一种新型仿生化形貌二氧化钛涂层种植体制备研究

闫 虹，彭园园，刘传宏，曹 灿

1.北部战区总医院 口腔科，辽宁 沈阳 110016;2.辽宁省军区沈阳第五离职干部休养所 门诊部，辽宁 沈阳 110005；3.辽宁省军区沈阳第一离职干休所 门诊部，辽宁 沈阳 110000

口腔种植技术已成为牙列缺损或缺失的重要修复方法之一，但是种植体植入后松动、脱落仍然困扰种植体的广泛应用。种植体表面结构的生物活性不理想，无法有效形成种植体骨结合是造成上述问题的重要原因之一。仿生化结构具有潜在更好的生物学活性。种植体表面仿生化形貌涂层对于预防种植体松动、脱落，延长其使用寿命具有重要意义。骨组织是由纳米级别的骨胶原(100 nm)和羟基磷灰石晶体(10 nm)为单元组装起来的。从仿生学角度出发，100 nm和10 nm复合的纳米结构具有更好的生物活性。已有阳极氧化技术通过种植体表面电化学处理形成了100 nm尺寸纳米管阵列样形貌，并在成骨过程中发挥重要作用[1-4]，但10 nm结合100 nm的复合纳米结构报道少见。本研究旨在以阳极氧化技术为基础，探索出一种新型种植体表面仿生化形貌二氧化钛(titanium dioxide，TiO2)涂层的制备手段。现报道如下。

1 材料与方法

1.1 主要材料、仪器及设备 正方形纯钛试样(10 mm×10 mm×1 mm，西北有色金属研究院)；碳化硅砂纸400、800、1 200、2 000目(韩国鹰牌)；乙二醇，甲醇，乙醇，丙酮(天津富宇精细化工有限公司)；去离子水(北部战区总医院药剂科)；氟化铵(天津天力化学试剂有限公司)。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)；场发射扫描电子显微镜(S-4800，Hitachi，日本)；三维形貌分析仪(ST400，Nanovea，美国)。

1.2 研究方法 采用含0.5 wt%氟化铵、5.0 vol%甲醇、5.0 vol%水的乙二醇溶液为电解液配方，以纯钛为阳极、铂为阴极，经40 V电压阳极氧化反应1 h，形成100 nm管径的TiO2纳米管阵列涂层。制备好TiO2纳米管阵列涂层，经过丙酮、乙醇、去离子水顺次清洗10 min，室温(24℃±2℃)下自然干燥，得到TiO2阳极氧化阵列种植体TiO2nanotube arrays，记作TNA组。TiO2nanotube arrays置于含去离子水溶液5 ml的24孔板中浸泡72 h后得到新型多重TiO2纳米管阵列涂层Multi-level TiO2nano-arrays，记作ML-TNA组。采用场发射扫描电子显微镜扫描TNA组和ML-TNA组的表面形貌，采用三维形貌分析仪测量表面粗糙度及相关形貌参数。

2 结果

2.1 扫描电子显微镜下纳米管形貌图 经过阳极氧化处理后，TNA组纳米管直径为80～100 nm，管壁厚5～8 nm，管与管之间存在5～20 nm间隙，管长约为3 μm。ML-TNA组形貌表面被大量新生成的颗粒结构充满，聚集的纳米颗粒为针刺样结构，这些纳米刺依托下部纳米管结构覆盖于表面，侧面可观察到大量的纳米刺结构充满了纳米管与管之间的间隙；形貌以100 nm直径纳米管阵列结构为基础，集合10～20 nm大小的纳米刺。见图1。变化过程示意模拟见图2。

图1 TNA组和ML-TNA组扫描电子显微镜图(a，c.TNA组纳米管阵列管口及管壁侧视图；b，d.ML-TNA组新型多重纳米管阵列管口及管壁侧视图)

2.2 TNA组和ML-TNA组形貌表面粗糙度比较 ML-TNA组面粗糙度Sa值高于TNA组(1.160 μm比0.660 μm)，线粗糙度Ra值也高于TNA组(0.345 μm比0.309 μm)。见图3。

图3 TNA组和ML-TNA组形貌表面粗糙度比较

3 讨论

口腔种植修复被广泛应用于解决牙列缺损及缺失等临床问题，但种植体修复仍存在因生物活性差而松动、脱落等弊端，为解决上述问题，临床医师关注于微观形貌特征改良以提高其生物学活性[5-7]。以阳极氧化为基础得到的纳米管阵列形貌对表面干细胞具有积极的生物学影响，这种影响包括促进早期细胞黏附、促进骨髓干细胞向成骨细胞方向分化等[1-4]。

为了深入改造TiO2纳米管阵列，本研究应用去离子水浸泡TiO2纳米管阵列种植体，水环境下，大量的10 nm大小纳米刺样结构覆盖于纳米管表面。已有研究表明，阳极氧化生成无定型态TiO2，改型形貌残留氟化物，氟化物的存在使不稳定的无定型态TiO2发生溶解再结晶，从而生成较为稳定的锐钛态TiO2，新型纳米刺的生成可能与该变化存在关联[8]。本研究结果显示：ML-TNA组形貌表面被大量新生成的颗粒结构充满，聚集的纳米颗粒为针刺样结构，这些纳米刺依托下部纳米管结构覆盖于表面，侧面可观察到大量的纳米刺结构充满了纳米管与管之间的间隙，彻底改变了纳米管原有的形貌特征；ML-TNA组面粗糙度Sa值和线粗糙度Ra值均高于TNA组，即新型形貌改变了原有阳极氧化纳米管阵列的表面粗糙度。粗糙度的改变被认为可以对细胞黏附等早期生物学行为产生重要影响[9-10]。本研究在已有的阳极氧化TiO2纳米管阵列基础上，通过水环境浸泡的方式，合成出了一种崭新的种植体形貌—“多重纳米”的纳米管复合纳米刺形貌。有文献报道，骨组织早期矿化结晶颗粒直径在10 nm，骨胶原直径在100 nm[11-13]，与本研究合成的100 nm复合10 nm的多重纳米形貌及骨组织内梯度环境具有相似性。还有研究表明，仿生修饰对于骨结合过程具有明显的促进作用[14]。

综上所述，本研究合成了一种更具仿生微观形貌的新型种植体表面仿生化形貌TiO2涂层，其为多重纳米结构，可从仿生角度更好地模拟骨组织结构，有望为种植体表面改性提供新的思路和方法。