Ti-6Al-4V表面金红石型TiO2薄膜制备及生物活性评价

肖 帆，刘升沛，项 军，陈燚云，翟月丽

(1.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310023；2.浙江工业大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310014)

钛合金具有优异的机械性能，较好的生物相容性以及与人体骨接近的弹性模量等特性，因此被广泛用于骨组织的损伤修复和替代[1-3]。但钛合金本质上属于生物惰性材料，在植入时与人体骨之间只是机械嵌连性整合，而非强有力的化学键骨键合，植入后不够稳定[4-5]。为了解决植入体与骨组织之间的稳定性问题，很多研究者尝试在植入体表面制备具有生物活性的二氧化钛或羟基磷灰石涂层。Anna等[6]通过阳极氧化处理，在钛及钛合金基体上制备了锐钛矿二氧化钛薄膜，该薄膜易沉积壳聚糖羟基磷灰石。Seo等[7]通过碱热处理在钛基体上获得了具有良好生物活性和细胞响应的二氧化钛纳米管。Lindberg等[8]利用物理气相沉积法(PVD)在钛片上制得具有(101)高能晶面的金红石TiO2薄膜，该薄膜可以快速诱导羟基磷灰石沉积。近年来，笔者通过水热法在纯钛/钛合金基体表面制备了高能晶面曝露的二氧化钛薄膜[9-12]。该薄膜具有优异的羟基磷灰石沉积能力，但在钛合金基体上的实施条件很苛刻，基体容易被腐蚀导致坍塌。针对这一问题，笔者着重讨论前驱液配方及反应工艺，在钛合金基体表面原位制备了高能晶面曝露的二氧化钛纳米棒阵列薄膜。该方法适用范围广，亦可应用于3D打印三维网格状钛合金基体。

1 实验材料及方法

实验选用商用钛合金片TC4(尺寸为20 mm×10 mm×0.8 mm)和3D打印网格状钛合金(采用SLM工艺，尺寸为φ10 mm×8 mm)为基体，其化学成分见表1。TC4用2000#SiC砂纸打磨，去除表面氧化层，先后用丙酮、酒精和去离子水超声15 min，取出晾干备用。3D打印网孔状钛合金试样经酸蚀标准化处理以后，用酒精、去离子水分别超声30 min，重复清洗3 次后晾干。以三氯化钛、盐酸和双氧水混合溶液为前驱液(表2)，将片状钛合金及3D打印网孔状钛合金分别浸入含18 mL前驱液的25 mL规格的聚四氟乙烯内衬不锈钢高压锅反应釜中，在160 ℃下进行反应。反应结束后，取出样品并用超纯水超声2 min，晾干后备用。

表1 Ti-6Al-4V片和3D打印钛合金的化学成分

表2 前驱液的配方

体外生物活性评估：将水热反应后的样品浸入40 mL模拟体液(SBF)，在36.5 ℃中保持3 d后取出，用超纯水冲洗后自然晾干。

采用场发射扫描电子显微镜(美国FEI Nova NanoSEM 450)与X射线衍射仪(日本理学Ultima IV)分别对样品表面形貌、组成成分和晶体结构进行表征。

2 结果与讨论

2.1 TiO2纳米棒阵列生长过程及生长机理

图1给出了钛合金片在L2前驱液中反应不同时间的FE-SEM表面形貌图。45 min时，基体表面覆盖着一层连续致密的纳米棒薄膜，纳米棒直径约为60 nm，并且定向垂直于基体表面生长；105 min时，纳米棒直径增至90 nm左右，顶端有细小的晶粒出现；180 min时，纳米棒直径约为130 nm，薄膜厚度增加，纳米棒排列紧密，顶端表面无明显缝隙。

图1 在L2溶液中不同反应时间的二氧化钛薄膜形貌图

图2给出了相对应的XRD图，从图2中可以观察到：在2θ=27.3°，35.9°，41.1°，54.1°，57.9°，62.5°，63.2°处均出现衍射峰，与标准金红石型二氧化钛粉末衍射图(Rutile，JCPDS 01-077-0443)相符合,说明水热反应后得到的纳米棒阵列薄膜为金红石型二氧化钛单晶结构。随着反应时间的延长，金红石型TiO2的(101)和(002)晶面对应的衍射峰增强，而其他一些衍射峰如(110),(111),(211)降低，说明生成的TiO2纳米阵列薄膜垂直于基体平面即沿着[001]方向定向生长，与图1相符。另外，根据第一性原理密度泛函理论计算，金红石型二氧化钛不同晶面的表面能大小排序[13]如下：Esurf(110)

图2 在L2溶液中不同反应时间的二氧化钛薄膜XRD图

在前驱液(TiCl3/HCl/H2O2)的制备中，Ti3+遇到强氧化性的H2O2被氧化成Ti4+，当Ti4+与过剩的H2O2络合后，会形成络合物Ti4+[H2O2]，溶液颜色由澄清淡紫色变为澄清酒红[14-16]。

把钛合金样品置于高压反应釜中，在160 ℃与前驱液进行反应。此时，覆盖于钛合金表面不规则取向的自然钝化膜被盐酸腐蚀，钛合金基体曝露，前驱液中的H2O2与钛原子反应，在表面形成大量密排且取向一致的TiO2晶胚。随着前驱液中H2O2的消耗，络合物Ti4+[H2O2]中的Ti4+逐渐被释放，发生水解反应，得到的水合TiO2以非均匀形核的方式优先在基体表面既有的TiO2晶胚上形核。

一般来说，低表面能的晶面会优先生长，而有较高表面能的晶面则难以稳定存在，因此，金红石二氧化钛晶体会以(110)低能晶面稳定存在。而在实验中，由于反应溶液中存在的Cl-离子具有吸附在金红石(110)晶面，使[001]方向优于[110]方向生长的特性[17]，使TiO2纳米晶沿着[001]方向垂直基体表面择优生长成为纳米棒。最终形成的纳米棒之间连接紧密，侧面(110)和(100)晶面被隐藏，仅有顶端晶面(101)和(002)曝露在表面，因此得到了(101),(002)高能晶面择优且(002)高能晶面为主导曝露的金红石二氧化钛纳米棒阵列薄膜，其生长机理示意图如图3所示。

图3 钛合金基体表面二氧化钛纳米棒生长示意图

2.2 盐酸浓度的影响

图4是钛合金片在不同盐酸浓度中反应180 min后的FE-SEM表面形貌图。从图4中可以观察到：经1 mol/L的HCl前驱液处理后，得到顶端为方形的纳米棒阵列薄膜，直径约为90 nm,垂直于基体表面，具有较为明显的独立棒状结构。盐酸浓度增加到2 mol/L，此时纳米棒直径增至130 nm左右,排列更加紧密,表面无明显缝隙孔洞。当盐酸浓度增至2.5～3.0 mol/L时，由于该浓度盐酸对基体的腐蚀性太强，基体坍塌。

图4 不同盐酸浓度下反应180 min得到的二氧化钛薄膜形貌图

图5给出了相对应的XRD图，从图5中可以观察到：在2θ=27.3°，35.9°，41.1°，54.1°，57.9°，62.5°，63.2°处均出现衍射峰，与标准金红石二氧化钛粉末衍射图(Rutile，JCPDS 01-077-0443)相符合，说明经前驱液L1, L2处理后得到的薄膜均为金红石型二氧化钛单晶结构。L1处理后的试样在2θ=35.9°，62.5°处所对应的(101)，(002)晶面衍射峰为其主强峰，与(110)晶面对应衍射峰强度比分别为I(101)/I(110)=8.75，I(002)/I(110)=6.45，远高于标准值0.44与0.07，说明经L1处理得到的薄膜同样具有(101)，(002)高能晶面择优生长，且(101)，(002)高能晶面曝露。随着前驱液中HCl浓度升高(L2样品)，二氧化钛衍射峰增强，(002)晶面对应的衍射峰出现明显增高，说明在较高盐酸浓度下得到的二氧化钛晶体结晶度增加，(002)高能晶面主导曝露。

图5 不同盐酸浓度下反应180 min得到的二氧化钛薄膜XRD图

图6是经L2水热处理的片状钛合金，在36.5 ℃ 模拟体液(SBF)浸泡实验前后对比的FE-SEM表面形貌图。从图6中可以观察到：SBF浸泡3 d后，出现直径约为2 μm“绒毛”球状薄膜，覆盖了整个样品表面。将该试样超声10 min后，该薄膜未见明显脱落。

图6 经L2水热处理的试样浸泡3 d的SBF前、后形貌图

图7是其对应的XRD图。SBF浸泡3 d后，L2试样在2θ=25.8°，31.8°，32.2°，32.9°处出现新的衍射峰，与标准羟基磷灰石粉末衍射图(JCPD 009-0342)相符合，这说明经L2处理得到的二氧化钛薄膜在3 d内成功诱导了羟基磷灰石沉积，具有良好的生物活性。有意思的是，在标准羟基磷灰石的衍射图中，32°左右(211)(112)(300)晶面衍射峰高于26°处的(002)晶面衍射峰，而SBF浸泡3 d后后的样品XRD图中，(002)晶面衍射峰明显高于(211)(112)(300)晶面衍射峰，说明沉积的羟基磷灰石晶体具有(002)晶面择优。

图7 经L2水热处理的试样浸泡3 d的SBF前、后XRD图

2.3 3D打印网格状钛合金表面TiO2制备及其生物活性研究

在片状钛合金基体中，通过L2前驱液的水热处理，在其表面成功制备出{001}高能晶面曝露二氧化钛薄膜，将该制备方法应用到3D打印网格状钛合金基体。结果发现，反应结束后基体坍塌，这可能是由于3D打印三维网孔状钛合金比表面积与片状钛合金存在较大差异，导致前驱液中双氧水含量不足造成的，因此提高前驱液中双氧水含量记为L3。将基体放入L3溶液中反应，结束后溶液由酒红色变为澄清。

图8是3D打印网孔状钛合金经L3溶液水热处理后，在36.5 ℃下浸泡1 d的1.5SBF前后的样品表面图及SEM图。从图8(a)中可以观察到：经L3溶液水热反应后，样品基本呈灰色，表面长满TiO2纳米棒。浸泡SBF后，样品表面完全被球状“绒毛”羟基磷灰石层覆盖，结果与片状钛合金片类似。由此说明：在3D打印网格状钛合金基体表面可以制得的二氧化钛纳米棒阵列薄膜，能够在短时间内诱导羟基磷灰石沉积，相比于现有大多表面处理技术需要1 周以上的浸泡时间，大幅度缩短了其诱导沉积时间，具有良好的生物活性。另外，将表面具有沉积羟基磷灰石的试样超声10 min，未见羟基磷灰石层有明显的脱落，说明羟基磷灰石层与二氧化钛具有良好的结合力。

图8 经L3水热处理的试样浸泡1 d的1.5SBF前、后的形貌图

3 结 论

通过优化后的水热法成功在钛合金基体表面制备了原位生长的二氧化钛纳米棒阵列薄膜，经过FE-SEM和XRD研究发现：制备得到的薄膜，为单相金红石。纳米棒沿着[001]方向垂直基体表面生长，具有明显的(101)和(002)高能晶面择优取向，且(002)高能晶面主导曝露。在二氧化钛晶体生长过程中，盐酸与双氧水的协同作用于基体，形成大量排列有序的TiO2晶胚，构成活性形核点。水热反应中得到的二氧化钛纳米晶在形核点上垂直基体表面生长，最终得到(002)高能晶面主导曝露的金红石型二氧化钛纳米棒阵列薄膜。在反应过程中，延长反应时间，TiO2纳米棒薄膜厚度增加，晶化程度提高，{001}晶面择优生长，适量提高前驱液盐酸浓度，二氧化钛纳米棒排列紧密，{001}晶面衍射峰增强，形成{001}高能晶面曝露的金红石TiO2薄膜。通过SBF浸泡实验证实了该二氧化钛薄膜具有良好的生物活性。另外，该制备方法在3D打印网格状钛合金基体也适用，可以在表面制得具有良好生物活性的TiO2纳米棒薄膜，说明该方案具有一定的普适性和实用性，显示了在骨科植入体表面改性领域的应用前景。