骨科钛板表面TiO2纳米管阵列的制备和结构表征

黄少斌 王万明 肖杰

350025福州，福建医科大学福总临床医学院（黄少斌）；350025福州，南京军区福州总医院骨二科（王万明、肖杰）

骨科钛板表面TiO2纳米管阵列的制备和结构表征

黄少斌 王万明 肖杰

350025福州，福建医科大学福总临床医学院（黄少斌）；350025福州，南京军区福州总医院骨二科（王万明、肖杰）

目的在骨科钛板表面制备TiO2纳米管阵列，并对其表征，为骨科内植物表面修饰或涂层提供载体，也为防治骨科内植物感染寻求一新途径。方法利用阳极氧化法，以甘油体系为电解液，骨科临床钛板为阳极，铂电极为阴极，通过调整一定的参数，在骨科钛板表面制备TiO2纳米管阵列，并对其表征。利用X射线光电子能谱仪（XPS）分析纳米管元素组成，并通过X射线衍射仪（XRD）观察其在300℃高温下形态是否变化。结果以甘油体系为电解液，使用阳极氧化法24 h可在骨科临床钛板表面制备出管径为100～200 nm、管长在3 μm以内的TiO2纳米管阵列。宏观直视下可见骨科钛板表面由银白色变为深蓝色。XPS分析骨科钛板表面的TiO2纳米管阵列主要由Ti元素（75.88%）、O元素（20.16%）和F元素（3.96%）组成。此外，经马弗炉加温至300℃的TiO2纳米管阵列形态稳定。结论利用阳极氧化法可制备出表面均匀的TiO2纳米管阵列。该阵列形态稳定，内部中空状，底部封闭，具有较大的比表面积，且可耐受高温，可为骨科内植物表面修饰或涂层提供载体。

骨科钛板；制备；纳米管阵列；结构表征

Fund program:Fujian Province Science and Technology Project(2013Y5007);National Natural Science Foundation of Fujian(2014J01369)

0 引言

在骨外科学众多术后并发症中，内植物感染仍是临床医生最惧怕的问题[1]。相关文献指出，骨科内植物感染是因为浮游致病菌在植入物表面黏附或种植，进而形成细菌生物膜[2]。细菌在植入物表面的黏附是细菌生物膜构成的首要环节，也是植入物感染的主力要素[3]。经过对骨科植入物表面进行修饰或改性，就可有效抑制致病菌在其表面黏附或种植。工业上对钛板表面的改性包括化学热处理、表面涂层和非金属涂层技术等[4]。通过这些方法可在植入物表面形成带抗生素（万古霉素、庆大霉素等）、抗菌活性物质（无机金属如银、铜、锌等，壳聚糖或衍生物）、消毒类抗菌剂（双氧水、洗必泰、氯二甲苯酚）和抗黏附聚合物的涂层，但这些涂层在体外实验及临床应用中并未达到预期效果[5]。

近年来，在骨科常用的内植物表面制备TiO2纳米管阵列是国内外研究的热点。纳米管是一种径向、轴向尺寸为纳米级别，底部封闭的无缝隙管状结构。TiO2纳米管阵列具有比表面积大、排列整齐的多孔结构，且底端封闭，可作为吸附药物及其他物质的良好载体，同时还可通过调控纳米管的各项参数来实现特异性药物释放[6]。Hu等[7]通过电沉积方法将银离子复合至TiO2纳米管阵列表面，发现其对铜绿假单胞杆菌的抗菌活性明显增强，且未发现其对成骨细胞的增殖及分化有不利影响。Shirai等[8]通过在骨科内植物表面构建TiO2纳米管阵列作为碘的药物缓释系统，治疗临床上的植入物感染。张巍等[9]利用氢氟酸为电解液在骨科钛板表面构建TiO2纳米管阵列，并通过浸泡法在其表面置入抗生素（万古霉素、妥布霉素等），发现其可明显减少金黄色葡萄球菌的黏附。因此，本研究尝试在骨科钛板表面制备TiO2纳米管并对其表征，为骨科内植物表面修饰或涂层提供载体及研发新的抗感染植入物提供新途径。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

氢氟酸（北京新顺通化学试剂有限公司），无水乙醇（江苏成越试剂有限公司），丙酮（南京化工有限公司），硝酸（天津化学试剂厂），双蒸水（安徽建龙试剂有限公司），甘油（合肥生物化学试剂公司），骨科钛板（厦门大博医疗器械有限公司）。

TNDCSVC7-20KVA稳压电源（广东天德医疗器械有限公司），CDF-101D集热式恒温磁力搅拌器（广东顺源医疗器械厂），JP-010T超声清洗器（山东广运医疗器械有限公司），JSM-7610F扫描电镜（德国FTA公司），ESCALAB250 X射线衍射仪（X-ray diffractomer,XRD）（日本日立公司），Xpertpro MPD X射线光电子能谱仪（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）（荷兰Philips公司）。

1.2 方法

1.2.1 钛板的预处理

将骨科临床使用的钛板（4.5 cm×1.0 cm×0.6 cm），以每4个孔为距离裁剪，工作面积为1.0 cm×1.0 cm，依次分别使用1000#、3000#、5000#磨砂的金相纸反复打磨，直至在普通扫描电镜下观察可见其表面平整、无凹陷和划痕。然后，将打磨过的钛板放入氢氟酸及硝酸的混合液（体积比为1∶3）浸泡30 s，除去原有的杂质及氧化层，再依次用无水乙醇、丙酮、双蒸水进行超声清洗20 min后，取出烘干备用。

1.2.2 钛板表面TiO2纳米管阵列的制备

采用甘油体系[10]，将10 ml去离子水加入90 ml甘油溶液里，用其，配置质量分数为0.5%NH4F的甘油体系，并置于搅拌器内搅拌5 min后取出。将配置好的电解液置入集热式恒温磁力搅拌器，以预处理过的钛板为阳极，铂电极为阴极。两电极分别卡入容器上方的硅胶板内，其中钛板与稳压电源的阳极连接，铂片与稳压电源的阴极连接。电解液均没过两电极工作范围，电极间隔为2cm。调整温度为20℃，转速为130次/min，电压为40 V。阳极氧化24 h后，将钛板取出，用大量去离子水冲洗，再用超声清洗器震荡10 min，取出烘干备用。

1.2.3 钛板表面TiO2纳米管阵列的表征

将样品裁剪成1 cm×0.5 cm置于扫描电镜下观察形态，正位测量其管径，侧位测量其管长。测量完毕后，将该钛板置入马弗炉加热至300℃后取出，通过XRD观察其在300℃高温下形态是否变化。最后用刀片刮下样品表面氧化层，碾碎成粉末，用XPS分析其元素组成。

2 结果

2.1 宏观直视下钛板表面颜色变化

将2块裁剪过的骨科临床钛板，经不同型号的金相纸反复抛光、打磨及放入混合液浸泡后，将其中一块于甘油体系内阳极氧化24 h，取出晾干后，肉眼观察钛板表面颜色变化。图1A显示经预处理后的钛板，去除了表面杂质及原有氧化层，为银白色；图1B为经阳极氧化24 h的钛板，表面为均一的深蓝色，氧化层较厚，无裂隙。

2.2 扫描电镜下钛板表面TiO2纳米管阵列的形态学观察

将预处理后及阳极氧化24 h的钛板分别置于扫描电镜下观察，结果发现：预处理后的钛板表面光滑，未见纳米管阵列，有少量散在杂质（图2A）；阳极氧化24 h的钛板从正位可见大片状纳米管阵列形成，成蜂巢样，局部均匀，管径约为100 nm且纳米管紧密相连（图2B）；侧位可见纳米管呈树丛样形态，紧密相连，管长约为3 μm（图2C）。

2.3 X射线衍射仪分析

将氧化24 h的TiO2纳米管阵列经马弗炉加温至300℃后，行XRD分析，结果如图3所示：紫线为未经加热的TiO2纳米管基底钛的衍射峰，提示为无定型状态；红线为经马弗炉加温至300℃时的锐钛矿型衍射峰，提示TiO2纳米管由无定型状态转变为锐钛矿型晶型。锐钛矿型是TiO2在自然界存在的晶体结构形式，其结构稳定，耐高温。进一步表明钛板表面的TiO2纳米管阵列不会因高温而发生形态改变，为临床高温消毒提供理论依据。

2.4 X射线光电子能谱仪分析

分别刮取钛板表面氧化层行XPS分析，由图4可知：预处理后的钛板表面主要为Ti元素（98.2%）及少量的O元素（1.8%），这意味着经过浸泡的样品表面仍有微量氧化层；阳极氧化24 h形成的钛板表面TiO2纳米管的元素组成主要为O元素（20.16%）、Ti元素（75.88%）及少量的F元素（3.96%），表明钛板表面的深蓝色氧化层由TiO2纳米管阵列构成。

3 讨论与结论

纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内或由它们作为基本单元构成的材料；纳米管是“纳米材料”的一种存在形式，纳米管是一种径向、轴向尺寸为纳米级别，底部封闭的无缝隙管状结构[11]。Chung等[12]尝试把庆大霉素或替考拉宁置于聚DL-乳酸（PDLLA）克氏针上，在5×106CFU/ml的金黄色葡萄球菌悬液中吸附的细菌数量较裸露的不锈钢或钛合金克氏针明显减少（P＜0.01）。但该类方法并不能从根本上解决致病菌在钛板表面的黏附和种植。在国外，通过在钛板表面构建纳米管阵列作为载体，治疗内植物感染取得了很好的效果。Su等[13]把庆大霉素通过冻干法复合在TiO2纳米管阵列内，在体外实验中明显抑制了细菌的黏附及种植，且对成骨前体细胞（MCT3T）的黏附、增殖和分化均无影响。表明TiO2纳米管阵列是一个良好的载体，符合药物释放涂层的要求。

图2 扫描电镜下钛板表面TiO2纳米管阵列的形态（×10 000）

图4X射线光电子能谱仪分析曲线图

本研究运用阳极氧化的原理，调整相关参数，制备了TiO2纳米管，该法具有操作简单、投资成本少、制出的纳米管均匀等优点。工业上制备纳米管的方法较多，其中模板合成法和水热合成法也是制备TiO2纳米管的可行方法[14]。相比之下，阳极氧化法具有特定的优势，是目前较为流行且推行的制备TiO2纳米管的主要方法。该法以钛金属或其他金属为阳极，铂电极为阴极（石墨或其他惰性金属也可），两电极之间间隔2 cm以上，通过一系列复杂的化学反应，可形成纳米管。

本研究通过以甘油体系为电解液，采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列。该体系制出的纳米管表面均匀，形态稳定，管径约100 nm，管长约3 μm。张巍等[9]采用氢氟酸为电解液，氧化电压为20 V，制得的TiO2纳米管管径在50～100 nm，管长约2 μm。Shirai等[8]将在钛板表面制得的厚度为2～5 μm的管状结构充当载碘的载体。目前，对于何种管长、管径的纳米管适合充当载体并无统一标准，这可能与装载物的体积大小直接相关。相对来说本研究制得的TiO2纳米管具有较大的比表面积，适合作为药物释放缓释的载体。此外，电解液的成分构成和浓度主导着TiO2纳米管的形成及形态。

目前工艺上比较流行的是利用钛片作为阳极材料的钛基，但本研究利用的是骨科临床使用的钛板。与钛片相比，钛板更厚（为钛片的3～4倍）、更坚硬、表面更平滑。相关文献报道，不同材料的阳极金属，其元素组成及表面是否平整、清洁均会影响纳米管的形态及结构，甚至影响纳米管阵列的元素构成[15]。故本研究最首要的就是对钛板进行抛光、钝化，直至在普通扫描电镜下观察到其表面平整、无凹陷和划痕。

一个完整、形态规则、表面均匀的TiO2纳米管的制作，电解液的成分和电解质的浓度均是相关因素，但纳米管的管径和管长主要通过调控电压（V）、温度（T）及氧化时间（t）等工艺参数。本研究使用持续稳压电源提供氧化电压，范围可调控在0～60 V。相关研究指出，氧化电压过低，TiO2纳米管不能形成，而只能构成膜状，电镜下表现为多孔凹陷的平面；氧化电压过高，TiO2纳米管形成困难或不能形成，电镜下表现为海绵状的不规则平面[16]。在相同的氧化时间里，随着电压的变动，纳米管的长度也呈正向增长。当然电压的波动对纳米管的形态变化还跟电解液的性质有着密切关系，Lin等[17]发现随着电压的变化，在以水为电解液的氢氟酸体系里，纳米管的管长呈正比变化，但在无机电解液的体系里，纳米管的长度变化不大，因此本研究采取40 V电压作为甘油体系的氧化电压。TiO2纳米管的形成是电化学生长和溶解协同的结果，这两种化学变化主要受温度调控。随着温度升高到一定程度，电解液里的F-对阳极钛金属的腐蚀起主要作用，强于表面的电化学生长变化，这样就无法形成纳米管。当然若温度太低，将导致形成的纳米管管口内径偏大、管径短（＜10 nm），且在临床实验中，低温条件下的实验操作困难。目前，制备TiO2纳米管的温度一般控制在10～25℃，易于调控。

综上所述，钛板表面TiO2纳米管的制备是一个极其复杂的电化学反应过程，也是一个各项工艺参数及各种相关因素科学结合的过程，其形态结构（管径、管长）是多项因素左右的结果[18]，需调节好各项参数，才能制出完整、形态规则、表面均匀的TiO2纳米管。目前制得的纳米管管径、管长、壁厚只是一个粗略的范围，尚无法做出事先设计好的形态结构，这个仍需进一步探索实验。

利益冲突无

（图1、3见插页3-6）

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Preparation and structural characterization of TiO2nanotube arrays on surface of orthopaedic titanium plate

Huang Shaobin,Wang Wanming,Xiao Jie
Fujian Medical University Fuzhou General Clinical Medical College,Fuzhou 350025,China(Huang SB);Department of Orthopedics,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Region,Fuzhou 350025,China(Wang WM,Xiao J)

ObjectiveThe TiO2nanotube arrays,fabricated on the surface of orthopedics,was characterized, to provide carrier for orthopedics plant surface modification or coating,and seek a new way for the prevention and treatment of orthopedics plant infection.MethodsBy adjusting certain parameters,TiO2nanotube arrays were fabricated on orthopedic titanium plate surface using the method of anodic oxidation,with glycerol system as electrolyte,orthopedics titanium plate as anode,and platinum electrode as cathode.TiO2nanotube arrays were characterized.The element composition of TiO2nanotube arrays was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS),and the morphological changes of TiO2nanotube arrays was observed at high temperature(300℃)by X-ray diffractomer(XRD).ResultsWith glycerol system as electrolyte,TiO2nanotube array with diameter of about 100 to 200 nm and the length less than 3 μm can be fabricated on orthopedic titanium plate surface using anodic oxidation of 24 h.The surface of orthopedic titanium plate was changed from silver white to deep blue in the macroscopic view. The TiO2nanotube array on orthopedics titanium plate surface was mainly composed of Ti element(75.88%),O element(20.16%),and F element(3.96%)by XPS analysis.TiO2nanotube arrays morphology was stable when it was heated to 300℃by muffle furnace.Conclusions The method of anodic oxidation can be applied to manufacture TiO2nanotubes array on titanium plate surface.The array with stable morphology,the inner hollow shape,the bottom sealing,and a large specific surface area,can withstand high temperature,which can provide carrier for orthopedics plant surface modification or coating.

Orthopaedic titanium plate;Preparation;Nanotube arrays;Structural characterization

王万明，Email：aashaohuang@163.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．03．007

福建省科技计划项目（2013Y5007）；福建省自然科学基金（2014J01369）Corresponding author:Wang Wanming,Email:aashaohuang@163.com

2016-03-31）