化．电解液为乙二醇与水的混合溶液，体积比为99∶1，氟化铵质量分数为0.5%．阳极为TLM钛合金片，阴极为尺寸与试样同尺寸的铂电极，阴极与阳极间距为4,cm．一次阳极氧化：在恒电压模式下，调节阳极氧化电压为30,V对试样进行不同时间的阳极氧化处理，处理后的试样经去离子水、乙醇超声清洗数次，吹干待用；二次阳极氧化：将一次阳极氧化处理4,h的样品置于1,mol/L的盐酸溶液中超声处理20,min，然后用去离子水和乙醇超声清洗，吹干，再在30,V条件下阳极氧化处理10,min，然后用去离子水和乙醇超声清洗，吹干待用．

热处理工艺在电阻炉中进行，升温速率2,℃/min，保温温度为500,℃，保温时间为1,h，然后随炉冷却．

1.2 分析表征方法

采用S-4800场发射扫描电镜对基体和经阳极氧化工艺处理的试样表面氧化膜进行表面形貌观察；对基体及氧化膜的物相组成通过Rigaku-D/Max-2500,X射线衍射仪进行分析，具体测试条件为：Cu-Kα1为射线源，工作电压40,kV、工作电流150,mA，掠射角1°，计数器的样间隔时间0.02,s，扫描速度4°/min；通过FEI Technai G2,F20透射电子显微镜对氧化膜的微观组织进行分析；采用CA15EC视频光学接触角测量仪测试样品表面对蒸馏水的静态接触角，表征其亲水性，其结果为3次结果的平均值．

1.3 溶血率测试方法

样品对血液红细胞的溶血作用测试方法：①从健康家兔抽取3,mL新鲜血液，加入0.2,mL草酸钾(20,g/L)抗凝剂，以血液与生理盐水体积比为4∶5的比例将生理盐水加入到血液中，制备出新鲜稀释血液；②每个样品设3支试管(3个平行样)，阴性对照组同设3支试管，每支试管中加入0.9%氯化钠溶液10,mL；设3支阳性对照管，加入10,mL蒸馏水；③将全部试管水浴30,min，温度设定为(37±0.5)℃；④向各试管中再加入步骤①中所制备的新鲜稀释血液0.2,mL，混匀，再放入水浴中，继续保温60,min；⑤将试管中的混合液置入离心管中，离心处理5,min，转速为2,500,r/min，自各管取上面澄清液，用紫外可见分光光度计在特征吸收峰下测定吸光度；⑥进行溶血率(%)分析，计算式为

式中：D为实验样品的吸光度；Dpc为阳性对照的吸光度；Dnc为阴性对照的吸光度．各试管和对照管的吸光度均取3支试管的平均值．当溶血率小于5%时，表明该材料满足医用生物材料溶血率要求，相反则说明材料有溶血作用．

2 结果与讨论

2.1 三维分级结构TiO2纳米薄膜微观结构

图1为TLM合金基体扫描照片和30,V电压下阳极氧化不同时间获得的氧化膜表面形貌．由图1(a)可知，经过打磨抛光的TLM合金表面较为光滑，无明显划痕，满足阳极氧化处理的要求．图1(b)～(e)为30,V电压下一次阳极氧化获得的TiO2纳米薄膜的表面形貌照片，可知在阳极氧化处理5,s后，有序纳米孔(RNP)结构形成，其上覆盖一层纳米级厚度的无序纳米孔(INP)氧化层；在处理时间为10,min时，出现了上层为有序纳米管(RNT)而下层为纳米孔的有序多级结构，纳米管与纳米孔相通，此时无序孔氧化层仍存在．随着时间进一步延长，纳米管/纳米孔多级结构保持不变，处理时间为60,min之后，无序孔氧化层消失，表面出现窝槽．对比各图可以看出，在无序孔氧化层存在时，氧化膜表面微观形貌更为平整．在处理时间为10～60,min时，获得的TiO2纳米薄膜呈现上层为无序纳米孔、中层为有序纳米管、底层为有序纳米孔的3层相通的三维分级结构，如图2所示，其中图2(b)为中层和底层的结构示意. 图1(f)为在30,V电压处理4,h后将氧化膜剥落后再进行30,V电压下处理10,min的二次阳极氧化薄膜表面形貌，由图可以看出，获得的TiO2纳米膜微观呈现互贯网络纳米孔结构，孔结构通透性高．

为了对氧化膜的物相组成进行分析，对一次阳极氧化获得的TiO2纳米薄膜进行TEM和XRD分析，结果如图3所示．由图3(a)可以清楚地看出TiO2呈现纳米管状，且为无定型态，XRD结果进一步验证了这一结果．

图1 不同样品的表面形貌Fig.1 Surface morphology of different samples

图2 三维结构TiO2纳米薄膜空间结构及其示意Fig.2Spatical structure and schematic diagram of TiO2nano-film with three-dimentional structure

图3 30,V电压一次阳极氧化处理30,min后获得的TiO2纳米管TEM图及XRD谱图Fig.3TEM photos and XRD spectra of TiO2nanotubes obtained after one-step anodic oxidationunder 30 V for 30,min

图4所示为30,V电压下一次阳极氧化制备的氧化膜表面有序纳米孔直方图及孔内径与氧化时间的关系．由图4可以看出，随着氧化时间的增加，纳米孔或纳米管内径增加，即阳极氧化过程伴随着纳米孔内壁的溶解，但不同时间下得到的氧化层有序孔中心距(两相邻孔孔中心的距离)基本保持不变，约为60,nm．

为进一步研究阳极氧化膜的形貌特征，使用Image-Pro Plus 6.0软件分析一次和二次阳极氧化膜的SEM图，计算其表面孔隙率．结果表明，30,V电压下，一次、二次阳极氧化的氧化膜的表面孔隙率分别为10.1%和16.9%，二次阳极氧化一定程度上提高了表面孔隙率，这主要是由于经二次阳极氧化后，试样表面不再存在无序孔氧化层；随着电压的增大，中心距增大，电化学溶解作用加剧，因此氧化膜的孔隙率增大．通过调整电化学参数及阳极氧化次数，可获得形貌可控的三维分级结构纳米氧化膜．

图4 30 V电压下不同时间获得的氧化膜表面有序纳米孔直方图及孔内径与氧化时间的关系Fig.4 Inner diameter histograms of surface nanopores and relationship between nanopore and anodization durations under 30,V

TLM钛合金阳极氧化处理后，在表面同样获得了无序孔氧化层，其下方为有序纳米结构．但与前述研究不同的是，在阳极氧化前期获得的是纳米孔有序结构，与阳极氧化铝多孔结构相似[7]，延长时间后，制备出有序纳米管/纳米孔三维多级结构，且纳米管与其下方纳米孔相通，同电压下，中心距保持一致．结合以前研究成果，可将阳极氧化过程总结如下：阳极氧化过程中，首先在表面形成阻挡层，同时由于电化学溶解作用，形成无序多孔结构；在电场作用下(时间很短)，规则纳米孔结构在无序多孔层下面形成，规则排列的纳米多孔结构有利于使体系的能量最低；随着时间的延长，氧化层/基体界面向基体内部迁移，氧化层加厚，F-在纳米孔边界及金属基体/氧化膜层界面处可积累形成F-聚集区，与氧化物结合形成水溶性氟化物，导致纳米孔自上而下的分裂，从而形成纳米管/纳米孔多级结构．为了进一步改善氧化膜性能，有学者提出了多次阳极氧化工艺，即将一次阳极氧化处理的氧化膜去除后，再进行阳极氧化．经一次阳极氧化处理的基体去除氧化层后，表面可以形成规则排列的纳米凹坑，纳米凹坑与氧化层类试管底部形貌互补，当对其再次进行阳极氧化处理时，纳米多孔结构在原纳米结构形成处规则生长，可以有效地改善表面平整度，提高多孔或管结构的规整性和均匀性，具体过程如图5所示．

图5 阳极氧化处理示意Fig.5 Schematic diagram of anodization

2.2 TiO2纳米薄膜亲水性及溶血率

材料亲水性、表面能、表面粗糙度和表面电荷分布均与材料的生物相容性密切相关，如表面越粗糙、暴露在血液中的面积越大，越易形成湍流，血栓形成的可能性越大．文献[8]指出超亲水性和疏水性都会促进溶血，材料亲水性和表面自由能与血液成分在材料表面的吸附、变性有密切关系，提高材料的亲水性以降低自由能，有利于提高材料表面的抗血栓性能.本研究通过测定合金材料表面对去离子水的静态接触角来表征其亲水性情况，分析对比不同处理工艺对接触角的影响，侧面反映材料改性前后的生物相容性.

图6为对应材料的接触角示意，图中标示的角度为接触角平均值．由图可以看出基体接触角为63.6°，经一次阳极氧化处理后，材料表面接触角为18.8°，二次阳极氧化后表面接触角为14.5°．这可能是由于阳极氧化后得到的氧化膜表面存在亲水性羟基基团，易于吸附水形成氢键[9-10]，同时表面纳米孔结构的存在，增加了水与氧化膜的实际接触面积，从宏观层面上降低了接触角．而二次阳极氧化后由于其表面更加平整，孔隙分布均匀且孔隙率低，从而使接触角进一步降低，亲水性得到改善．

图6 不同试样接触角示意Fig.6 Contact angles sketch of different specimens

图7 给出了阳极氧化前后试样的溶血率，可以看出，TLM基体的溶血率值最大(3.47%)，一次阳极氧化后溶血率降为1.8%，二次阳极氧化后的溶血率为1.4%，表明材料经阳极氧化改性后具有更好的抗溶血作用．Chu等[8]在对血管支架形状记忆NiTi合金经阳极氧化处理的研究中也指出，纯NiTi合金其溶血率为4.26%，经改性之后溶血率降为1.34%. 文献[11-12]研究结果表明，阳极氧化后表面氧化物的形成对材料血液相容性产生了重要影响．刘敬肖等[13]通过溶胶-凝胶法在316,L不锈钢和NiTi形状记忆合金表面制备出了TiO2薄膜，溶血性测试表明，TiO2薄膜的涂覆使2种合金的溶血率均有所下降，且都小于2%. TiO2为N型半导体，禁带宽度为3.0～3.2,eV[14-15]，而血纤维蛋白原的价带和导带正好落在TiO2禁带之间，纤维蛋白原的价带电子向材料转移受到阻碍，因而TiO2膜对纤维蛋白原的吸附较少，具有较好的血液相容性．

图7 不同样品的溶血率Fig.7 Hemolysis rates of different samples

3 结 论

(1) 采用一次阳极氧化工艺在TLM医用钛合金表面成功获得上层为无序纳米孔、中层为有序纳米管、底层为有序纳米孔的三维结构TiO2纳米薄膜，采用二次阳极氧化工艺获得的TiO2纳米薄膜具有互贯网络状的纳米孔结构．

(2) 在一次阳极氧化工艺条件下获得的TiO2纳米薄膜呈无定型态．

(3) 二次阳极氧化工艺获得的TiO2纳米孔薄膜表面平整，表面孔隙率大，亲水性好，同时具有比一次阳极氧化薄膜更好的抗溶血作用．

(4) 一次和二次阳极氧化工艺获得TiO2纳米薄膜表面的溶血率低，符合生物医用材料溶血率小于5%的标准．

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（责任编辑：田 军)

Controllable Preparation and Characterization of Titanium Dioxide Nano-Films with Three-Dimensional Structure on TLM Titanium Alloy Surface

He Fang1,2，Li Lijun1,2，Huang Yuan1,2，Li Fengjiao1,2，Chen Lixia1,2
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials，Tianjin 300072，China)

In order to improve the hydrophilicity and antihemolysis of medical titanium alloys used for intravascular stent，titanium dioxide(TiO2)nano-films with nanotube/nanopore three-dimensional structure were prepared on near β TLM medical titanium alloy surface through anodization process，and their structure and property were also studied here. The results show that TiO2nano-films with three-dimensional structure，in which unordered nanopores，ordered nanotubes and ordered nanopores are located at upper，middle and bottom layers，respectively，can be obtained through controlling applied voltage and time of one-step anodization process. This type of nano-films is amorphous. While TiO2nano-films with interconnected nanopores can be prepared by two-step anodization. Such nanofilms exhibit more excellent characteristics than those obtained by one-step anodization，such as greater smoothness，larger porosity，better hydrophilicity as well as higher antihemolysis，which provide the foundation for their application in intravascular stent.

TLM titanium alloy；titanium dioxide；three-dimensional structure；nano-films

TB332

A

0493-2137(2014)07-0635-06

10.11784/tdxbz201304043

2013-04-23；

2013-09-25.

天津市自然科学基金重点资助项目(11JCZDJC17300)．

何 芳（1978— ），女，博士，副教授，fanghe@tju.edu.cn.

黄 远，yuanhuang@tju.edu.cn.

时间：2013-10-17.

http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20131017.1011.001.html．