钛合金表面梯度掺锶透钙磷石涂层研究

李忻畅，闫玉婷，方谦，梁永强

(华北理工大学 口腔医学院，河北 唐山　063000)



钛合金表面梯度掺锶透钙磷石涂层研究

李忻畅，闫玉婷，方谦，梁永强

(华北理工大学 口腔医学院，河北 唐山063000)

通过2步电化学沉积工艺，以医用钛合金(Ti-6Al-4V)作为基板，制备梯度掺锶透钙磷石涂层，为涂层钛(合金)的临床应用与进一步实验研究提供有价值的理论参考．实验采用X线衍射仪(XRD)以及X线荧光光谱仪(XRF)检测试件涂层成分和掺锶量，场发射扫描电镜(SEM)观测微观形貌，溶血实验检测溶血率，初步判断其体外生物相容性．根据检测结果，按照n(Sr)/n(Sr+Ga) 计算涂层掺锶量，结果显示成功在钛合金基板上制备锶的物质的量分数为10%、15%、20%的透钙磷石涂层，SEM观察涂层形态规则致密，检测溶血率均小于5%，符合医用材料相应要求(<5%)．

医用钛合金；电化学沉积；锶；透钙磷石；涂层

钛合金(Ti-6Al-4V)作为外科植入物用材料，临床常用于修复和辅助治疗人体重要骨组织器官[1]，如口腔牙种植体和种植支抗、人工关节以及骨修复产品等．但是由于钛合金生物活性差，无诱导和引导骨再生能力，因此需要通过表面涂层等改性方法加强钛合金制品在骨组织中的固定能力．常用的金属表面涂层改性处理法主要有涂覆-烧结法、等离子喷涂法、电化学沉积法等，其中，电化学沉积技术在医学领域的应用优势尤为突出，如：对金属基底体积及形态要求低，口腔种植体以及骨科孔状钛板等均可通过此法进行表面改性；成本低，可控制因素较多，通过改变电流、电压等参数可以间接控制电沉积涂层厚度、成分组成比例等属性.国内外已有许多研究通过电化学沉积法制备金属基钙磷类涂层，并取得了一定成果[2-3]．

透钙磷石(CaHPO4·2H2O，Brushite)作为动物骨骼无机成分羟基磷灰石(hydroxylapatite，HA)的前体物质，具有良好的生物相容性以及诱导、引导成骨作用，且在体内更易溶解，降解吸收速度较羟基磷灰石快[4-5]．但在以往研究中关于羟基磷灰石的金属基涂层较多[6-7]，而关于透钙磷石的较少，这可能是由于透钙磷石降解速度较快，致使成骨作用较羟基磷灰石弱，因此限制了其应用．锶(strontium，Sr)作为治疗骨质疏松的常见药物，与Ga元素在骨骼系统中的代谢性为基本一致，具有抑制骨吸收和促进成骨的双重作用[8]．体外及动物实验已证明锶及透钙磷石在骨组织工程学中的积极作用[9-10]，梁永强[11]采用电化学沉积法对掺锶透钙磷石涂层进行了初步研究，本实验通过将以往研究方法进行改进创新，旨在利用2步电化学沉积法，制备出不同掺锶浓度的透钙磷石涂层，为涂层钛(合金)在口腔及骨组织工程学中的应用提供更多参考与途径．

1　材料与方法

1.1材料与仪器

实验材料与试剂：医用钛合金Ti-6Al-4V(宝鸡高新兴隆钛业有限公司)；氯化锶SrCl2·6H2O、氯化钙CaCl2、二水磷酸氢氨NH4H2PO4(分析纯，天津市化学试剂批发公司)；氢氧化钠NaOH(分析纯，天津欧博凯化工有限公司)；盐酸HCl、硫酸H2SO4(华北理工大学实验中心提供)．

仪器：数字直流电位差计(杭州大华仪器制造有限公司)；HH-2型恒温水浴锅(石家庄金陵公司)；GZX-9140MBE电热恒温干燥箱(上海博迅实业有限公司医疗设备厂)；SpectraMax190型光吸收酶标仪(美国Molecular Devices Corporation公司)；S-4800型场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)；D/MAX2500PC型X线衍射仪(日本理学株式会社)；ZSX Primus Ⅱ型X线荧光光谱仪(日本理学公司)．

1.2方法

1.2.1试件处理及溶液配制

试件预处理：将医用钛合金(Ti-6Al-4V)制成10 mm×10 mm×2 mm规格钛合金板36枚，采用酸碱2步预处理，首先用320号、600号、1 000号砂纸对样品进行打磨，丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗20 min后干燥箱中干燥，然后将其置于混合酸溶液(5.80 mol/LHCl+8.96 mol/LH2SO4)，60 ℃环境中浸泡1 h，再浸入10 mol/L NaOH溶液60 ℃下处理24 h，淋洗后去离子水中待用．

溶液配制：采用二次蒸馏水作为溶剂，CaCl2、NH4H2PO4以及SrCl2·6H2O作为溶质，分别配制电化学沉积溶液Ⅰ、Ⅱ，pH值4.5．溶液Ⅰ溶质：0.067 mol/L SrCl2·6H2O，0.050 mol/L NH4H2PO4；溶液Ⅱ溶质：0.067 mol/L CaCl2，0.050 mol/L NH4H2PO4．

1.2.2涂层制备

将处理好的钛合金板分为3组，每组12个样本，反应温度60 ℃，钛合金板作为阴极，石墨板作为阳极，数字电位直流电位差计作为电沉积电源(恒电压2.5 V)．反应时钛合金板与石墨板垂直距离1.5 cm，通过调节电解液浓度和反应时间，采用2步电化学沉积工艺进行掺锶量(物质的量分数)为10%、15%、20%的梯度掺锶透钙磷石涂层制备．第1步采用Ⅰ液在试件表面沉积生成SrHPO4结晶，第2步更换溶液Ⅱ沉积生成Brushite晶体，总反应时间恒定2 h．沉积时间分配：10%组在100 mL溶液Ⅰ中反应1/6 h，然后马上置入Ⅱ液反应11/6 h；15%组在100 mL溶液Ⅰ中反应1/4 h，然后马上置入Ⅱ液反应7/4 h；20%组在100 mL溶液Ⅰ中反应1/3 h，然后马上置入Ⅱ液反应5/3 h，制备完成的试件去离子水淋洗后，50 ℃烘箱烘干，常温放置．

1.2.3试件分析

采用X线衍射仪(XRD)分析沉积后涂层成分，X线荧光光谱仪(XRF)分析确定涂层掺锶量，肉眼及扫描电子显微镜(SEM)观察分析涂层微观形貌．

1.2.4溶血实验

参照国家及医药行业标准[12-13]，经一定改进后进行溶血实验．首先家兔耳缘静脉取血管(肝素抗凝)取血4 mL，制备成新鲜抗凝兔血，再加入质量分数为0.9%生理盐水5 mL稀释后，(4±2) ℃环境保存待用．检测用浸提液分5组配置：10%组取9个试件消毒后平均放入3个试管，每个试管加入5 mL生理盐水，15%组、20%组分别取各自组试件以同样做法制得3个平行组；试管中加入5 mL生理盐水作为阴性对照组，加入5 mL蒸馏水作为阳性对照组，各设3个平行组．实验时将各组试管全部放入37 ℃恒温水浴箱保温30 min，然后各放入稀释兔血0.1 mL，轻轻摇匀后再置于37 ℃恒温水浴箱保温60 min后取出，800 r/min离心5 min，取上清液，用酶标仪在545 nm波长下测吸光度(OD值)．溶血率(Z)按如下公式计算：

2　结果与讨论

2.1XRD分析

图1为不同时间配比下所得涂层的XRD图谱．XRD分析表明，经过2步电化学沉积工艺制备的10%组、15%组、20%组的表面涂层成分均为Brushite和SrHPO4晶体混合物.其中Ⅱ液所沉积的Brushite晶体(020)晶面衍射峰增长优势显著，且强度随反应时间延长而增大；Ⅰ液所沉积SrHPO4晶体的(120)、(102)晶面衍射峰具有生长优势，但强度较弱，表明一定时间内，Brushite和SrHPO4沉积量与反应时间呈正相关.SrHPO4(120)晶面衍射峰随反应时间的延长虽有一定增强趋势，但较Brushite晶体(020)晶面衍射峰强度变化不明显，考虑可能是由于在2步电化学沉积掺锶透钙磷石涂层工艺中，第1步反应所制备的SrHPO4涂层沉积时间与总时间2 h之比分别为1/12、1/8、1/6，因此时间相对较短，导致SrHPO4沉积量在总沉积量中比重较小，变化弱．

图1　不同时间配比下沉积涂层的XRD谱Fig.1　Different time ratios on specimen deposited coating’s XRD pattern

2.2XRF分析

为节省检测时间与成本，本实验仅对所需元素Sr、Ga进行了分析(管压50 kV，管流50 mA,不使用滤光片)，根据试件所测平均每cm2所含SrO、GaO质量(mg/cm2)，换算试件涂层锶的物质的量分数．结果如表1所示，10%组、15%组、20%组所得锶的物质的量分数分别为10.05%、15.34%、20.97%，均近似于预期浓度．可以判断在一定时间范围内，随着Ⅰ液反应时间增加和Ⅱ液反应时间的减少，掺锶透钙磷石涂层的掺锶量成一定程度增长．

相关实验证明[7，14]，一定量的锶可以促进新骨形成，但过量锶会产生毒性，因此本实验涂层选择10%、15%、20%锶的物质的量分数进行制备．费克第二定律(Fick’s second law)指出反应时间与涂层的生成量成正比，但反应时间过长会使阴极电阻增大，抑制电化学反应，影响阴极金属涂层表面晶体致密性，因此实验将总沉积时间控制在2 h，力求在保证涂层沉积量的同时又保证涂层晶体的致密性，并通过控制电沉积Ⅰ液与Ⅱ液反应时间调节掺锶透钙磷石涂层掺锶量．

常用的X线样品检测方法，按照激发、色散以及探测方法的不同可分为能量色散分析(X线能谱分析)和波长色散分析(X线荧光光谱析).X线荧光光谱分析技术常用于液体、固体薄膜以及粉末样品的定性及定量分析，是材料成分分析的通用技术之一．与常见的X线能谱仪(energy dispersive spectrometer，EDS)对金属基涂层进行成分定量分析相比，XRF检测具有不破坏样品属性，一次检测范围大、数量多，操作简便等诸多优点[15]，更适用于涂层检测．

表1　涂层XRF分析结果

2.3肉眼观察及SEM观察

普通光源下观察涂层后试件，10%组、15%组，20%组涂层均匀白色致密，在光源下移动可见满天星样晶体反射光，无明显区别．SEM观察高倍镜(1 000×倍)下观察，如图2所示，涂层由大、小不同尺寸晶体组成，10%组小晶体形态细长而薄，针刺丛状；15%组小晶体尺寸相比10%组有所增大，呈短柱状或宽片状聚集成团；20%组小晶体与15%组相似，个别晶体呈蜂窝状；3组大晶体形态变化不大，基本成长短不一的柱状和平滑板状，呈放射形无序但致密地生长在小晶体之间.经扫描电子显微镜能谱分析，推测形态较小晶体基本为第1步电化学沉积所产生的SrHPO4晶体，其形态差异可能由沉积时间长短所影响，Ⅰ液沉积时间短者晶体体积小，随着沉积时间变长晶体体积有一定限度的增加，且沉积量增大，从而增加涂层掺锶量．

图2　10%组、15%组、20%组SEM形貌(1 000×)Fig.2　Micro morphology of 10%、15%、20% group sedimentary layer(1 000×)

采用电化学沉积法制备金属基地涂层具有诸多优点，如：反应温度低，不破坏金属基底性状；沉积涂层均匀致密不易发生皲裂，且可以保证涂层多隙粗糙的微观结构，更有利于钛合金与骨组织的结合等.因此本实验采用电化学沉积技术，并将反应分为2步进行，力求更好地控制涂层掺锶量，制备梯度掺锶透钙磷石涂层．

2.4溶血实验结果分析

各组试件OD值以及溶血率(Z)检测结果见表2，10%组、15%组、20%组试件溶血实验后所测溶血率均小于5%，表明在此实验条件及要求下各组试件无生物毒性，血液相容性好，符合医用材料对于溶血性能的限制要求(<5%)．

表2　不同掺锶浓度涂层试件的溶血评价

3　结论

采用2步电化学沉积技术，以医用钛合金(Ti-6Al-4V)为基板，通过调节SrHPO4与Brushite的沉积时间，在一定条件下可以成功制备掺锶量为10%、15%、20%的梯度掺锶透钙磷石涂层.涂层均匀致密，溶血实验检测溶血率均小于5%，符合国家及医药行业标准对医用材料溶血性能限制的要求，初步评价体外生物相容性良好，为其在口腔和骨组织工程中的临床应用与进一步实验研究提供有价值的理论参考．

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(责任编辑：孟素兰)

Gradient strontium-brushite coatings of medical titanium alloy surface

LI Xinchang,YAN Yuting,FANG Qian,LIANG Yongqiang

(College of Stomatology,North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,China)

The concentration gradient of strontium-doped brushite coatings was prepared by two steps electrochemical depositions on the surface of medical titanium alloy(Ti-6Al-4V),which provided valuable theoretical reference for the clinical application and further experimental research of titanium (alloy)coating.The chemical compositions of coatings was analyzed by X-ray diffractometer(XRD),and the concentration of doped strontium was examed by X-ray fluorescence spectrometer(XRF).Field emission scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the morphology of strontium-doped brushite coatings.The biocompatibility of strontium-doped brushite coatings was judged preliminarily by hemolysis rate that was tested by hemolysis test in vitro.The concentration of strontium was calculated according to the ratio ofn(Sr)/n(Sr+Ga).Our results showed the concentrations of strontium-doped for strontium-doped brushite coatings were the percent of 10,15 and 20.The SEM images showed that the morphology of coatings was regular and compact.The rate of hemolysis was less than 5%,which was in accordance with the requirements of medical materials (<5%).

medical titanium alloy；electrochemical deposition；strontium；brushite；coating

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.02.004

2015-11-10

河北省教育厅重点项目(ZD2015016)

李忻畅(1989—)，女，河北保定人，华北理工大学在读硕士研究生.E-mail：lxcsyp@sina.com

梁永强(1971—)，男，陕西铜川人，华北理工大学副教授，博士，主要从事口腔种植、正畸学方向研究.

E-mail:lych810@foxmail.com

R318.08

A

1000-1565(2016)02-0129-05