纯钛牙齿种植体生物活性的研究

卢世松，李玉海，蔡 倩

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

纯钛牙齿种植体生物活性的研究

卢世松，李玉海，蔡 倩

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

分别利用微弧氧化(MAO)和喷砂酸蚀(SLA)技术对纯钛表面进行预处理，再经碱热处理后置于模拟体液中培养，以对其生物活性予以评价。结果表明：经微弧氧化处理后的膜层主要由锐钛矿型的TiO2构成，其表面孔径均匀，孔隙率达到12%，而喷砂酸蚀处理后的表面更为粗糙，成分也较为复杂；经碱热处理的试样均表现出较好的亲水性；碱热处理后的试样置于模拟体液中培养14天后，表面均被生长出的类骨磷灰石完全覆盖，证明其具有良好的生物活性，且生长出的缺钙型磷灰石与人体自然骨成分相似，两种预处理方式对陶瓷层生物活性的影响差异不大。

微弧氧化；喷砂酸蚀；碱热处理；纯钛；生物活性

随着生物材料和临床技术的进步以及患者对义齿舒适性和美观需求的提高，口腔种植技术已成为修复牙列缺损与缺失的理想手段[1]。而口腔种植体的表面特性是直接影响界面的骨愈合速度、骨结合率、骨结合强度的关键因素，对种植体功能的正常发挥十分重要。钛及其合金因具有密度小、毒性低及优良的耐腐蚀性和相容性，已广泛应用于口腔修复领域。大量研究表明，对钛种植体表面进行改性，使其具有生物活性，从而促进成骨细胞早期附着，是使骨结合高效形成的有力手段之一[2]。

在钛表面处理技术中，微弧氧化(micro-arc oxidation，MAO)技术越来越受到人们的关注。它是采用较高的工作电压，将工作区域由阳极氧化法的法拉第区域引入高压放电区域，在金属表面原位生长一层致密陶瓷氧化膜的新技术。该技术可在钛金属表面原位生长致密的、与基体结合紧密的TiO2陶瓷氧化膜，其可诱导生成磷灰石，展现良好的生物活性[3]。

喷砂酸蚀(sandblast and acid-etching，SLA)表面处理技术是国际上最广泛的种植体表面处理技术之一，具有优良的机械和生物性能[4]。其特点在于喷砂后进行酸蚀处理，可清除掉残留在钛表面的喷砂颗粒，不但保留了喷砂形成的较大“凹面”，而且增加了酸蚀形成的较小“凹陷”；喷砂造成的凹陷能促进细胞在材料表面的停留，而酸蚀处理使植入体表面的砂坑深度增加，成骨细胞黏附增强，可达到类似于细胞性伪足的效果，出现细胞黏附现象[5]。

本实验分别采用微弧氧化和喷砂酸蚀工艺对纯钛试样进行表面预处理，再经碱热处理后置于模拟体液中培养，旨在比较两种处理方式对钛种植体生物活性的影响。

1 实验

1.1 实验材料

实验所用基体材料为纯钛，即TA2，其化学成分如表1所示。利用线切割把试样加工成15mm×10mm×1mm的长方体钛片，经砂纸磨光，去离子水和丙酮超声清洗。

表1 纯钛TA2的化学成分 wt.%

1.2 微弧氧化(MAO)工艺

微弧氧化电解液由0.08mol/L Na2HPO4和0.04mol/L KOH的混合溶液配置而成[6]，实验采用双向脉冲电源，负向电压固定为60V，正向电压400V，占空比60%，频率550Hz，氧化时间25min，将不锈钢板作为阴极，钛片作为阳极，微弧氧化过程中不断搅拌使电解液体系离子均匀。

氧化后试样先后用无水酒精和去离子水超声清洗，烘干后置5mol/L的NaOH溶液中，60℃下保温24h，最后晾干装入自封袋密闭保存备用。

1.3 喷砂酸蚀(SLA)工艺

喷砂阶段，压力调整为0.6MPa，采用150目砂粒，喷嘴与基片的距离保持在3cm左右，喷射方向与基片表面为90°角，喷砂处理时间为90s。

酸蚀阶段，首先配置酸溶液，由体积分数为60%的硫酸和10%的盐酸按照体积比1∶1混合配置H2SO4/HCL混合溶液，而后在水浴锅内保温至75℃。将体积分数4%的HF与10%HNO3按照体积比1∶1的比例配置出HF/HNO3混合酸溶液。取喷砂后的试样经HF/HNO3溶液腐蚀1min后置于H2SO4/HCL溶液腐蚀30min。样品在处理后经过去离子水、无水乙醇超声清洗5min，并反复3次，以彻底清除酸溶液残留。

处理后的试样，置于5mol/L的NaOH溶液中，60℃下保温24h，最后晾干装入自封袋密闭保存备用。

1.4 润湿性测试

润湿性实验采用由水滴直径测量接触角的方法进行[7]。先在试样表面滴一小滴水，然后用数码相机拍摄，用直尺量图片上的高和直径，再用公式计算。假使水滴在表面呈球冠形，通过球冠体积公式可以算出水滴与试样表面的接触角。如图1所示，O为球冠的球心，球的半径为R，θ为水滴面与试样表面的接触角，水滴与试样接触面的直径AB为d，半径AD为d/2，水滴的高DC为h。可以算得，θ=2arctan(2h/d)。

1.5 模拟体液的配制

配置1L模拟体液(Simulated body fluid，SBF)，其配方如表2所示[8]。

图1 试样表面上水滴的球冠示意图

表2 模拟体液配方(pH=7.25)g/L

碱化后的试样置于模拟体液中，并保持恒温(37±0.5)℃，每两天换一次模拟体液，分别培养7天和14天，使植入体表面生长钙磷物质。

1.6 分析检测

用Image-Pro plus 6.0软件计算膜层的孔隙率；试样表面及后期生长物质的形貌利用S-3400N型扫描电子显微镜进行观察，并利用其自带的能谱分析仪对表面元素进行分析；相组成利用日本理学UItima Ⅳ型X射线衍射仪进行分析。

2 结果与讨论

2.1 经MAO和SLA预处理后的试样表面显微结构

经两种方式预处理后的试样表面形貌及衍射图谱如图2所示。

通过图2a可以观察到微弧氧化后膜层表面较平整且无裂纹，其上具有类似火山口的细小微孔，微孔直径分布均匀,经软件测得其孔隙率达12%。通过图2b可以观察到经喷砂酸蚀后表面没有任何孔洞，但其形状极不规则且凹凸不平。MAO和SLA两种预处理方式都在一定程度上增大了试样表面粗糙度，从而增大了其表面积。

图2 预处理后的纯钛表面显微结构图

由图2c与图2d可以看出，各衍射峰尖锐，说明体系结晶度较好，其中Ti的衍射峰来自基体。从衍射峰的强度来看，MAO陶瓷层主要由锐钛矿型TiO2组成，而SLA陶瓷层除锐钛矿型TiO2外，还有板钛矿型TiO2及其它种类钛的氧化物。锐钛矿型TiO2的表面富含Ti-OH基团而带有微弱的负电荷，可通过静电力吸引钙离子、通过氢键吸附磷酸根离子，这将有利于提高膜层表面的过饱和度并促进磷酸钙的异质形核，有较强的诱导类骨磷灰石形成的作用[9]。

2.2 碱热处理后陶瓷层的润湿性

试样表面的润湿性对其生物活性有重要影响。因为润湿性越好，体液的铺展渗润性就越好，分子间反应面积越大，蛋白和细胞在材料表面的接触机会越多。而溶液与膜层间的接触角则是判定膜层润湿性优劣的一个标准。

本实验将碱热处理后的试样置于黑暗密闭环境中不同天数，观察陶瓷层与模拟体液(SBF)的接触角变化。实验结果如图3所示。

图3 陶瓷层与模拟体液的接触角变化

图3a为微弧氧化-碱热处理后的陶瓷层与SBF的接触角变化，可以看到模拟体液在最初24h内完全铺展在陶瓷层表面，接触角为0°。而后接触角随试样静置时间延长逐渐变大，到第四周时，角度趋于稳定，模拟体液与陶瓷层接触角保持在65°～75°之间；图3b中喷砂酸蚀-碱热处理后的陶瓷层与SBF的接触角变化也遵循此规律，四周后接触角保持在50°上下。接触角在90°以下，即可称之为亲水性材料；接触角在10°～80°之间的表面属于中等润湿表面，研究认为细胞在中等润湿的材料表面黏附能力最强[10]。

接触角逐渐增大，是因为在自然干燥的环境中，碱热处理后生成的钛酸钠水凝胶逐渐失水，形成无定形钛酸钠层，进而负电荷逐步减少，亲水性能逐步降低。四周后，微弧氧化-碱热处理后的陶瓷层与SBF的接触角大于喷砂酸蚀-碱热处理后的陶瓷层与SBF的接触角，可能与喷砂酸蚀后陶瓷层表面形态有关。喷砂酸蚀后陶瓷层比微弧氧化后的陶瓷层粗糙，较大的表面积为SBF提供了良好的流动空间，故SBF在其上铺展能力较强。

2.3 碱热处理后陶瓷层的生物活性

模拟体液(SBF)的离子浓度与人体血浆极其相近，体外模拟结果与体内结果有较好的吻合性，已经成为材料生物活性的评价标准。本实验将碱热处理后的试样各分两组，在SBF中分别培养7天和14天，每两天更换一次模拟体液，通过观察其表面有无生成磷灰石及其成分来检验其生物活性。

2.3.1 培养后的表面形貌及相组成分析

图4为培养后试样陶瓷层的表面扫描图像(SEM)。图4a中，MAO试样的膜层培养7天后，在“火山口”周围出现了白色的、长有微小“绒毛”的物质。由图4c可以观察到，浸泡14天后，“火山口”及微裂纹消失，被球状堆积物完全覆盖。

图4c和图4d为SLA试样置于模拟体液中培养7天和14天后的陶瓷层表面SEM图像。由图4c和图4d可以看到，新的物质沿着陶瓷层的裂纹、凸起等位置生成并长大，也由最初的细小“绒毛”状物质长大成为球状堆积物，并完全覆盖原有表面。

初步推测这些球状堆积物质均为类骨磷灰石，说明无论微弧氧化还是喷砂酸蚀后的试样，经碱热处理后生物活性得到改善，即碱热处理后陶瓷层诱导磷灰石形成的能力增强。

图4 培养不同天数后的陶瓷层表面形貌

图5为培养不同天数后，表面沉积物的X射线衍射图谱(XRD)。由图5a观察到，微弧氧化-碱热处理后的试样培养7天后，表面并无任何新相产生；培养14天后，XRD图谱出现了大量羟基磷灰石的衍射峰，证明膜层上已长出并覆盖了结晶态的羟基磷灰石，其生物活性是优秀的。图5b中，喷砂酸蚀-碱热处理后的试样，在SBF中浸泡也遵循此规律：培养7天后，表面无新的物相出现；培养14天后，可看到羟基磷灰石衍射峰的出现。

图5 培养不同天数后表面沉积物的XRD图谱

材料表面几何形貌对晶核的形成起重要作用。气孔、凹陷及晶粒界面等区域能够阻碍体液的流动和离子的扩散，保持较高的钙磷离子局域浓度，所以能较快地达到成核阙值，同时，这些部位也提供了成核位点，有利于表面晶核形成。局域离子浓度不但对晶核形成和长大有较大影响，对晶核形貌也会产生较大影响。在长大过程中，晶核会从周围环境中吸附离子而生长，因而每一个晶体需向远离表面区域延伸才能获得更充足的离子，即向离开表面方向生长，所以会有针状、棒状、片状直至球状的生长现象，直至最后覆盖整个陶瓷层表面[12]。

本实验中，浸泡14天后陶瓷表面物质呈堆积球状，这表明羟基磷灰石已由二维生长发展至三维，可见陶瓷层生物活性是比较优秀的；生长速度及生长质量表明两种预处理方式对陶瓷层生物活性的影响差异不大。

2.3.2 培养后的表面元素成分分析

图6～图9分别为碱热处理后的MAO陶瓷层与SLA陶瓷层在SBF中培养7天和14天后的能谱分析。通过观察发现，培养7天后，在绒毛状的物质中已检测出Ca、P元素，但Ti元素含量仍然很高；培养14天后，Ca、P元素含量增大，Ti元素完全消失，相应的扫描图像(图4c、图4d)也很好地印证了这点。

图6 碱热处理后的微弧氧化陶瓷层在SBF中培养7天的能谱分析图

图7 碱热处理后的微弧氧化陶瓷层在SBF中培养14天的能谱分析图

图8 碱热处理后的喷砂酸蚀陶瓷层在SBF中培养7天的能谱分析图

图9 碱热处理后的喷砂酸蚀陶瓷层在SBF中培养14天的能谱分析图

表3 碱热处理后的陶瓷层置于模拟体液培养不同天数后的表面元素组成 at.%

3 结论

(1)经微弧氧化处理后的膜层主要由锐钛矿型的TiO2构成，其表面孔径均匀，孔隙率达到12%；而喷砂酸蚀处理后的试样表面更为粗糙，成分也较为复杂。

(2)经两种预处理方式加工过的纯钛表面在碱热处理后表现出较好的亲水性，且属于中等润湿材料，有利于成骨细胞的黏附。

(3)碱热处理后的陶瓷层置于模拟体液中培养14天，表面即被生长出的类骨磷灰石完全覆盖，证明其具有良好的生物活性；生长出的缺钙型磷灰石与人体自然骨成分相似，两种预处理方式对陶瓷层生物活性的影响差异不大。

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StudiesonBiologicalActivitiesofPureTitaniumDentalImplant

LU Shisong,LI Yuhai,CAI Qian

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The ceramic layers were prepared on pure titanium substrate by MAO(micro-arc oxidation)and SLA(sandblasting with large grit followed by acid etching)pretreatment respectively,and then the ceramic layers after alkali-heat treatment were trained in SBF(simulated body fluid) for their bioactivity evaluation.The results showed that:The MAO ceramic coating was mainly composed of anatase TiO2,and the porosity of the coating which with uniform porous structure reached 12%,while the SLA surface was more rough and its composition was also more complex;As a result of the wetting angles with SBF,the ceramic layers treated by alkali-heat method showed good hydrophilic;The ceramic layers treated by alkali-heat method were completely covered by bone-like apatite when they were cultured in SBF for 14 days,and the calcium deficiency apatite grew on the coating which with perfect bioactivity was similar to the human bone in composition,but both of the pretreatments had insignificant influence on the bioactivity of the ceramic layers.

micro-arc oxidation;sandblast and acid-etching;alkali-heat treatment;pure titanium;bioactivity

2013-11-05

沈阳市科技计划项目(F12268400)

卢世松(1986—)，男，硕士研究生；通讯作者：李玉海(1962—)，男，教授，博士，研究方向：金属材料表面改性处理.

1003-1251(2014)04-0014-07

TG146.23

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赵丽琴)