口腔种植体阳极氧化涂层富水环境下形貌稳定性变化研究

李秋桐， 刘传宏， 曹 灿

1.沈阳市口腔医院 修复一科，辽宁 沈阳 110002；2.辽宁省军区沈阳第一离职干休所门诊部，辽宁 沈阳 110058；3.北部战区总医院 口腔科，辽宁 沈阳 110016

口腔种植是临床上治疗牙列缺失和缺损的常用修复技术。为提高种植体与周围骨组织的生物相容性，提高骨结合的成功率，种植体表面广泛采用各类技术进行涂层改性。作为种植体表面常规涂层改性技术，阳极氧化依赖电化学反应在光滑的种植体表面形成新的纳米管阵列样形貌，该形貌在种植体周围成骨过程中发挥重要作用[1-2]。与光滑纯钛相比，纳米阵列样形貌被证明具有更好的生物活性，并能够更好地促进骨髓干细胞向成骨方向的分化[3-4]。阳极氧化电解液配方包括以氢氟酸水溶液为代表的的无机氟化合物电解液配方和以氟化铵、乙二醇电解液为代表的有机氟化合物电解液配方这两大类[3-4]。其中，氢氟酸水溶液电解配方纳米阵列已在生物材料领域开展了大量的研究[5-8]。种植体所应用的生物环境都是富水环境。目前，关于富水环境下二氧化钛(TiO2)纳米阵列稳定性的相关研究报道较少。本研究旨在探讨种植体表面无机配方下阳极氧化涂层在富水环境下的稳定性。现报道如下。

1 材料与方法

1.1 主要材料 正方形纯钛试样(10 mm×10 mm×1 mm，四川大学材料学院)；SiC砂纸400、800、1 200、2 000目(鹰牌，韩国)；去离子水(北部战区总医院药剂科)；氢氟酸(天津天力化学试剂有限公司)。

1.2 仪器及设备 稳流稳压直流电源(TPR6405D，LongWei，香港)；磁力搅拌器(江苏金坛仪器设备厂)；超声波清洗机(UC-50，Whaledent，德国)；体式显微镜(Leica，德国)；场发射扫描电子显微镜(S-4800，Hitachi，日本)。

1.3 研究方法 正方形钛片用碳化硅砂纸400～2 000目顺次打磨，表面形成光滑镜面后，经过丙酮、乙醇和去离子水顺次清洗5 min，室温条件下干燥备用。纳米管的制备需配制为0.5 wt%氢氟酸水溶液作为阳极氧化电解液，以纯钛为阳极，以铂为阴极在20 V的直流电作用下进行30 min得到TiO2纳米阵列；经过丙酮、乙醇、去离子水顺次清洗10 min，室温(24 ℃)下自然干燥，无机氟化合物电解液配方阳极氧化制备TiO2纳米阵列(inorganic fluoride compoundelectrolyte anodized TiO2nanotubes arrays，IF-NA)。IF-NA置于含去离子水溶液5 ml的24孔板中1 d、3 d、7 d。使用体式显微镜观察试样在去离子水中浸泡后表面的颜色变化，使用场发射扫面电子显微镜观察试样表面形态特征。

2 结果

2.1 体式显微镜钛片表面特征 体式显微镜下观察可见制备好的TiO2纳米阵列是典型的褐色外观，经过在去离子水浸泡1 d后可见试件表面的褐色已经向白灰色发生了转变，试件外观与阳极氧化后相比发生明显改变。伴随浸泡时间的延长，试件表面的亮度继续提高。在浸泡7 d后，试件表面亮度明显提高，颜色彻底转变为白灰色。见图1。

图1 体式显微镜下浸泡不同时间钛片颜色变化

2.2 扫描电镜下试件表面形貌特征 以氢氟酸水溶液为代表的电解液在20 V进行阳极氧化得到纳米阵列管径为80～100 nm，管口形态为不规则的圆形或圆锥形，纳米管组成的簇与簇之间有较窄的裂隙(20～30 nm)，纳米管均匀有序地分布在纯钛表面。经过在去离子水中浸泡处理时间1 d时，两种纳米管阵列的形貌开始出现轻微形貌的变化，纳米管内未出现少量米颗粒样的结构。随着浸泡时间的延长，在浸泡到3 d时，IF-NA纳米颗粒数量逐渐增多。在浸泡7 d后，纳米管表面被大量的晶体结构所覆盖，纳米管阵列样形貌不再清晰。纳米晶体结构覆盖下纳米管样结构仍具有完整的管壁特征，提示新生成的晶体颗粒覆盖在原有纳米管表面。见图2。去离子水环境下多重纳米阵列种植体涂层稳定性变化制备示意图见图3。

图2 IF-NA为经过去离子水浸泡0 d、1 d、3 d、7 d后形貌变化后纳米阵列的管口形貌图

图3 去离子水环境下多重纳米阵列种植体涂层稳定性变化制备示意图(A为电化学反应下离子分布；B为管内pH值的分布；C为不同区域溶解性的不同；D为去离子水后管壁形貌变化)

3 讨论

阳极氧化是一种种植体涂层改性技术，可提高种植体与周围骨组织的生物相容性，被广泛应用于修复牙列缺失和缺损。阳极氧化形成纳米阵列样的独特形貌被证明具有良好的生物活性[9]，但是关于上述结构在富水环境下稳定性的相关研究报道较少。本研究初步探讨了IF-NA在水环境下的宏观和微观形貌的改变。

体式显微镜观察发现，刚制备好的阳极氧化钛片颜色为灰褐色，这与Palma等[10]研究结果相符。随着在富水环境中浸泡时间的延长，钛片表面颜色转变为白灰色，这提示新生成结构改变了材料表面的折射和反射特性。为了深入研究TiO2纳米阵列在水溶液发生的微观形貌变化，本研究应用场发射扫描电子显微镜观察发现，常规阳极氧化处理得到纳米管阵列样结构，在富水环境下浸泡1 d后，表面开始出现100 nm大小的针形颗粒样结构；随着浸泡时间的延长，更多的颗粒覆盖于纳米管上，形成了“花环”样结构；浸泡7 d时最终封闭下方的纳米管口。

阳极氧化反应基础变化是在金属表面生成一层致密的氧化层薄膜。在直流电压下，阳极的纯钛会在表面生成一层极为致密均匀的氧化层(TiO2)，随着阳极氧化时间的延长，氧化层的厚度会逐渐增厚，在氧化膜生成的同时，氧化膜在酸性含氟电解液中发生化学溶解，形成大量随机的孔洞；而当初始孔洞形成后将重复完成上述电化学反应，由于孔洞底部的pH值较低、电流密度较大，所以其溶解速度大；而表面的pH值较高、电流密度较低，所以溶解速度小。这使得纳米孔洞进一步向内部生长为规则的纳米管状结构[1，3]。上述变化过程氟离子吸引在纳米管深处，与钛元素结合能力强[11-12]。笔者推测，残留氟化物可能潜在腐蚀TiO2纳米管，溶解形成的含钛化合物再次结晶附着在纳米管表面形成了大量的纳米颗粒，但相关猜想亟需进一步研究证实。种植体的应用环境是富水的环境，体内环境会被大量的血液和组织液包绕，上述变化改变涂层表面形貌对于成骨效果存在潜在影响。

综上所述，纯钛表面阳极氧化涂层在富水环境中稳定性较差，临床上种植体表面阳极氧化技术的应用应充分考虑到富水环境下稳定性所带来的影响。