孙嘉懋,付涛,张耀仁
(西安交通大学生命科学与技术学院,陕西西安 710049)
骨质疏松症是一种高发病率的老年性疾病。体内体外研究表明,锶能够提高骨强度和降低骨吸收,补充适度剂量的锶有助于预防和治疗骨质疏松骨折[1-2]。在金属植入体表面制备含锶的生物陶瓷涂层,通过锶离子的逐步释放,可以促进早期骨形成和增强植入体-骨组织的界面结合[3-6]。当前在钛及钛合金表面制备含锶生物陶瓷涂层的方法有:通过酸蚀-水热处理和离子交换制备载有Sr/Mg离子的钛酸盐薄膜[3],通过微弧氧化-碱液处理和离子交换制备含锶的多级结构表面层[4],通过微弧氧化-水热处理制备掺锶的羟基磷灰石纳米柱薄膜[5],通过阳极氧化-水热处理制备钛酸锶纳米管薄膜[6],通过水热处理制备钛酸锶纳米薄膜[7]等。其中,水热方法具有易于操作、处理温度较低、可以合成多种纳米晶体等优点。
Ti6Al4V合金具有良好的力学性能和较好的耐蚀性,广泛用于制造各类骨科植入体,但是它在体内会因腐蚀而释放对人体有害的铝、钒离子。在Ti6Al4V合金表面涂覆二氧化钛、氮化钛、羟基磷灰石等生物陶瓷涂层[8-11],可以提高其耐蚀性,改善生物相容性及生物活性。本研究采用水热法在Ti6Al4V合金表面制备钛酸锶薄膜,研究了薄膜的显微结构、化学成分、耐蚀性和附着性。
采用水砂纸把 Ti6Al4V合金片(9×12×2 mm3)逐级磨光至1200号,用丙酮、乙醇和纯水超声清洗后晾干。采用纯水配制含有1.0M NaOH和0.125M Sr(NO3)2的混合溶液[12]。把混合溶液和磨光的合金试样加入到聚四氟乙烯内衬的水热釜中,填充率80%,密闭和180°C下分别水热处理1、3、6 h得到试样 HS1 h、HS3 h、HS6 h(见表 1)。为了研究薄膜的形成机理,采用1M NaOH溶液对合金试样进行水热处理,得到试样HN3 h。反应结束后取出试样,用纯水浸洗几次,晾干。
表1 Ti6Al4V试样的水热溶液和处理时间Table 1 Hydrothermal solution and treatment duration of the Ti6Al4V samples
采用 X射线衍射(XRD,CuKα,X’Pert PRO)分析试样表面的相结构。采用扫描电镜(SEM,FEI Quanta 600F)和电子能谱(EDX)分析试样的表面形貌和元素组成,采用 X射线光电子能谱(XPS,AlKα,VG K-Alpha)分析试样表面的元素组成和结合状态。
采用显微硬度计(HVS-1000,载荷25 gf)评价试样的力学性能。采用电化学工作站(CS150,CorrTest)测量试样在无钙Hank’s平衡盐液(NaCl 8.00 g/L,KCl 0.40 g/L,NaHCO30.34 g/L,KH2PO40.06 g/L,Na2HPO4*12H2O 0.12 g/L)中的动电位极化曲线,评价其耐蚀性。其中,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,铂电极为辅助电极。此外,采用上海辰华CHI 650E电化学工作站进行电化学阻抗测试,测试条件为:初始电位0V,频率范围10-2~105Hz,幅度 5 mV,静息时间 2 s。
对水热处理1、3、6 h的Ti6Al4V试样进行XRD分析,除了基体的衍射峰外,还检测到SrTiO3的衍射峰(见图1)。与试样HS1 h相比,试样HS3 h和HS6 h在2θ=32.2°处的钛酸锶(110)峰较窄,表明后两者薄膜的结晶度较高。三个试样表面都形成了一层由纳米颗粒组成的薄膜,颗粒尺寸80~230 nm(见图2a-c)。与试样HS1 h相比,试样HS3 h和HS6 h表面的颗粒更为致密,也反映了后两者薄膜的结晶度较高。X射线能谱分析表明,试样表面含有基体的钛、铝、钒和薄膜的锶、氧元素(见图3)。
为了研究钛酸锶薄膜的形成机理,采用1M NaOH溶液对Ti6Al4V合金进行水热处理,得到试样HN3 h,其表面形成了钛酸钠的纳米纤维和纳米片状结构(见图2d)。因此,Ti6Al4V合金在NaOH和Sr(NO3)2混合溶液中水热反应时,试样表面的钛原子先与热的碱溶液反应生成钛酸钠的纳米结构薄膜,而后钛酸钠与溶液中的锶离子反应生成钛酸锶晶体。由于钛酸锶不溶于碱液,试样亚表面的钛原子不能参与反应,因此,钛酸锶薄膜的厚度难于继续增加。
图1 Ti6Al4V试样的XRD谱Fig 1 XRD patterns of Ti6Al4V samples(a).HS1h;(b).HS3h;(c).HS6h
对水热处理试样HS3 h进行XPS分析,各元素的高倍谱见图4。Ti 2p和Sr 3d谱表明,试样表面的钛和锶分别以钛酸盐、锶盐的形式存在[13]。Al 2p、V 2p谱在10 s离子溅射前后都较为平坦,表明试样表面的铝、钒元素含量很低。O 1s谱中结合能529.8/530.3 eV的峰来源于钛酸盐的氧,而高结合能处(532.1 eV)的峰与试样表面的吸附层和污染物有关[14]。经过离子溅射后,532.1 eV处的O 1s峰减弱,Ti 2p和Sr 3d峰增强,表明试样表面的吸附层和污染物被去除。
图2 Ti6Al4V试样的扫描电镜图Fig 2 SEM micrographs of Ti6Al4V samples:(a)HS1h,(b)HS3h,(c)HS6h,(d)HN3h
图3 水热处理试样HS6h的EDX谱Fig 3 EDX spectrum of the hydrothermally treated sample HS6h
在无钙Hank’s平衡盐液中采用动电位极化法和电化学阻抗法评价Ti6Al4V试样的耐蚀性(见图5)。在动电位极化实验中,水热处理试样HS3 h的腐蚀电流(Icorr)与抛光试样相当,前者的腐蚀电位(Ecorr)略低于后者。抛光试样在阳极极化区的电流迅速增加,这与试样表面铝、钒元素的溶出有关;随后达到较为稳定的钝化态,维钝电流密度(Ipass)为2.289μA/cm2。水热处理试样HS3 h在钝化区的阳极电流密度随电位升高而缓慢增加,其击穿电位(Epit)也低于抛光试样,这可能与钛酸锶薄膜中仍含有少量铝、钒元素,而这些元素在阳极极化时逐渐被解离有关。水热处理试样在阳极极化区很快进入钝化态,其维钝电流密度远低于抛光试样,减幅在两个数量级以上(见表2),因此水热处理试样具有更好的耐蚀性。
抛光试样和水热处理试样HS3h的Nyquist图见图5b。可以看出两个试样的曲线都只有一个环,表明两者在所研究的频率范围内只有一个时间常数。因此,电极-电解质界面可以拟合为一个R-C并联的等效电路。电阻R可以看作是电荷通过钝化膜的阻力,因此它反映试样的耐腐蚀性能。电阻R可用曲线拟合的半圆的直径来表示。与抛光试样相比,水热处理试样在无钙Hank’s平衡盐液中的电阻降低了10倍以上(见表2),这也表明水热处理试样具有更好的耐蚀性。
前期工作中[15],我们采用显微硬度压入法评价了溶胶-凝胶法制备的含银TiO2薄膜的力学性能,这里尝试采用该方法评价水热处理试样HS3 h的力学性能。试样在压入后未出现钛酸锶薄膜的脱落或开裂(见图6),这表明钛酸锶纳米薄膜具有良好的附着性和内聚力。
图4 Ti6Al4V试样HS3h在溅射蚀刻10s前后的XPS谱Fig 4 XPS spectra of Ti6Al4V sample HS3h before(0 s)and after 10 s sputter etching:(a)Ti 2p,(b)Sr 3d,(c)Al 2p,(d)V 2p,(e)O 1s
图5 抛光和水热处理Ti6Al4V试样的(a)动电位极化曲线和(b)阻抗谱Nyquist曲线Fig 5 (a)Potentiodynamic polarization plots and(b)EISNyquist plots of the polished and the hydrothermally treated Ti6Al4V samples
表2 Ti6Al4V试样的腐蚀数据Table 2 Corrosion data of the Ti6Al4V samples
水热处理在Ti6Al4V合金表面形成了钛酸锶的纳米颗粒薄膜,颗粒尺寸80~230 nm,薄膜中含有极少量的铝和钒元素。电化学实验表明,钛酸锶薄膜改善了Ti6Al4V合金的耐蚀性。显微硬度压入测试表明,钛酸锶薄膜具有良好的附着性和内聚力。水热制备钛酸锶薄膜的方法可用于钛合金Ti6Al4V骨科植入体的表面改性。
图6 水热处理试样HS3h的压痕形貌Fig 6 Indent image of hydrothermally treated sample HS3h(test load 25 gf)