热处理对钛基体表面电泳沉积GO/HA生物活性涂层的影响

2022-08-08韩委委余本锐朱庆霞

硅酸盐通报 2022年7期

韩委委，刘莉，余本锐，朱庆霞

(天津工业大学材料科学与工程学院，天津市先进纤维与储能重点实验室，天津 300387)

0 引言

羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是一种具有优异生物相容性、生物活性和骨诱导性[1-2]的陶瓷材料，是人体骨组织的主要无机成分，被广泛应用于医用金属骨植入材料的表面改性领域。在钛基体表面涂覆HA涂层可以提高种植体的生物活性，但是HA力学性能较差，阻碍其在骨组织工程中的应用。氧化石墨烯(graphene oxide, GO)具有优良的抗菌性能、力学性能和生物相容性[3]，其结构表面或边缘存在的含氧官能团赋予其较高的表面活性与化学活性[4]。相关研究表明，GO可以改善HA涂层的裂纹情况[5]、硬度[6]、结合强度[7-8]、耐腐蚀性[9]和生物相容性[10]等。

电泳沉积法制备过程简单，成本低，涂层厚度可控，可以在形状不规整或表面多孔的金属基体表面形成均匀的沉积涂层，被广泛用于制备生物活性涂层。但是电泳沉积涂层结合强度较低，可以通过热处理提高GO/HA涂层与基体的结合强度，为避免GO的过度氧化，热处理需要在氩气保护下进行。涂层经过不同温度热处理后拥有差异化的物化性质，涂层表面形貌和结构方面的改变对后续性能有较大的影响。目前国内外学者主要侧重于GO/HA涂层服役性能方面的研究[6,10-11]，而将GO优良的机械性能和HA的生物性能有机地结合在一起可进一步拓宽生物活性涂层在治疗骨科疾病领域的应用前景。因此，考虑到GO/HA涂层在组织工程的应用，本文探究了热处理制度对涂层形貌、物相组成、结合强度、润湿性和生物活性的影响。

1 实验

1.1 HA粉体的制备

采用Ca(NO3)2·4H2O(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)与(NH4)2HPO4(分析纯，天津市光复科技发展有限公司)作为钙源和磷源，通过化学沉淀法制备钙磷摩尔比为1.67的HA。配制0.5 mol/L Ca(NO3)2·4H2O水溶液，通过NH3·H2O(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)调节溶液pH值为10～11，并控制水浴温度为60 ℃，以 3.50 mL/min的速度滴加0.5 mol/L的(NH4)2HPO4水溶液，同时以450 r/min的速度进行机械搅拌。磷源滴加结束后，继续恒温搅拌3 h，整个反应过程中控制混合液pH值为10～11。反应结束后静置陈化24 h，用去离子水和无水乙醇(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)洗涤、抽滤至pH值为7，放入烘箱，在120 ℃下烘干并研磨备用。

1.2 钛基体预处理

基体分别为长4.0 cm、宽2.5 cm、厚0.3 cm的钛板和长4.0 cm、宽0.5 cm、厚0.1 cm的钛片，钛板用于测试结合强度，钛片用于其他测试。首先用400目、800目、1 200目的砂纸依次对基体进行打磨抛光，然后置于无水乙醇和丙酮(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)混合溶液中进行超声去油处理，随后在双氧水(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)和浓硫酸(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)混合液中浸泡1 h。最后，取出钛片，用去离子水超声清除钛片上残留的酸性液体，自然晾干备用。

1.3 电泳沉积涂层

称取0.025 g GO粉体(南京先丰纳米材料科技有限公司)分散于75 mL无水乙醇中，使用超声波细胞粉碎机(BILON-650Y,China,比朗仪器制造有限公司)超声1 h；称取0.5 g HA粉体分散于25 mL无水乙醇中，超声1 h，超声HA粉体的无水乙醇提前用HNO3(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)调节pH值为4～5。将两组悬浮液混合后超声1 h，得到稳定分散的悬浮液，用于下一步电泳沉积涂层。以预处理钛片为阴极，石墨为阳极，调节沉积电压为15 V，沉积时间为1 min，沉积间距为1 cm，使用稳压电源仪(DYY-6C,China,六一生物科技有限公司)沉积GO/HA复合涂层，自然晾干备用。

1.4 涂层热处理

将GO/HA涂层置于管式炉(SK-G06123K,China,中环实验电炉有限公司)中，氩气保护下进行热处理。升温速率为5 ℃/min，分别在600 ℃和800 ℃下保温1 h，降至室温后取出。

1.5 样品表征

采用X射线衍射仪(DMAX2500,Janpan,理学公司)对不同热处理参数下制备的涂层样品进行物相组成分析,衍射靶为 Cu Kα射线，工作电流为 200 mA，工作电压为40 kV，扫描范围为5°～70°，扫描速率为2 (°)/min。采用冷场发射扫描电镜(S-4800,Janpan,日立公司)观察涂层表面微观结构。依据《色漆和清漆拉开法附着力试验》(GB/T 5210—2006)中的拉开法，用万能材料试验机(CMT4503,America, MTS)进行拉伸试验，拉伸速率为10 mm/min，当涂层与基体完全分离时测试结束，记录最大载荷，以确定涂层与基材之间的结合强度。采用动态接触角测试仪(DSA-100,Germany, KRUSS)测试涂层表面的润湿性。

2 结果与讨论

2.1 热处理对涂层形貌和结合强度的影响

在悬浮液中利用电泳沉积法制备涂层，虽然有工艺简单、沉积厚度可控、涂层均匀性好等优点，但是沉积的固体颗粒很分散，涂层力学性能较差，需要进行热处理使涂层更加致密化。GO/HA涂层在不同热处理条件下的SEM照片如图1所示。从图1中可以看出：在没有进行热处理的涂层表面，针状HA颗粒杂乱疏松地堆积在一起，其长度平均约为330 nm，直径平均约为40 nm；600 ℃热处理后，HA 颗粒的针状结构几乎没有变化，颗粒堆积方式由杂乱疏松变得更加致密，颗粒分布也更加均匀；800 ℃热处理后,HA颗粒主要为棒状结构，其长度平均约为250 nm，直径平均约为70 nm，涂层中HA颗粒发生了择优取向的改变。图1(c)表面的气孔率高于图1(a)和图1(b)表面的气孔率，这是因为悬浮液中HA的固含量为5 g/L，浓度较低，800 ℃热处理时HA颗粒体积收缩，涂层中处于较上层的HA颗粒会填充到较下层的空隙中，涂层表面出现孔隙结构。

图1 GO/HA涂层在不同热处理条件下的SEM照片Fig.1 SEM images of GO/HA coatings at different heat treatment conditions

结合强度与植入体在周围骨骼中的稳定植入息息相关，影响植入体材料在骨科疾病治疗领域的使用寿命。GO/HA涂层在不同热处理条件下的结合强度如表1所示。在经过600 ℃热处理后，GO/HA涂层结合强度得到了提高，由10.06 MPa提高到14.74 MPa，800 ℃热处理后结合强度达到25.31 MPa。600 ℃热处理只是促进HA颗粒较为规律致密的排列，800 ℃热处理可以促进HA颗粒相互融合(见图1(c))，靠近基体的底层涂层之间结合更为紧密。此外，热处理可以促进金属基体的原子扩散，有助于形成中间过渡层，达到提高涂层结合强度的目的[12]。

表1 热处理条件对GO/HA涂层结合强度的影响Table 1 Effect of heat treatment condition on adhesion strength of GO/HA coatings

2.2 热处理对涂层物相组成的影响

图2为GO粉体和GO/HA涂层的XRD谱。由图2可知，无热处理时，涂层的主晶相为钛，这可能是因为涂层较薄，且内部存在空隙，X射线可以穿透涂层而探测到钛基体。在25.9°、31.8°和32.9°处观察到HA的衍射峰，分别对应PDF#09-0432中HA的(002)、(211)和(300)晶面。随着温度的升高，(211)和(300)晶面衍射峰的半峰全宽缩小，峰形更加尖锐，表明升高温度有助于促进HA结晶度的提高,结晶度越高，HA的性能越稳定。600 ℃和800 ℃热处理时，涂层中并没有出现HA的分解相磷酸三钙(TCP)的杂相峰，说明600 ℃和800 ℃的热处理制度并没有导致HA发生热分解。

图2 GO粉体和GO/HA涂层的XRD谱Fig.2 XRD patterns of GO powder and GO/HA coatings

无热处理时，涂层中没有出现金红石相的衍射峰，但是600 ℃和800 ℃热处理时涂层中有明显可见的金红石相，说明热处理可以促进TiO2的生成[13]。钛常温下在空气中很难氧化，但是在高温环境下，钛会氧化形成TiO2，TiO2可以有效防止腐蚀介质对钛基体腐蚀。随热处理温度的升高，原本钛峰强度明显降低，甚至消失，800 ℃时金红石相衍射峰更强。这说明钛基体的表面发生了较大程度的氧化，这也是由于疏松多孔的涂层结构使钛基体表面可以与空气接触，促进了钛基体的氧化反应。

图2中曲线d显示了GO的XRD谱，2θ=11°处明显的衍射峰是GO在(001)晶面的特征峰。在曲线b和曲线c中未观察到GO的特征峰，有可能是因为热处理破坏了GO的有序晶体结构。

2.3 热处理对涂层润湿性的影响

润湿性是涂层表面一种重要的物理性质，良好的润湿性有利于细胞和蛋白质在涂层上的吸附，从而提高细胞的生物相容性。润湿效果越好的材料一般具有更好的细胞亲和性，与机体组织的结合性能也愈佳。GO/HA涂层在不同热处理条件下的水接触角如图3所示。从图3可以明显看出，无热处理、600 ℃热处理和800 ℃热处理的涂层水接触角分别为15.0°、25.5°和51.6°，随着热处理温度的提高，涂层表面润湿性受到抑制。固体材料的形貌结构和表面暴露基团是影响润湿性的关键因素,热处理温度提高到800 ℃，HA颗粒由针状结构转变为棒状结构，涂层中HA颗粒的结合更加紧密；涂层表面的HA含有大量羟基，羟基通过氢键增强涂层与水分子之间的吸引力，达到增加表面能和提高润湿性的效果，热处理温度升高导致羟基数量减少，润湿性降低[14-15]。

图3 GO/HA涂层在不同热处理条件下的水接触角Fig.3 Water contact angle of GO/HA coatings at different heat treatment conditions

2.4 热处理对涂层矿化性能的影响

HA植入体内后，其表面首先会形一层与骨无机成分相似的类骨磷灰石物质，促进生物材料与活体骨形成化学键合，是生物材料具有骨诱导性的必要条件。为了衡量温度对涂层形成磷灰石能力的影响，评价涂层生物活性，将600 ℃和800 ℃条件下制备的涂层浸泡在与人体血浆无机成分类似的模拟体液(simulated body fluid, SBF)中，浸泡时间为7 d，浸泡结束后观察微观形貌，如图4所示。从图4(a)、(b)可以看出，600 ℃热处理后涂层表面形成一层致密均匀的矿化层，覆盖率为100%，呈完整的花瓣状结构。图4(c)、(d)显示，800 ℃热处理后涂层表面矿化层不均匀，矿化层上层磷灰石晶体结构为尺寸较大的花瓣状，矿化层下层晶体结构为尺寸较小的鳞片状，矿化层晶体整体生长情况不如600 ℃热处理条件下的涂层。

图4 不同热处理温度的GO/HA涂层在37 ℃ SBF中浸泡 7 d后的SEM照片Fig.4 SEM images of GO/HA coatings treated at different temperatures after immersion in 37 ℃ SBF for 7 d

2.5 浸泡时间对涂层矿化性能的影响

图5显示了GO/HA涂层在SBF中浸泡 3 d、7 d和15 d后的表面形貌，涂层热处理温度为600 ℃。可以明显看到涂层表面都沉积了一层磷灰石，说明GO/HA涂层能够诱导磷灰石在生物环境中生长，具有优异的生物活性。体外浸泡不同天数后形成的矿化层在形貌上存在很大的区别:浸泡3 d后，从图5(a)可以看出矿化层是发育不完整的低结晶度的矿化晶体；浸泡7 d后，从图5(b)可以看出矿化层是由发育完整、尺寸较大的磷灰石晶体相互交织在一起；从图5(c)可以看出浸泡15 d后的表面形貌与3 d后的类似，区别在于浸泡15 d样品的磷灰石晶片结晶度明显优于仅浸泡3 d的样品。涂层的矿化过程是不断溶解沉淀的过程，矿化形成的矿化层形貌并不固定，而是处于动态变化的状态。