使钛与骨易结合的热处理方法

使钛与骨易结合的热处理方法

植入骨盆的人工股关节表面覆有金属壳，为了促使其与骨更好的结合，需要在金属壳表面进行钛粉末的等离子喷镀处理。而赋予纯钛生物活性的研究已有许多，例如在空气中对纯钛进行热处理，使其表面氧化从而在模拟体液中易生成羟基磷灰石。但这种情况下得到的羟基磷灰石的形成能不太高，因此有必要再进行紫外线照射处理，以使其表面具有电荷，提高羟基磷灰石的形成能。基于这种想法，研究人员拟通过简便的氧氮化处理方法以提高纯钛的生物活性。

在严格控制氧分压的氮气中(氧分压PO=10－18～104Pa的N2气氛)进行纯钛的热处理。例如氮气纯度为99.999 95%，其中PO仅为10 Pa，在该实验中使用氧泵使氮气中的氧分压进一步减少至10－14Pa和10－18Pa。另外，采用空气的时候PO=104Pa。经过热处理的纯钛表面进行X射线衍射、XPS及Zeta电位的测定。结果表明，PO=104Pa以及PO=10－14Pa时，表面均生成了金红石型氧化钛薄膜，但PO=10－18Pa时，还有氮化钛生成。N1s的XPS谱图表明，当PO为104Pa时结合能为400 eV，可确认其为吸附氮，而PO=10－14Pa，结合能为402 eV，可确认其为间隙氮，即在氧化钛晶格间存在有氮。O1s的XPS谱图表明，与PO=104Pa(空气中)相比，PO=10－14Pa时其结合能向低能方向移动，表明在氧化钛中存在氧空位。Zeta电位测试结果表明，PO=10－14Pa时，Zeta电位为+20 mV，而PO为104Pa时，Zeta电位近乎为0。可见在PO=10－14Pa条件下氧氮化处理的纯钛最表面具有带正电荷的氧空位存在，其下为带负电荷的晶格间氮。

为了研究经氧氮化处理的纯钛的生物活性，将其浸渍在摸模拟体液(SBF)中进行表面生成羟基磷灰石的评价。结果表明，在含极微量氧的氮气氛中处理的纯钛，其表面具有前所未有的羟基磷灰石形成能，而且这种钛在空气中保存3个月后仍然具有高的羟基磷灰石形成能。

研究人员又用二次离子质谱仪(ToF-SIMS)解析了纯钛表面羟基磷灰石的形成过程。根据浸渍在SBF中钛表面钙及磷吸着量随时间的变化量得知，首先是磷离子在表面附近被吸附，然后是钙离子进入，再随着浸渍时间延长其磷和钙逐渐按化学当量值形成羟基磷灰石。由此可见，羟基磷灰石形成能提高的原因之一是纯钛经氧氮化处理后，氧化钛表面附近伴有固溶氮，表面附近就存在氧空位，表面就带正电荷。因此首先吸引了P的负离子，继而Ca正离子跟进，促进了羟基磷灰石的形成。今后还将进行细胞培养试验及动物试验，以进行骨形成能的进一步研究。

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.02.015

吴全兴摘译自《チタン》