李忻暢，閆玉婷，方謙，梁永強(qiáng)

(華北理工大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，河北 唐山　063000)

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鈦合金表面梯度摻鍶透鈣磷石涂層研究

李忻暢，閆玉婷，方謙，梁永強(qiáng)

(華北理工大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，河北 唐山063000)

通過(guò)2步電化學(xué)沉積工藝，以醫(yī)用鈦合金(Ti-6Al-4V)作為基板，制備梯度摻鍶透鈣磷石涂層，為涂層鈦(合金)的臨床應(yīng)用與進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供有價(jià)值的理論參考．實(shí)驗(yàn)采用X線衍射儀(XRD)以及X線熒光光譜儀(XRF)檢測(cè)試件涂層成分和摻鍶量，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀測(cè)微觀形貌，溶血實(shí)驗(yàn)檢測(cè)溶血率，初步判斷其體外生物相容性．根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，按照n(Sr)/n(Sr+Ga) 計(jì)算涂層摻鍶量，結(jié)果顯示成功在鈦合金基板上制備鍶的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為10%、15%、20%的透鈣磷石涂層，SEM觀察涂層形態(tài)規(guī)則致密，檢測(cè)溶血率均小于5%，符合醫(yī)用材料相應(yīng)要求(<5%)．

醫(yī)用鈦合金；電化學(xué)沉積；鍶；透鈣磷石；涂層

鈦合金(Ti-6Al-4V)作為外科植入物用材料，臨床常用于修復(fù)和輔助治療人體重要骨組織器官[1]，如口腔牙種植體和種植支抗、人工關(guān)節(jié)以及骨修復(fù)產(chǎn)品等．但是由于鈦合金生物活性差，無(wú)誘導(dǎo)和引導(dǎo)骨再生能力，因此需要通過(guò)表面涂層等改性方法加強(qiáng)鈦合金制品在骨組織中的固定能力．常用的金屬表面涂層改性處理法主要有涂覆-燒結(jié)法、等離子噴涂法、電化學(xué)沉積法等，其中，電化學(xué)沉積技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尤為突出，如：對(duì)金屬基底體積及形態(tài)要求低，口腔種植體以及骨科孔狀鈦板等均可通過(guò)此法進(jìn)行表面改性；成本低，可控制因素較多，通過(guò)改變電流、電壓等參數(shù)可以間接控制電沉積涂層厚度、成分組成比例等屬性.國(guó)內(nèi)外已有許多研究通過(guò)電化學(xué)沉積法制備金屬基鈣磷類(lèi)涂層，并取得了一定成果[2-3]．

透鈣磷石(CaHPO4·2H2O，Brushite)作為動(dòng)物骨骼無(wú)機(jī)成分羥基磷灰石(hydroxylapatite，HA)的前體物質(zhì)，具有良好的生物相容性以及誘導(dǎo)、引導(dǎo)成骨作用，且在體內(nèi)更易溶解，降解吸收速度較羥基磷灰石快[4-5]．但在以往研究中關(guān)于羥基磷灰石的金屬基涂層較多[6-7]，而關(guān)于透鈣磷石的較少，這可能是由于透鈣磷石降解速度較快，致使成骨作用較羥基磷灰石弱，因此限制了其應(yīng)用．鍶(strontium，Sr)作為治療骨質(zhì)疏松的常見(jiàn)藥物，與Ga元素在骨骼系統(tǒng)中的代謝性為基本一致，具有抑制骨吸收和促進(jìn)成骨的雙重作用[8]．體外及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已證明鍶及透鈣磷石在骨組織工程學(xué)中的積極作用[9-10]，梁永強(qiáng)[11]采用電化學(xué)沉積法對(duì)摻鍶透鈣磷石涂層進(jìn)行了初步研究，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)將以往研究方法進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，旨在利用2步電化學(xué)沉積法，制備出不同摻鍶濃度的透鈣磷石涂層，為涂層鈦(合金)在口腔及骨組織工程學(xué)中的應(yīng)用提供更多參考與途徑．

1　材料與方法

1.1材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料與試劑：醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-4V(寶雞高新興隆鈦業(yè)有限公司)；氯化鍶SrCl2·6H2O、氯化鈣CaCl2、二水磷酸氫氨NH4H2PO4(分析純，天津市化學(xué)試劑批發(fā)公司)；氫氧化鈉NaOH(分析純，天津歐博凱化工有限公司)；鹽酸HCl、硫酸H2SO4(華北理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心提供)．

儀器：數(shù)字直流電位差計(jì)(杭州大華儀器制造有限公司)；HH-2型恒溫水浴鍋(石家莊金陵公司)；GZX-9140MBE電熱恒溫干燥箱(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；SpectraMax190型光吸收酶標(biāo)儀(美國(guó)Molecular Devices Corporation公司)；S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；D/MAX2500PC型X線衍射儀(日本理學(xué)株式會(huì)社)；ZSX Primus Ⅱ型X線熒光光譜儀(日本理學(xué)公司)．

1.2方法

1.2.1試件處理及溶液配制

試件預(yù)處理：將醫(yī)用鈦合金(Ti-6Al-4V)制成10 mm×10 mm×2 mm規(guī)格鈦合金板36枚，采用酸堿2步預(yù)處理，首先用320號(hào)、600號(hào)、1 000號(hào)砂紙對(duì)樣品進(jìn)行打磨，丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水分別超聲清洗20 min后干燥箱中干燥，然后將其置于混合酸溶液(5.80 mol/LHCl+8.96 mol/LH2SO4)，60 ℃環(huán)境中浸泡1 h，再浸入10 mol/L NaOH溶液60 ℃下處理24 h，淋洗后去離子水中待用．

溶液配制：采用二次蒸餾水作為溶劑，CaCl2、NH4H2PO4以及SrCl2·6H2O作為溶質(zhì)，分別配制電化學(xué)沉積溶液Ⅰ、Ⅱ，pH值4.5．溶液Ⅰ溶質(zhì)：0.067 mol/L SrCl2·6H2O，0.050 mol/L NH4H2PO4；溶液Ⅱ溶質(zhì)：0.067 mol/L CaCl2，0.050 mol/L NH4H2PO4．

1.2.2涂層制備

將處理好的鈦合金板分為3組，每組12個(gè)樣本，反應(yīng)溫度60 ℃，鈦合金板作為陰極，石墨板作為陽(yáng)極，數(shù)字電位直流電位差計(jì)作為電沉積電源(恒電壓2.5 V)．反應(yīng)時(shí)鈦合金板與石墨板垂直距離1.5 cm，通過(guò)調(diào)節(jié)電解液濃度和反應(yīng)時(shí)間，采用2步電化學(xué)沉積工藝進(jìn)行摻鍶量(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))為10%、15%、20%的梯度摻鍶透鈣磷石涂層制備．第1步采用Ⅰ液在試件表面沉積生成SrHPO4結(jié)晶，第2步更換溶液Ⅱ沉積生成Brushite晶體，總反應(yīng)時(shí)間恒定2 h．沉積時(shí)間分配：10%組在100 mL溶液Ⅰ中反應(yīng)1/6 h，然后馬上置入Ⅱ液反應(yīng)11/6 h；15%組在100 mL溶液Ⅰ中反應(yīng)1/4 h，然后馬上置入Ⅱ液反應(yīng)7/4 h；20%組在100 mL溶液Ⅰ中反應(yīng)1/3 h，然后馬上置入Ⅱ液反應(yīng)5/3 h，制備完成的試件去離子水淋洗后，50 ℃烘箱烘干，常溫放置．

1.2.3試件分析

采用X線衍射儀(XRD)分析沉積后涂層成分，X線熒光光譜儀(XRF)分析確定涂層摻鍶量，肉眼及掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析涂層微觀形貌．

1.2.4溶血實(shí)驗(yàn)

參照國(guó)家及醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12-13]，經(jīng)一定改進(jìn)后進(jìn)行溶血實(shí)驗(yàn)．首先家兔耳緣靜脈取血管(肝素抗凝)取血4 mL，制備成新鮮抗凝兔血，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%生理鹽水5 mL稀釋后，(4±2) ℃環(huán)境保存待用．檢測(cè)用浸提液分5組配置：10%組取9個(gè)試件消毒后平均放入3個(gè)試管，每個(gè)試管加入5 mL生理鹽水，15%組、20%組分別取各自組試件以同樣做法制得3個(gè)平行組；試管中加入5 mL生理鹽水作為陰性對(duì)照組，加入5 mL蒸餾水作為陽(yáng)性對(duì)照組，各設(shè)3個(gè)平行組．實(shí)驗(yàn)時(shí)將各組試管全部放入37 ℃恒溫水浴箱保溫30 min，然后各放入稀釋兔血0.1 mL，輕輕搖勻后再置于37 ℃恒溫水浴箱保溫60 min后取出，800 r/min離心5 min，取上清液，用酶標(biāo)儀在545 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光度(OD值)．溶血率(Z)按如下公式計(jì)算：

2　結(jié)果與討論

2.1XRD分析

圖1為不同時(shí)間配比下所得涂層的XRD圖譜．XRD分析表明，經(jīng)過(guò)2步電化學(xué)沉積工藝制備的10%組、15%組、20%組的表面涂層成分均為Brushite和SrHPO4晶體混合物.其中Ⅱ液所沉積的Brushite晶體(020)晶面衍射峰增長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)顯著，且強(qiáng)度隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而增大；Ⅰ液所沉積SrHPO4晶體的(120)、(102)晶面衍射峰具有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，但強(qiáng)度較弱，表明一定時(shí)間內(nèi)，Brushite和SrHPO4沉積量與反應(yīng)時(shí)間呈正相關(guān).SrHPO4(120)晶面衍射峰隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)雖有一定增強(qiáng)趨勢(shì)，但較Brushite晶體(020)晶面衍射峰強(qiáng)度變化不明顯，考慮可能是由于在2步電化學(xué)沉積摻鍶透鈣磷石涂層工藝中，第1步反應(yīng)所制備的SrHPO4涂層沉積時(shí)間與總時(shí)間2 h之比分別為1/12、1/8、1/6，因此時(shí)間相對(duì)較短，導(dǎo)致SrHPO4沉積量在總沉積量中比重較小，變化弱．

圖1　不同時(shí)間配比下沉積涂層的XRD譜Fig.1　Different time ratios on specimen deposited coating’s XRD pattern

2.2XRF分析

為節(jié)省檢測(cè)時(shí)間與成本，本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)所需元素Sr、Ga進(jìn)行了分析(管壓50 kV，管流50 mA,不使用濾光片)，根據(jù)試件所測(cè)平均每cm2所含SrO、GaO質(zhì)量(mg/cm2)，換算試件涂層鍶的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)．結(jié)果如表1所示，10%組、15%組、20%組所得鍶的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為10.05%、15.34%、20.97%，均近似于預(yù)期濃度．可以判斷在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨著Ⅰ液反應(yīng)時(shí)間增加和Ⅱ液反應(yīng)時(shí)間的減少，摻鍶透鈣磷石涂層的摻鍶量成一定程度增長(zhǎng)．

相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明[7，14]，一定量的鍶可以促進(jìn)新骨形成，但過(guò)量鍶會(huì)產(chǎn)生毒性，因此本實(shí)驗(yàn)涂層選擇10%、15%、20%鍶的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)進(jìn)行制備．費(fèi)克第二定律(Fick’s second law)指出反應(yīng)時(shí)間與涂層的生成量成正比，但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使陰極電阻增大，抑制電化學(xué)反應(yīng)，影響陰極金屬涂層表面晶體致密性，因此實(shí)驗(yàn)將總沉積時(shí)間控制在2 h，力求在保證涂層沉積量的同時(shí)又保證涂層晶體的致密性，并通過(guò)控制電沉積Ⅰ液與Ⅱ液反應(yīng)時(shí)間調(diào)節(jié)摻鍶透鈣磷石涂層摻鍶量．

常用的X線樣品檢測(cè)方法，按照激發(fā)、色散以及探測(cè)方法的不同可分為能量色散分析(X線能譜分析)和波長(zhǎng)色散分析(X線熒光光譜析).X線熒光光譜分析技術(shù)常用于液體、固體薄膜以及粉末樣品的定性及定量分析，是材料成分分析的通用技術(shù)之一．與常見(jiàn)的X線能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)對(duì)金屬基涂層進(jìn)行成分定量分析相比，XRF檢測(cè)具有不破壞樣品屬性，一次檢測(cè)范圍大、數(shù)量多，操作簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)[15]，更適用于涂層檢測(cè)．

表1　涂層X(jué)RF分析結(jié)果

2.3肉眼觀察及SEM觀察

普通光源下觀察涂層后試件，10%組、15%組，20%組涂層均勻白色致密，在光源下移動(dòng)可見(jiàn)滿(mǎn)天星樣晶體反射光，無(wú)明顯區(qū)別．SEM觀察高倍鏡(1 000×倍)下觀察，如圖2所示，涂層由大、小不同尺寸晶體組成，10%組小晶體形態(tài)細(xì)長(zhǎng)而薄，針刺叢狀；15%組小晶體尺寸相比10%組有所增大，呈短柱狀或?qū)捚瑺罹奂蓤F(tuán)；20%組小晶體與15%組相似，個(gè)別晶體呈蜂窩狀；3組大晶體形態(tài)變化不大，基本成長(zhǎng)短不一的柱狀和平滑板狀，呈放射形無(wú)序但致密地生長(zhǎng)在小晶體之間.經(jīng)掃描電子顯微鏡能譜分析，推測(cè)形態(tài)較小晶體基本為第1步電化學(xué)沉積所產(chǎn)生的SrHPO4晶體，其形態(tài)差異可能由沉積時(shí)間長(zhǎng)短所影響，Ⅰ液沉積時(shí)間短者晶體體積小，隨著沉積時(shí)間變長(zhǎng)晶體體積有一定限度的增加，且沉積量增大，從而增加涂層摻鍶量．

圖2　10%組、15%組、20%組SEM形貌(1 000×)Fig.2　Micro morphology of 10%、15%、20% group sedimentary layer(1 000×)

采用電化學(xué)沉積法制備金屬基地涂層具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如：反應(yīng)溫度低，不破壞金屬基底性狀；沉積涂層均勻致密不易發(fā)生皸裂，且可以保證涂層多隙粗糙的微觀結(jié)構(gòu)，更有利于鈦合金與骨組織的結(jié)合等.因此本實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)沉積技術(shù)，并將反應(yīng)分為2步進(jìn)行，力求更好地控制涂層摻鍶量，制備梯度摻鍶透鈣磷石涂層．

2.4溶血實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

各組試件OD值以及溶血率(Z)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，10%組、15%組、20%組試件溶血實(shí)驗(yàn)后所測(cè)溶血率均小于5%，表明在此實(shí)驗(yàn)條件及要求下各組試件無(wú)生物毒性，血液相容性好，符合醫(yī)用材料對(duì)于溶血性能的限制要求(<5%)．

表2　不同摻鍶濃度涂層試件的溶血評(píng)價(jià)

3　結(jié)論

采用2步電化學(xué)沉積技術(shù)，以醫(yī)用鈦合金(Ti-6Al-4V)為基板，通過(guò)調(diào)節(jié)SrHPO4與Brushite的沉積時(shí)間，在一定條件下可以成功制備摻鍶量為10%、15%、20%的梯度摻鍶透鈣磷石涂層.涂層均勻致密，溶血實(shí)驗(yàn)檢測(cè)溶血率均小于5%，符合國(guó)家及醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)醫(yī)用材料溶血性能限制的要求，初步評(píng)價(jià)體外生物相容性良好，為其在口腔和骨組織工程中的臨床應(yīng)用與進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供有價(jià)值的理論參考．

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(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Gradient strontium-brushite coatings of medical titanium alloy surface

LI Xinchang,YAN Yuting,FANG Qian,LIANG Yongqiang

(College of Stomatology,North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,China)

The concentration gradient of strontium-doped brushite coatings was prepared by two steps electrochemical depositions on the surface of medical titanium alloy(Ti-6Al-4V),which provided valuable theoretical reference for the clinical application and further experimental research of titanium (alloy)coating.The chemical compositions of coatings was analyzed by X-ray diffractometer(XRD),and the concentration of doped strontium was examed by X-ray fluorescence spectrometer(XRF).Field emission scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the morphology of strontium-doped brushite coatings.The biocompatibility of strontium-doped brushite coatings was judged preliminarily by hemolysis rate that was tested by hemolysis test in vitro.The concentration of strontium was calculated according to the ratio ofn(Sr)/n(Sr+Ga).Our results showed the concentrations of strontium-doped for strontium-doped brushite coatings were the percent of 10,15 and 20.The SEM images showed that the morphology of coatings was regular and compact.The rate of hemolysis was less than 5%,which was in accordance with the requirements of medical materials (<5%).

medical titanium alloy；electrochemical deposition；strontium；brushite；coating

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.02.004

2015-11-10

河北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2015016)

李忻暢(1989—)，女，河北保定人，華北理工大學(xué)在讀碩士研究生.E-mail：lxcsyp@sina.com

梁永強(qiáng)(1971—)，男，陜西銅川人，華北理工大學(xué)副教授，博士，主要從事口腔種植、正畸學(xué)方向研究.

E-mail:lych810@foxmail.com

R318.08

A

1000-1565(2016)02-0129-05