李秋桐， 劉傳宏， 曹 燦

1.沈陽市口腔醫(yī)院 修復(fù)一科，遼寧 沈陽 110002；2.遼寧省軍區(qū)沈陽第一離職干休所門診部，遼寧 沈陽 110058；3.北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 口腔科，遼寧 沈陽 110016

口腔種植是臨床上治療牙列缺失和缺損的常用修復(fù)技術(shù)。為提高種植體與周圍骨組織的生物相容性，提高骨結(jié)合的成功率，種植體表面廣泛采用各類技術(shù)進(jìn)行涂層改性。作為種植體表面常規(guī)涂層改性技術(shù)，陽極氧化依賴電化學(xué)反應(yīng)在光滑的種植體表面形成新的納米管陣列樣形貌，該形貌在種植體周圍成骨過程中發(fā)揮重要作用[1-2]。與光滑純鈦相比，納米陣列樣形貌被證明具有更好的生物活性，并能夠更好地促進(jìn)骨髓干細(xì)胞向成骨方向的分化[3-4]。陽極氧化電解液配方包括以氫氟酸水溶液為代表的的無機(jī)氟化合物電解液配方和以氟化銨、乙二醇電解液為代表的有機(jī)氟化合物電解液配方這兩大類[3-4]。其中，氫氟酸水溶液電解配方納米陣列已在生物材料領(lǐng)域開展了大量的研究[5-8]。種植體所應(yīng)用的生物環(huán)境都是富水環(huán)境。目前，關(guān)于富水環(huán)境下二氧化鈦(TiO2)納米陣列穩(wěn)定性的相關(guān)研究報(bào)道較少。本研究旨在探討種植體表面無機(jī)配方下陽極氧化涂層在富水環(huán)境下的穩(wěn)定性。現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 主要材料 正方形純鈦試樣(10 mm×10 mm×1 mm，四川大學(xué)材料學(xué)院)；SiC砂紙400、800、1 200、2 000目(鷹牌，韓國)；去離子水(北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院藥劑科)；氫氟酸(天津天力化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 儀器及設(shè)備 穩(wěn)流穩(wěn)壓直流電源(TPR6405D，LongWei，香港)；磁力攪拌器(江蘇金壇儀器設(shè)備廠)；超聲波清洗機(jī)(UC-50，Whaledent，德國)；體式顯微鏡(Leica，德國)；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800，Hitachi，日本)。

1.3 研究方法 正方形鈦片用碳化硅砂紙400～2 000目順次打磨，表面形成光滑鏡面后，經(jīng)過丙酮、乙醇和去離子水順次清洗5 min，室溫條件下干燥備用。納米管的制備需配制為0.5 wt%氫氟酸水溶液作為陽極氧化電解液，以純鈦為陽極，以鉑為陰極在20 V的直流電作用下進(jìn)行30 min得到TiO2納米陣列；經(jīng)過丙酮、乙醇、去離子水順次清洗10 min，室溫(24 ℃)下自然干燥，無機(jī)氟化合物電解液配方陽極氧化制備TiO2納米陣列(inorganic fluoride compoundelectrolyte anodized TiO2nanotubes arrays，IF-NA)。IF-NA置于含去離子水溶液5 ml的24孔板中1 d、3 d、7 d。使用體式顯微鏡觀察試樣在去離子水中浸泡后表面的顏色變化，使用場(chǎng)發(fā)射掃面電子顯微鏡觀察試樣表面形態(tài)特征。

2 結(jié)果

2.1 體式顯微鏡鈦片表面特征 體式顯微鏡下觀察可見制備好的TiO2納米陣列是典型的褐色外觀，經(jīng)過在去離子水浸泡1 d后可見試件表面的褐色已經(jīng)向白灰色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，試件外觀與陽極氧化后相比發(fā)生明顯改變。伴隨浸泡時(shí)間的延長，試件表面的亮度繼續(xù)提高。在浸泡7 d后，試件表面亮度明顯提高，顏色徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榘谆疑Ｒ妶D1。

圖1 體式顯微鏡下浸泡不同時(shí)間鈦片顏色變化

2.2 掃描電鏡下試件表面形貌特征 以氫氟酸水溶液為代表的電解液在20 V進(jìn)行陽極氧化得到納米陣列管徑為80～100 nm，管口形態(tài)為不規(guī)則的圓形或圓錐形，納米管組成的簇與簇之間有較窄的裂隙(20～30 nm)，納米管均勻有序地分布在純鈦表面。經(jīng)過在去離子水中浸泡處理時(shí)間1 d時(shí)，兩種納米管陣列的形貌開始出現(xiàn)輕微形貌的變化，納米管內(nèi)未出現(xiàn)少量米顆粒樣的結(jié)構(gòu)。隨著浸泡時(shí)間的延長，在浸泡到3 d時(shí)，IF-NA納米顆粒數(shù)量逐漸增多。在浸泡7 d后，納米管表面被大量的晶體結(jié)構(gòu)所覆蓋，納米管陣列樣形貌不再清晰。納米晶體結(jié)構(gòu)覆蓋下納米管樣結(jié)構(gòu)仍具有完整的管壁特征，提示新生成的晶體顆粒覆蓋在原有納米管表面。見圖2。去離子水環(huán)境下多重納米陣列種植體涂層穩(wěn)定性變化制備示意圖見圖3。

圖2 IF-NA為經(jīng)過去離子水浸泡0 d、1 d、3 d、7 d后形貌變化后納米陣列的管口形貌圖

圖3 去離子水環(huán)境下多重納米陣列種植體涂層穩(wěn)定性變化制備示意圖(A為電化學(xué)反應(yīng)下離子分布；B為管內(nèi)pH值的分布；C為不同區(qū)域溶解性的不同；D為去離子水后管壁形貌變化)

3 討論

陽極氧化是一種種植體涂層改性技術(shù)，可提高種植體與周圍骨組織的生物相容性，被廣泛應(yīng)用于修復(fù)牙列缺失和缺損。陽極氧化形成納米陣列樣的獨(dú)特形貌被證明具有良好的生物活性[9]，但是關(guān)于上述結(jié)構(gòu)在富水環(huán)境下穩(wěn)定性的相關(guān)研究報(bào)道較少。本研究初步探討了IF-NA在水環(huán)境下的宏觀和微觀形貌的改變。

體式顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，剛制備好的陽極氧化鈦片顏色為灰褐色，這與Palma等[10]研究結(jié)果相符。隨著在富水環(huán)境中浸泡時(shí)間的延長，鈦片表面顏色轉(zhuǎn)變?yōu)榘谆疑@提示新生成結(jié)構(gòu)改變了材料表面的折射和反射特性。為了深入研究TiO2納米陣列在水溶液發(fā)生的微觀形貌變化，本研究應(yīng)用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，常規(guī)陽極氧化處理得到納米管陣列樣結(jié)構(gòu)，在富水環(huán)境下浸泡1 d后，表面開始出現(xiàn)100 nm大小的針形顆粒樣結(jié)構(gòu)；隨著浸泡時(shí)間的延長，更多的顆粒覆蓋于納米管上，形成了“花環(huán)”樣結(jié)構(gòu)；浸泡7 d時(shí)最終封閉下方的納米管口。

陽極氧化反應(yīng)基礎(chǔ)變化是在金屬表面生成一層致密的氧化層薄膜。在直流電壓下，陽極的純鈦會(huì)在表面生成一層極為致密均勻的氧化層(TiO2)，隨著陽極氧化時(shí)間的延長，氧化層的厚度會(huì)逐漸增厚，在氧化膜生成的同時(shí)，氧化膜在酸性含氟電解液中發(fā)生化學(xué)溶解，形成大量隨機(jī)的孔洞；而當(dāng)初始孔洞形成后將重復(fù)完成上述電化學(xué)反應(yīng)，由于孔洞底部的pH值較低、電流密度較大，所以其溶解速度大；而表面的pH值較高、電流密度較低，所以溶解速度小。這使得納米孔洞進(jìn)一步向內(nèi)部生長為規(guī)則的納米管狀結(jié)構(gòu)[1，3]。上述變化過程氟離子吸引在納米管深處，與鈦元素結(jié)合能力強(qiáng)[11-12]。筆者推測(cè)，殘留氟化物可能潛在腐蝕TiO2納米管，溶解形成的含鈦化合物再次結(jié)晶附著在納米管表面形成了大量的納米顆粒，但相關(guān)猜想亟需進(jìn)一步研究證實(shí)。種植體的應(yīng)用環(huán)境是富水的環(huán)境，體內(nèi)環(huán)境會(huì)被大量的血液和組織液包繞，上述變化改變涂層表面形貌對(duì)于成骨效果存在潛在影響。

綜上所述，純鈦表面陽極氧化涂層在富水環(huán)境中穩(wěn)定性較差，臨床上種植體表面陽極氧化技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)充分考慮到富水環(huán)境下穩(wěn)定性所帶來的影響。