張雪姣， 郝 敏， 喬海霞， 張效云， 黃 勇,3*， 輦曉峰， 龐小峰

1. 河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院， 河北 張家口 075000

2. 河北北方學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)院， 河北 張家口 075000

3. 電子科技大學(xué)生物物理與生物電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610054

4. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)際材料物理中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110015

錳和氟共修飾羥基磷灰石陶瓷涂層的制備與表征

張雪姣1， 郝 敏2， 喬海霞2， 張效云2， 黃 勇2,3*， 輦曉峰2， 龐小峰3,4

1. 河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院， 河北 張家口 075000

2. 河北北方學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué)院， 河北 張家口 075000

3. 電子科技大學(xué)生物物理與生物電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610054

4. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)際材料物理中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110015

單電流階躍沉積； FMnHAP； 復(fù)合涂層； FTIR

引 言

在臨床應(yīng)用中， 雖然醫(yī)用純鈦(Ti)及Ti合金的機(jī)械力學(xué)性能可以與人骨相匹配， 并且在牙齒種植體， 髖， 膝， 肩， 脊柱等部位作為承載骨替代材料， 但是其植入人體后， 有毒離子的溶出以及生物相容性較差等缺陷限制了其臨床應(yīng)用。 另一方面， 作為具備優(yōu)良骨傳導(dǎo)和骨整合等生物相容性， 脊椎動(dòng)物牙齒和骨的主要無(wú)機(jī)成分的HAP， 其表現(xiàn)出的強(qiáng)度較低， 韌性較差等生物力學(xué)性能缺陷限制了它在骨組織修復(fù)臨床領(lǐng)域中作為承重部位的應(yīng)用。 綜合金屬Ti和磷酸鈣各自的優(yōu)勢(shì)， 采用各種工藝方法將HAP涂覆在金屬Ti基體表面， 既能有效發(fā)揮基體良好的綜合機(jī)械性能， 又具有較好的耐腐蝕性和優(yōu)良的生物相容性， 從而滿足承載部位骨替換植入體的臨床應(yīng)用需要[1-4]。 然而， 實(shí)際上純HAP涂層在生理環(huán)境中極不穩(wěn)定， 很容易溶解， 從而破壞了植入體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性而導(dǎo)致植入失敗[2]。 另一方面， HAP在臨床領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)， 其生物相容性還是相對(duì)較弱的。 這主要是由于自然骨的磷灰石往往不是純HAP， 而是摻雜了一些諸如(Mn2+, Mg2+, Sr2+, Na+, K+, 和F-)等微量元素在其中。 為了增強(qiáng)涂層的耐腐蝕性以及骨整合特性， 在HAP中引入適當(dāng)?shù)奈⒘吭匾讶怀蔀楫?dāng)下的研究熱點(diǎn)[5]。 氟是人體必需的微量元素， 存在于牙釉質(zhì)和骨組織中， 氟能刺激骨形成過程中的鈣磷鹽的結(jié)晶和礦化[2]。 另外， 錳元素與整合素的活化有關(guān)， 整合素為一種受體家族， 它能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞表面的配體和細(xì)胞外基質(zhì)等細(xì)胞間的相互作用， 錳修飾HAP能夠極大地提高復(fù)合材料的骨修復(fù)率[6]。 然而， 目前將錳和氟同時(shí)摻雜到HAP晶體中的研究卻鮮有報(bào)道。

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)具有試樣用量少， 測(cè)試樣品快， 分析靈敏度高以及制樣分析簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)， 已被廣泛用于磷酸鈣特定化學(xué)鍵的鑒定[1-2]， 然而目前將FTIR檢測(cè)技術(shù)用于單電流階躍沉積制備錳和氟共修飾磷灰石(FMnHAP)復(fù)合涂層的研究卻鮮有報(bào)道。 本研究在初期單電流階躍法沉積FHAP復(fù)合涂層的基礎(chǔ)上[2]， 在F-Ca-P沉積液中新加入硝酸錳， 在Ti金屬表面涂覆得到FMnHAP復(fù)合涂層， 以期望得到的FMnHAP復(fù)合涂層具有較高的生理穩(wěn)定性， 耐腐蝕性和細(xì)胞活性。 本工作主要對(duì)FMnHAP復(fù)合涂層的物相組成， 結(jié)構(gòu)形貌和電化學(xué)特性等進(jìn)行了表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層的制備

Ti基體表面狀態(tài)是影響Ti基體與磷酸鈣涂層結(jié)合性能的最重要因素之一。 沉積前， 要對(duì)其Ti表層進(jìn)行除氧化皮、 酸刻蝕等處理[1-4]。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)都利用LK2005型電化學(xué)工作站完成， 主要采用恒定電流沉積方式， 分別將鈦片與鉑片固定于三電極的陰、 陽(yáng)兩極， 飽和甘汞電極為參比電極， 電極間距為3 cm。 電解液的配置要確保溶液中的Ca/P比例為1.67。 電解液用分析純的4.2×10-2mol·L-1Ca(NO3)2， 2.5×10-2mol·L-1NH4H2PO4， 2×10-2mol·L-1Mn(NO3)2和5×10-2mol·L-1NaF組成， 調(diào)節(jié)溶液的pH為4.0。 沉積電流： 1×10-3A·cm-2， 沉積溫度： 60 ℃， 沉積時(shí)間： 20 min。 沉積得到的復(fù)合涂層用去離子水浸洗3次后， 冷風(fēng)晾干12 h。 同樣利用該實(shí)驗(yàn)條件完成純HAP沉積， 并作為參照組。

1.2 錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層的的表征

復(fù)合涂層的表面形貌采用日本Jeol公司的JSM-6490LV型電子顯微鏡掃描； 元素半定量使用美國(guó)EDAX公司出品的GENESIS 2000 XMS型具有能量彌散的X-射線譜來(lái)檢測(cè)； 晶相組成利用國(guó)產(chǎn)的DX-1000型的X-射線衍射儀進(jìn)行表征， 銅靶(Cu-Kα)， 管壓35 kV， 管流35 mA， 掃描速度為0.06°·s-1， 掃描范圍20°～60°； 涂層的晶體基團(tuán)特征峰表征則用NICOLET NEXUS670型傅氏轉(zhuǎn)換紅外光譜分析儀(美國(guó)Thermo公司)進(jìn)行， 測(cè)試樣品的制備采用溴化鉀壓片。

1.3 模擬體液體外礦化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M人體環(huán)境， 要求實(shí)驗(yàn)中離子含量與人體血液中無(wú)機(jī)離子的含量匹配。 其制備過程如下： 首先量取800 mL的超純水， 依次加入8.035 g NaCl, 0.355 g NaHCO3, 0.225 g KCl, 0.231 g K2HPO4, 0.311 g MgCl2·6H2O， 40 mL 1 mol·L-1的HCl， 0.292 g CaCl2, 0.072 g NaSO4, 6.118 g (CH3OH)3CNH2(生物緩沖劑)， 然后利用1 mol·L-1的鹽酸調(diào)節(jié)使pH在7.2～7.4之間， 最后將模擬體液定容至1 L。 首先將試樣和離心管進(jìn)行消毒處理， 然后將試樣浸泡其中， 每天定時(shí)更換新SBF液一次， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都在37 ℃完成， 7 d后取出樣品， 去離子水浸洗5次， 室溫晾干。 對(duì)涂層進(jìn)行表征的測(cè)試儀器設(shè)備和方法同1.2。

1.4 極化曲線測(cè)試實(shí)驗(yàn)

極化曲線的測(cè)試采用典型的三電極體系， 其電極分布為， 陰極： 待涂層鈦片， 陽(yáng)極： 鉑片， 參比電極： 飽和氯化鉀溶液的甘汞電極。 電化學(xué)性能測(cè)試主要為極化曲線測(cè)試[7-8]。 在此實(shí)驗(yàn)中， 純Ti片和沉積有HAP的Ti片作為對(duì)照組。 待測(cè)試的樣品裸露1 cm2在測(cè)試液中。 將樣品浸入SBF中進(jìn)行20 min的開路電位測(cè)試， 以達(dá)到穩(wěn)定的開路電位， 接著對(duì)樣品進(jìn)行塔菲爾曲線測(cè)試， 測(cè)試電位范圍依照實(shí)驗(yàn)的具體情況而定， 掃描速度為0.01 V·s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層的表征分析

圖1為電鏡掃描磷灰石涂層的表層外貌結(jié)果， 涂層的晶體形貌由原始的較松散的微米級(jí)木屑狀[圖1(a)]變?yōu)橄鄬?duì)致密的納米級(jí)的絨毛狀(由極細(xì)小的納米級(jí)針狀晶體組成)[圖1(b)]， FMnHAP涂層較HAP涂層孔隙率明顯變小。 FMnHAP涂層的納米級(jí)針狀形貌與人體牙釉質(zhì)的磷灰石晶體形態(tài)極為相似[2]。 有研究表明， 當(dāng)涂層材料的晶體大小和形貌接近于人體自然骨時(shí)， 其涂層的生物相容性和骨傳導(dǎo)特性將會(huì)得到極大的提高[2]。

Fig.1 Coating crystal morphologies of HAP (a) and FMnHAP (b)

圖2為復(fù)合涂層能量彌散X射線譜， 結(jié)果顯示了制備薄膜中主要包含的元素： 錳、 鈣、 氟、 磷及氧， 而(鈣+錳)/磷的原子量比約為1.499， 錳的摻雜量約為0.63 Wt%， 氟的摻雜量約為3.14 Wt%， 所以實(shí)驗(yàn)得到的磷灰石薄膜為缺鈣型錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層。

XRD結(jié)果圖3顯示， 錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層主要為HAP(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)卡片， 09-432)， 完全沒有磷酸氫鈣等其他雜相峰的出現(xiàn)， 可見氟和錳的修飾使得電沉積得到的磷灰石直接就是HAP相。 XRD結(jié)果表明， 相比于單相HAP涂層， FMnHAP復(fù)合涂層的(002)晶面衍射峰稍微向大衍射角偏移， 這可能是因?yàn)镕離子半徑比OH離子的小， 摻F后導(dǎo)致晶格畸變， 晶面間距減小， 故出現(xiàn)其衍射角變大的現(xiàn)象[3]。 相反， Mn離子的半徑比Ca離子大， 摻Mn產(chǎn)生的晶格畸變使晶面間距增大， 因而衍射角會(huì)變小。 顯然， 當(dāng)Mn2+和F-同時(shí)摻入HAP引起晶格畸變時(shí)， 摻F產(chǎn)生的晶格畸變起了主導(dǎo)作用， 導(dǎo)致FMnHAP晶面的衍射峰向大衍射角偏移。

Fig.2 EDS spectra of the FMnHAP coating

Fig.3 XRD pattern of the FMnHAP coatings

2.2 FMnHAP復(fù)合涂層的FTIR特征分析

Fig.4 (a) FTIR patterrn of the FMnHAP coatings;

2.3 模擬體液(SBF)浸泡及極化曲線測(cè)試實(shí)驗(yàn)

SBF浸泡后復(fù)合涂層表面的EDS能譜分析如圖5(a)， FMnHAP復(fù)合涂層中主要有Na， Mg， Cl， P， O， Ca和C等多種元素， 則所得到的涂層可能為多種微量元素?fù)诫s的含碳元素的磷灰石。 如圖5(b)所示， 錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層經(jīng)SBF浸泡后， 紅外光譜中就出現(xiàn)了碳酸根的特征峰(波數(shù)為1 489， 1 413和871 cm-1)， 這力證了被再礦化后的復(fù)合涂層表面為類骨磷灰石， 即碳酸化磷灰石(Carbonate-apatite)。 碳酸化磷灰石在種植體生物材料的骨整合結(jié)合骨界面的形成中發(fā)揮著重要的作用[7]。 FMnHAP涂層在浸泡液中誘導(dǎo)新磷灰石的形成過程， 即為涂層表面與溶液中鈣、 磷離子之間所發(fā)生的溶解-沉積的動(dòng)態(tài)過程。 經(jīng)上述對(duì)比分析可知， 錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層具有更好的體外再礦化能力， 具有優(yōu)異的生物活性。

Fig.5 EDS spectra (a) and FTIR pattern (b) of the FMnHAP coatings after immersed in SBF

研究表明， 自腐蝕電流(icoor)的大小可以直接反映出復(fù)合涂層耐腐性的強(qiáng)弱[8-9]。 塔菲爾曲線(極化曲線)的測(cè)試結(jié)果如圖6所示， 與商業(yè)純鈦片對(duì)比， 錳和氟共摻雜羥基磷灰石復(fù)合涂層的自腐蝕電位較其發(fā)生正移， 自腐蝕電流從38.01 μA減少為7.08 μA， 減小了約近1/5。 可見， 錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層的耐生理液腐蝕性較好。 氟的引

入致使復(fù)合涂層變身為具有納米級(jí)的致密保護(hù)膜， 而涂層的生理溶解性下降， 從而對(duì)Ti基底起到了很好的保護(hù)作用[9]。

Fig.6 Tafer curves in SBF of the composite coating on Ti substrate

3 結(jié) 論

在鈣-磷電解液中添加錳元素和氟元素， 采用恒電流沉積法， 將錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層沉積于鈦片表層， 此時(shí)所得涂層形貌顯示為致密均勻的納米級(jí)絨毛形態(tài)， 原磷灰石中的部分鈣由錳元素取而代之， 而氟部分取代了磷灰石中的羥基。 FTIR檢測(cè)表明， FMnHAP涂層出現(xiàn)了面內(nèi)彎曲振動(dòng)σ3峰， 則表明F進(jìn)入了磷灰石晶體通道； SBF浸泡后， 新生涂層為含有Na， Mg， Cl等微量元素的碳酸化磷灰石， 其體外再礦化能力良好。 錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層也發(fā)揮了保護(hù)膜良好的抗腐蝕性。 總之， 紅外光譜檢測(cè)技術(shù)可用于快速、 有效鑒定錳和氟共修飾羥基磷灰石復(fù)合涂層中的特定化學(xué)基團(tuán)， 為醫(yī)用生物材料的準(zhǔn)確分析與評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

[1] HUANG Yong, YAN Ya-jing, LI Gun, et al(黃 勇, 嚴(yán)雅靜, 李 滾， 等). Chinese Journal of Inorganic Chemistry(無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)), 2012, 28(6): 1105.

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[9] Montemor M F. Surface and Coatings Technology, 2014, 258： 17.

*Corresponding author

Preparation and Characterization of Manganese and Fluorine Co-Modified Hydroxyapatite Composite Coating

ZHANG Xue-jiao1, HAO Min2, QIAO Hai-xia2, ZHANG Xiao-yun2, HUANG Yong2,3*, NIAN Xiao-feng2，PANG Xiao-feng3,4

1. School of Information and Engineering, Hebei North University, Zhangjiakou 075000, China

2. College of Lab Medicine, Hebei North University, Zhangjiakou 075000, China

3. Key Laboratory of Bio-Electromagnetic and Bio-Electronic Technology, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China

4. International Centre for Materials Physics, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110015, China

Titanium and titanium alloys have been widely used as orthopedic, dental implants and cardiovascular stents owing to their superior physical properties. However, titanium surface is inherently bio-inert, thus could not form efficient osseointegration with surrounding bone tissue. Therefore, to improve the surface property of titanium implant is significantly important in clinical application. Manganese and fluorine co-doped hydroxyapatite (FMnHAP) coatings were prepared on titanium substrate by electrochemical deposition technique. The as-prepared coatings were examined by scanning electron microscope (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD) tests. The results indicated that the FMnHAP coatings take the morphology of nanoscale-villous-like， the composite coating becomes more compact. The FTIR test indicated that the symmetry of bending vibration modes of hydroxyl changed， simulated body fluid immersion test proved that the FMnHAP coatings had induce carbonate-apatite formation, indicating that the composite coating possess excellent biocompatibility. In the electrochemical corrosion testing, the FMnHAP coatings showed stronger corrosion resistance than pure Ti.

Single current step deposition; Manganese and fluorine co-doped hydroxyapatite; Composite coating; Fourier transform infrared spectroscopy

Feb. 7, 2015; accepted Jun. 12, 2015)

2015-02-07，

2015-06-12

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2015124)， 河北北方學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目和國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB503700)資助

張雪姣， 女， 1985年生， 河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院助教 e-mail: 527238610@qq.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: xfpang@aliyun.com

TB333; O646

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)03-0686-05