钛表面微弧氧化羟基磷灰石陶瓷膜的结构及其生物活性

于维先，刘歆婵，王闻天，张玉凤，王海瑞

（1.吉林大学 口腔医学院牙发育及颌骨重塑与再生省重点实验室，长春130021；2.北华大学 口腔医学院，吉林 吉林132013；3.吉林大学 口腔医学院麻醉科，长春130021；4.吉林大学 口腔医学院修复科，长春130021；5.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150090）

由于钛和钛合金具有优良的力学性能及良好的生物相容性等优点，因此作为人体植入材料广泛应用于临床医学各领域.但由于钛金属为生物惰性材料，缺乏生物活性，因此不易与骨组织形成化学性结合，从而阻碍了钛和钛合金在临床医学中的进一步应用.羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）为人体骨组织中的主要无机成分，具有优良的生物活性，植入骨组织后可在界面上与骨形成化学键结合，并具有骨诱导活性.但HA脆性大，强度低，力学性能较差，因此在临床应用中仅用于非承力部位.

微弧氧化（microarc oxidation，MAO）可直接在金属表面原位生长陶瓷膜［1］，利用该技术制备的陶瓷膜与基体结合牢固、结构致密，且膜层表面呈微孔状，有利于植入材料与骨组织的结合.本文采用微弧氧化技术，在纯钛表面制备一层含有HA的陶瓷膜，并分析膜层在模拟体液（simulate body fluid，SBF）中诱导形成HA的能力及特点.

1 实 验

1.1 仪器和设备 微弧氧化设备为WHD－300型双相脉冲电源（哈尔滨工业大学中俄科技合作及产业化中心）；JSM－6460型扫描电子显微镜（SEM，日本电子株式会社）；X射线能谱分析仪（EDS，日本电子株式会社）；Dmax－ⅢB型X射线衍射仪（XRD，日本理学公司）；TENSOR27型红外光谱仪（FT－IR，德国Bruker公司）.

1.2 样品制备 选用纯钛TA2（宝鸡宝冶镍钛制造有限公司）作为制备生物活性陶瓷膜的基体材料.将样品加工成15mm×15mm×1mm的薄片后，先分别用240＃，800＃和1 200＃碳化硅砂纸打磨，再分别用丙酮和蒸馏水超声清洗20min，室温干燥备用.本文以不锈钢电解槽为阴极，样品钛片为阳极进行微弧氧化.电源频率为60Hz，占空比为50%，电流密度［2］为20A／dm2.用0.5mol／L的醋酸钙和0.25mol／L的磷酸二氢钠作为电解液，处理时间分别为5min和10min.反应结束后，取出样品，蒸馏水冲洗，室温干燥备用.

1.3 模拟体液浸泡实验 参考文献［3］，按表1所列配制SBF.样品浸泡前，先用丙酮和蒸馏水超声清洗，烘干后浸泡在SBF中，置于37℃培养箱中6，12，24，48h后分别取出样品，用丙酮和去离子水漂洗，在室温下自然晾干备用.

表1 配制50mL SBF所需试剂的质量及其浓度Table 1 Amount and concentrations of reagents for preparing 50mL of SBF

1.4 样品表征 用SEM观察膜层表面的形貌，用EDS分析膜层表面的元素组成，用XRD（Cu Kα）和FT－IR分析膜层的相和成分组成.

2 结果与讨论

2.1 微弧氧化膜层的表面形貌 微弧氧化膜层表面形貌的SEM照片如图1所示.由图1（A）可见，膜层表面孔径较均匀，约为2～4μm，且表面较平坦，呈典型的微弧氧化形貌；由图1（B）可见，膜层表面粗糙不平，出现大量颗粒状物质，在部分孔周围可观察到类似火山口状形貌；由图1（C）可见，膜层表面出现少量棉絮状结晶物质；由图1（D）可见，膜层表面大部分已被羟基磷灰石的针状结晶覆盖.

微弧氧化5min和10min制备的膜层表面形貌差别较大，这是因为恒流模式下，在微弧氧化初期，工作电压较小，膜层表面放电能量较小且均匀，此时形成的膜层孔径均匀，表面平整，随着反应的进行，膜层逐渐增厚，若维持电流不变，则电压将增大，火花放电能量越来越高，放电变得不均匀，同时孔道烧蚀，伴随大量熔融物从孔道中喷出，形成火山口形貌，使得膜层表面粗糙不平.在微弧氧化初期，电解液中的钙和磷在电场驱使下开始在膜层表面沉积，但火花能量较小，不足以形成HA.随着反应的进行，膜层逐渐增厚，工作电压增大，火花能量也逐渐增大，当其增大到一定程度后，膜层中富集的大量钙和磷开始转变为HA相，并与孔道中喷出的熔融物沉积在膜层表面的微孔周围，形成大量颗粒状物质，使得表面粗糙不平.膜层粗糙度的增大有利于HA在膜层表面沉积，此外膜层表面粗糙多孔有利于细胞附着［4］.

图1 微弧氧化膜层表面形貌的SEM照片Fig.1 SEM images of surface morphologies of coatings fabricated by MAO

2.2 微弧氧化膜层相组成 微弧氧化膜层的XRD谱如图2所示.由图2中曲线a可见，膜层相组成主要为锐钛矿型TiO2和金红石型TiO2，未形成HA相.由图2中曲线b可见，除锐钛矿型TiO2和金红石型TiO2特征峰外，出现了HA的特征峰，表明膜层中出现HA相，但HA特征峰较宽，即膜层中HA的结晶程度较低，存在大量无定型态的钙磷成分.此外，在微弧氧化为5min和10min的XRD谱中均可见较强的钛基体特征峰，表明微弧氧化过程形成的膜层较薄.

图2 微弧氧化膜层的XRD谱Fig.2 XRD patterns of the coatings fabricated by MAO

图3 微弧氧化膜层的FT－IR谱Fig.3 FT－IR pattern of the coating fabricated by MAO

微弧氧化10min时所得膜层的红外光谱如图3所示.由图3可见：在550～650cm－1处出现基团O—P—O弯曲振动双峰和OH－的吸收峰［5］，这是典型的HA结构特征；在1 020～1 100cm－1处为的吸收峰；在3 450cm－1附近有一个较宽的H2O吸收峰；在1 650cm－1处存在一个较弱的H2O吸收峰［6］.由XRD和FT－IR的测试结果可知，该膜层由TiO2／HA复合组成并含有大量其他无定形态钙、磷成分.且该复合膜层比纯HA膜层与基体间的结合强度大［7］.

2.3 SBF浸泡后膜层表面形貌 微弧氧化处理10min制备的膜层经SBF浸泡后表面形貌的SEM照片如图4所示.由图4（A）可见，膜层的多孔形貌变化较小；由图4（B）可见，沉积层开始沿微孔在膜层表面沉积铺展，同时孔径缩小，孔径较小的微孔逐渐消失，表面趋于平整；由图4（C）可见，膜层表面基本被沉积层覆盖，仅有极少量微孔露出；由图4（D）可见，膜层已被沉积层完全覆盖，表面更平整.

图4 微弧氧化处理10min制备的膜层经SBF浸泡不同时间后表面形貌的SEM照片Fig.4 SEM images of surface morphologies of the coatings fabricated by MAO for 10min after soaking in the SBF for different time

2.4 SBF浸泡后膜层的相组成及化学组成 微弧氧化处理10min制备的膜层经SBF浸泡48h后的XRD谱如图5所示.由图5可见，存在HA、锐钛矿型TiO2、金红石型TiO2及钛基体的衍射峰.相对于未浸泡前膜层的XRD谱，其HA衍射峰更强，表明经SBF浸泡后膜层中含有大量的HA成分，该膜层具有较强的诱导HA形成能力，此时HA衍射峰仍较宽，即仍存在大量非晶物质.

微弧氧化处理10min制备的膜层经SBF浸泡48h后的FT－IR谱和EDS谱分别如图6和图7所示.由 图 6 可 见： 在 550～650cm－1和1 020～1 100cm－1处基团的吸收峰增强；在3 450cm－1和1 650cm－1处H2O吸收峰变尖锐；在870cm－1和1 470cm－1处出现吸收峰，XRD测试结果未发现碳酸盐晶相，表明沉积层中的成分可能复合在新形成的HA结构中，含有该碳酸磷灰石是植入材料诱导形成骨组织的必要条件.由图7可见，新形成的沉积层主要由钙和磷元素组成.通常微弧氧化制备含钙和磷元素的膜层需在SBF溶液中浸泡14d以上，沉积层才能完全覆盖膜层表面［8］，等离子喷涂制备的TiO2膜层需活化处理后才具有生物活性，且在SBF浸泡处理28d后沉积层才能完全覆盖膜层表面［9］.因此，本文制备的膜层具有较高的生物活性.

图5 微弧氧化处理10min制备的膜层经SBF浸泡48h后的XRD谱Fig.5 XRD pattern of the coating fabricated by MAO for 10min after soaking in the SBF for 48h

图6 微弧氧化处理10min制备的膜层经SBF浸泡48h后的FT－IR谱Fig.6 FT－IR pattern of the coating fabricated by MAO for 10min after soaking in the SBF for 48h

图7 微弧氧化处理10min制备的膜层经SBF浸泡48h后的EDS谱Fig.7 EDS pattern of the coating fabricated by MAO for 10min after soaking in the SBF for 48h

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