复合工艺制备表面分级多孔的钛合金及生物相容性研究*

吴丽煌，金明江，刘剑楠，韩 婧，金学军，2

(1. 上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200240； 2.上海交通大学 医疗机器人研究中心，上海 200240；3. 上海交通大学 医学院 上海第九人民医院，上海 200011)

0 引 言

纯钛及钛合金是生物植入假体的首选材料之一。全异质纯钛假体虽然具有良好的生物相容性，但由于纯钛的弹性模量远高于自然骨的弹性模量，纯钛假体植入在临床上的失败率仍然高达60%～70%，这也制约着全异质种植体种植技术的发展与应用[1]。近年来，高强低模的β钛合金成为纯钛的主要替代材料，受到越来越多的关注[2-3]。有研究表明，全异质种植体只有与自体骨整合才能与口腔软组织有机结合，在种植体表面引入微纳分级的多孔粗糙结构，将为种植体的表面带来更大的比表面积，同时增加种植体表面的粗糙层厚度并改善表面润湿性，这会有利于靶蛋白的接触、成骨细胞的粘附，从而有利于新生骨组织长入种植体，促进种植体与新生骨组织牢固地结合，最终实现稳定、快速的骨整合[4-5]。

表面改性技术能使钛合金材料在具备优良力学性能的同时，具有更好的生物活性和生物相容性[6-7]。钛合金种植体表面的开放、连通的微纳分级结构模拟了骨小梁的层次复杂性，微米结构和纳米孔的结合会对细胞增殖和分化产生复合效应，进而在植入愈合过程中促进成骨组织的生长[8-10]。钛合金种植体的亲水性对于其生物相容性能有着关键的作用，更高的亲水性具有更利于蛋白质和细胞粘附的特性，进而也能提高细胞在材料表面增殖分化的能力[11]。种植体表面润湿性提升后，将更利于其周围体液的扩散，促进周围碱性环境的形成，进而促进细胞的黏附、增殖与分化[12]。

最常见的引入多孔结构的表面改性方法包括阳极氧化、去合金化、碱热处理、3D打印[13-15]，而去合金化、3D打印的成本相对较高。经喷丸、双酸酸蚀、碱热反应复合工艺处理得到的微纳分级多孔结构，比用阳极氧化处理得到的的纳米管阵列形貌的润湿性更好[16]。本文的研究采用了在喷丸后，用HCl和H2SO4混合溶液进行双酸酸蚀，并用NaOH溶液进行碱热处理的工艺方法，这种复合工艺的成本较低，并且可以稳定地在种植体表面形成具有超亲水性的微纳分级多孔结构。通过表面改性的方法，可以在钛合金材料表面引入微纳分级多孔结构，从而改善种植体材料表面的润湿性、CaP沉积能力等生物相容性能。

1 实验部分

1.1 钛合金样品的制备

将纯度≥99.95%的钛片、纯度≥99.95%的铌颗粒、纯度≥99.95%的锆块以及纯度≥99.95%的锡颗粒，按表 1质量分数进行配比后熔炼得到合金锭。本文采用的冷坩埚悬浮熔炼技术是将多种金属逐一添加至熔炉中，确保每次熔炼都能将固体金属和液体合金熔匀；另外，在熔炼过程中，金属全部融化后，将合金溶液在高功率下停留2 min，以确保合金成分扩散得足够均匀；最后，在合金锭出炉后，将合金锭翻转重熔2遍，以确保最终得到的合金锭成分分布均匀。合金熔炼完成后，将合金锭在1 173 K下反复轧制至厚度为2 mm的薄板，然后在真空石英管中1 173 K下固溶处理30 min，然后将合金薄板常温储存备用。

表1 本研究采用的合金配比参数

1.2 钛合金样品的表面处理

本研究采用的复合工艺包括：喷丸、双酸酸蚀、碱热处理。所有待喷丸的样品都采用统一的实验参数：喷丸压力为0.5 MPa，喷丸角度为45°，喷丸距离为10 mm，喷砂选用直径为400 μm的SiO2颗粒，喷丸时间为30 s；双酸酸蚀采用的混合溶液包含浓度为6.10 mol/L HCl和浓度为8.86 mol/L H2SO4，反应温度为80 ℃，反应时间为30 min，酸蚀过程中保持喷丸表面朝上；酸蚀处理后分别将样品放入80 ℃的4 mol/L的NaOH溶液中碱热处理4 h，碱热处理过程中保持喷丸表面朝上。将进行了喷丸和酸蚀处理的钛合金样品标记为SLA Ti38Nb、SLA Ti40Nb、SLA Ti32Nb4Sn、SLA Ti2448；将进行了碱热处理的钛合金样品标记为SLA+AT Ti38Nb、SLA+AT Ti40Nb、SLA+AT Ti32Nb4Sn、SLA+AT Ti2448。喷丸设备型号为Tb-6050的工业喷砂机，酸蚀和碱热处理均在恒温水浴锅中进行。

1.3 钛合金表面的Ca/P沉积实验

本研究采用羟基磷灰石沉积实验来检测样品表面的生物相容性能。Ca/P沉积实验采用的培养液是在37 ℃、pH 7.4～7.5、低温2～8 ℃保存的改性模拟体液，改性模拟体液(m-SBF)、传统模拟体液及血浆的各类成分含量对比如表 2所示。羟基磷灰石沉积实验过程中，将经过无菌处理的每组2个Smooth Ti38Nb、Smooth Ti40Nb、Smooth Ti32Nb4Sn、Smooth Ti2448、SLA+AT Ti38Nb、SLA+AT Ti40Nb、SLA+AT Ti32Nb4Sn、SLA+AT Ti2448样品置于16孔板培养皿中，并在放置样品的每个孔内滴入约2 mL的m-SBF培养液，然后将16孔板培养皿密封。将装有纯钛样品的16孔板培养皿放置在恒温箱中保持37 ℃浸泡7天，培养期间每2天将培养液更新一次。培养7天后将样品取出，用去离子水和乙醇依次漂洗样品，并在37℃真空环境中干燥2天，取样密封保存。将进行了羟基磷灰石沉积实验的钛合金样品分别标记为：SBF Smooth Ti38Nb、SBF Smooth Ti40Nb、SBF Smooth Ti32Nb4Sn、SBF Smooth Ti2448、SBF SLA+AT Ti38Nb、SBF SLA+AT Ti40Nb、SBF SLA+AT Ti32Nb4Sn、SBF SLA+AT Ti2448。改良模拟体液由Phygene公司提供，恒温箱型号为DZF-6020真空烘箱。

表2 改性模拟体液、传统模拟体液及血浆的成分对比

1.4 钛合金表面的性能表征

用JEOL JSM-7800F Prime超级分辨率场发射扫描电子显微镜(SEM)观察Smooth、SLA和SLA+AT钛合金样品的表面微观结构，并用Mitutoyo SJ-201粗糙度测试仪测定样品表面的粗糙度。SLA和SLA+AT钛合金样品表面的化学成分是用D8 ADVANCE Da Vinci多功能X射线衍射仪(XRD)检测的。Smooth、SLA和SLA+AT钛合金样品表面的润湿性是用DSA 100接触角分析仪测定的。SBF钛合金样品表面的微观结构、元素表观浓度和表面成分是用Mira3分析型高分表扫描电镜(SEM)、MIRA3 X射线能谱仪(EDS)和AXIS UltraDLD X射线光电子能谱(XPS)检测的。

2 结果与讨论

2.1 钛合金的表面形貌

如图1所示，通过喷丸、双酸酸蚀和碱热处理复合工艺处理后，所有钛合金样品表面都形成了与人皮质骨结构相似的微纳分级多孔网状结构，这种结构能够在骨整合过程中为成骨细胞提供更大的表面积，有利于存储营养物质和液体，进而有利于成骨细胞的粘附、增殖和分化[17-18]。对钛合金样品表面的微米结构和纳米孔尺寸进行测量后发现，微米结构和纳米孔都呈现了双峰结构，即微米结构和纳米孔的尺寸都集中分布在某一个范围附近。钛合金表面微结构的尺寸是用Nano Measurement软件测量的，为了保证尺寸分布结果的准确性，我们在每个图像上都采集了100余个数据，并根据微结构的尺寸分布作了如图 2所示的柱状图。如图 2所示，Ti2448表面微米结构的平均尺寸最大，约为2.21 μm；Ti40Nb表面纳米孔的平均尺寸最大，约为88.2 nm。

图1 经复合工艺处理后的SLA+AT钛合金表面形貌Fig 1 Surface morphology of SLA+AT Ti-alloy after multi-processes treatment

结合SEM图像(图1)和微纳米结构尺寸测量结果(图2)，SLA Ti32Nb4Sn和SLA Ti2448表面在经过喷丸和双酸酸蚀处理后，形成了更加均匀的、尺寸更大的双级微米结构；而SLA Ti38Nb和SLA Ti40Nb表面则形成了包含大量微米结构和亚微米结构的无规则形貌。SLA Ti32Nb4Sn和SLA Ti2448样品中，都含有熔点较低的Sn元素，这说明在合金中添加Sn元素有助于在合金样品表面形成更加均匀、尺寸更大的微米结构。同理，含有Zr元素的SLA Ti2448的表面形貌相比于不含Zr元素的SLA Ti32Nb4Sn，微米结构分布更加均匀，这说明在合金中添加Zr元素有助于在合金样品表面形成更加均匀、尺寸更大的微米结构。

图2 SLA+AT钛合金表面的微米结构和纳米孔尺寸分布图Fig 2 Size distribution of microstructures and nanopores on SLA+AT Ti alloys surface

2.2 钛合金的表面粗糙度

根据粗糙度测试结果(图3和表3)，本实验设计的4种钛合金在经复合工艺处理后，表面粗糙度有了明显的增加。如图 3和表3所示，光滑的Smooth Ti38Nb样品表面的粗糙结构相对平坦，经过喷丸、双酸酸蚀和碱热反应复合工艺处理后的SLA+AT Ti38Nb样品表面的粗糙结构相对明显，粗糙度Ra也有了明显的提升，达到了约2.40 μm。Ti40Nb、Ti32Nb4Sn和Ti2448样品在经过复合工艺处理后，表面粗糙度也有了明显的增加：SLA+AT Ti40Nb样品表面的粗糙度Ra达到了约2.14 μm；SLA+AT Ti32Nb4Sn样品表面的粗糙度Ra达到了约2.17 μm；SLA+AT Ti2448样品表面的粗糙度Ra达到了约2.41 μm。

图3 Smooth、SLA+AT钛合金表面的粗糙度轮廓图像Fig 3 Roughness profile on the Smooth and SLA+AT Ti alloys surface

另外，根据表3数据，经过复合工艺处理后，钛合金样品表面的粗糙层厚度也有了明显的增加：在SLA+AT 钛合金样品中，SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448样品表面的粗糙层厚度达到最大，约为平均3.30 μm；而SLA+AT Ti40Nb和SLA+AT Ti32Nb4Sn钛合金样品的表面粗糙层平均厚度则较小，分别为2.63和2.76 μm。这些结果也证实了复合工艺对于表面形貌的改善是有益的。由于随着种植体表面粗糙层厚度的增加，骨细胞与种植体之间的接触也会增加，我们认为SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448表面是生物相容性更好的[19-20]。

表3 Control和SLA+AT钛合金样品表面的平均粗糙度和微米结构平均尺寸

2.3 钛合金的表面成分

对元素组成最复杂的SLA Ti2448和SLA+AT Ti2448样品表面进行成分分析，结果如图4所示，对XRD图谱中谱峰进行JCPDS/ICDD对比分析后，确定了SLA Ti2448和SLA+AT Ti2448表面混合氧化层的化学状态：SLA Ti2448和SLA+AT Ti2448表面的钛氧化物是金红石相的TiO2，除了金红石型的TiO2以外，Ti2448样品表面还有其他氧化物：SLA Ti2448表面上的主要成分还有Ti2ZrO，ZrTiO4，Nb2O5，Ti2O3和SnO2；SLA+AT Ti2448表面上的主要成分还有Ti2ZrO，ZrTiO4，Nb2O5，Ti2O3和ZrO2。经过碱热处理后，SLA+AT Ti2448表面出现了ZrO2，而成分Ti2ZrO和ZrTiO4依然存在；SLA Ti2448表面存在的SnO2在碱热处理后消失了，其他氧化物的化学状态则保持不变。

图 4结果表明，在碱热反应过程中，Ti2448表面发生了如下的变化：在加热的碱溶液中，SnO2被溶解了；含Zr的氧化物从Ti2ZrO或ZrTiO4部分转变为了ZrO2；Nb2O5在热碱溶液中没有发生变化；碱热处理不会导致TiO2的晶体结构发生相变。有研究表明，种植体表面Nb2O5和金红石型TiO2的存在有利于细胞的粘附和ECM的形成，进而提高材料表面的生物活性，这说明本研究所得的SLA+AT Ti38Nb、SLA+AT Ti40Nb和SLA+AT Ti32Nb4Sn样品表面的生物活性也是良好的[21-23]。然而，目前对于含Zr氧化物的生物学作用尚不清楚，SLA+AT Ti2448样品表面的生物相容性需要进一步研究。

图4 SLA Ti2448和SLA+AT Ti2448表面的XRD图谱Fig 4 XRD patterns of the SLA and SLA+AT Ti2448 surface

2.4 钛合金表面的润湿性

如图5所示，经过复合工艺处理后，SLA+AT钛合金表面均变得超亲水，这表明复合工艺处理能使钛合金样品表面的亲水性由疏水变为超亲水。如表4所示，所有Smooth样品表面均呈现了疏水性，其中Ti38Nb的亲水性最差，这可能与合金成分有关。在经过喷丸和双酸酸蚀处理后，SLA钛合金样品表面都表现出了更好的亲水性，其中Ti2448样品表面的亲水性发生了最大的变化，这说明喷丸、双酸酸蚀工艺能最大程度地增加Ti2448表面的亲水性。在经过碱热处理后，SLA+AT钛合金样品表面都表现出了超亲水性，结合前文的SEM结果(图1)，碱热处理工艺能为材料表面带来大量紧密的、细致的纳米孔，也给材料表面带了复杂的化学成分，这种结构可能是导致SLA+AT钛合金表main呈现超亲水性的重要原因。

图5 钛合金样品表面的润湿性演变图Fig 5 Surface wettability evolution of Ti alloy samples

表4 经过复合工艺工艺处理后钛及钛合金表面的静态水接触角对比

良好的亲水性对于细胞粘附、增殖和分化至关重要，经复合工艺处理后的纯钛材料具有很好的亲水性，亲水性良好的纯钛表面可以有效改善表面的生物相容性。SLA+AT钛合金样品表现出的超高润湿性，比用阳极氧化方式处理形成的纳米管阵列形貌的润湿性更好，这些结果说明我们研究所得的钛合金样品的生物相容性可能非常优异[16]。同时，这些结果也能说明，喷砂、双酸蚀和碱热处理的复合工艺是一种更合适的表面改性方法，对于钛合金表面的生物相容性能提升也是更为显著的。

2.5 钛合金表面的Ca/P沉积能力

如图6，我们在SLA+AT钛合金表面发现了大量羟基磷灰石连续覆盖的形貌，而Smooth钛合金表面只发现了极少的羟基磷灰石晶体沉积。根据表5，Smooth钛合金样品在经过7天的羟基磷灰石沉积试验后，表面几乎没有Ca、P元素的沉积；而SLA+AT钛合金样品表面的Ca、P元素的质量百分含量则有了明显的提升，这说明喷丸、双酸酸蚀和碱热处理复合工艺对于钛合金材料表面生物相容性能的提升是显著的。

图6 在m-SBF中沉积7天后的SLA+AT钛合金样品表面形貌Fig 6 SEM diagram of the SLA+AT Ti alloys surface after 7 days’ deposition in m-SBF

对比表5数据，经SBF培养处理后，SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448表面的Ca、P含量提升最为明显，这说明SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448表面的生物相容性能最好。结合前文的SEM(图1，图2)和粗糙度检测结果(图3，表2)，SLA+AT Ti38Nb样品和SLA+AT Ti2448样品表面具有更大的微米结构、更大的纳米孔以及更厚的粗糙层，我们认为粗糙层厚度更大、微纳米结构更大的SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448样品的表面生物相容性更好，因为这样的表面能够吸附、存贮更多的营养物质。

表5 m-SBF沉降7天后钛合金样品表面的Ca/P元素含量组成

除了测量SLA+AT样品表面Ca、P元素的表观浓度，我们还用X射线光电子能谱(XPS)来检测样品表面的化学成分，结果如图7所示。SBF样品表面不仅存在着基础金属氧化物，还出现了成骨细胞的重要组成成分：羟基磷灰石(化学式Ca10(PO4)6(OH)2)。表明SLA+AT钛合金样品在经过SBF沉积7天后，表面沉积了较多的Ca10(PO4)6(OH)2。

图7 钛合金样品表面沉积的羟基磷灰石XPS图谱Fig 7 XPS spectra recorded for hydroxylapatite deposition on Ti alloy surfaces

3 结 论

(1)经过复合工艺表面改性后，SLA+AT钛合金表面微纳分级多孔结构呈现出了双峰形态；Ti40Nb和Ti2448样品表面分别表现出了平均尺寸最大的纳米孔径(88.2 nm)和微米结构(2.21 μm)；而SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448样品表面的粗糙层平均厚度最大(3.30 μm)。

(2)复合工艺在Ti38Nb、Ti40Nb和Ti32Nb4Sn样品表面形成了金红石型TiO2和Nb2O5；而在Ti2448样品表面则形成了较为复杂的成分，包含：金红石型TiO2，Ti2ZrO，ZrTiO4，Nb2O5，Ti2O3和ZrO2。

(3)复合工艺处理后所有钛合金表面的润湿角均<5°，呈现出超亲水特性。此外，SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448样品表面的羟基磷灰石沉积能力最强、生物相容性能最好，这是因为SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448表面的微纳分级结构更有利于吸附、存贮营养物质。