渗氮316L不锈钢的结构和血液相容性*

罗狄锋，张帆，付涛△，韩生兰，吴锋

(1.西安交通大学生命科学与技术学院生物医学信息工程教育部重点实验室，西安 710049；2.广东顺德西安交通大学研究院，广东 佛山 528300；3西安交通大学医学院，西安 710061)

1 引 言

316L不锈钢具有良好的力学性能、成型性和较好的耐蚀性，广泛用于制造接骨板、心血管支架、心脏起搏器等外科植入物。TiO2薄膜具有良好的耐蚀性和生物相容性，常用于不锈钢及其它医用金属的表面改性[1-3]。溶胶-凝胶制备TiO2薄膜的方法，可以很好地控制膜层的成分、厚度和表面形貌，并且操作较为简便。

渗氮是一种工业化的不锈钢表面强化方法。渗氮处理在奥氏体不锈钢表面形成过饱和的氮固溶体，即S相，可以改善其耐蚀性、表面强度和耐磨性。渗氮层对不锈钢亲水性和血液相容性的影响鲜有报道[4]。本研究以抛光不锈钢和溶胶-凝胶TiO2涂层试样为对照，研究了等离子体渗氮316L不锈钢的显微结构、亲水性、在生理溶液中的耐蚀性和血液相容性。

2 实验

2.1 试样制备

采用水砂纸把尺寸10 mm×10 mm×1.5 mm的316L不锈钢片逐级磨光到2500号，依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，空气中干燥。采用文献[5]的方法制备TiO2溶胶，含有17.02 g钛酸丁酯、5.26 g二乙醇胺、61.04 g乙醇和0.90 g去离子水。采用浸涂法在磨光的不锈钢片上涂覆TiO2膜层，提拉速度2 mm/s。涂层试样在空气中干燥后，在箱式电阻炉中400℃处理10 min和500℃处理10 min，升温速度10℃/min。在脉冲直流等离子体氮化炉(电压0～1 000 V，频率1 kHz)中，对磨光的不锈钢片溅射清洗后进行氮化，其中氮气和氢气的流量比1∶3，气压100 Pa，温度450℃，时间2 h。

2.2 分析测试

采用扫描电镜(SEM, FEI Quanta 600F)观察试样的表面形貌，采用轮廓仪(Mitutoyo SurfTest SJ-201)测量试样的表面粗糙度，采用X射线衍射(XRD, CuK, Rigaku D/MAX-2400)分析试样表面的相组成。在电化学工作站(Corrtest CS150)上测量试样的动电位极化曲线，电解液为无钙的Hank’s平衡盐液。采用接触角测量仪分别测量5 μl去离子水和乙二醇在试样表面的接触角，根据文献[6-7]的方法计算试样的表面能γs以及试样与纯水、血液、纤维蛋白原和白蛋白的界面张力γsbc。按照文献[8]的方法进行溶血实验和血小板黏附功能实验，富血小板血浆与试样的作用时间为3 h。

3 结果与分析

3.1 表面形貌、粗糙度和相组成

从试样的扫描电镜图(见图1)可以看出，磨光和TiO2涂层试样表面较为平整(Ra分别为0.06±0.01 μm、0.05±0.01 μm)，但都有较浅的划痕。这说明TiO2薄膜厚度较小，没有明显改变不锈钢基体的表面形貌。但是，由于热处理时凝胶膜中有机物的不均匀挥发，TiO2薄膜出现了宽约1 μm的细长裂纹。渗氮试样表面较为粗糙(Ra=0.25±0.02 μm)，这是渗氮时等离子体对晶界的优先刻蚀造成的。

图1 316L不锈钢试样的扫描电镜图像

三种试样的XRD谱见图2。抛光不锈钢试样只有奥氏体的衍射峰，而涂层试样还检测到马氏体衍射峰。马氏体可能是试样热处理后在空气中缓慢冷却时产生的。在2θ=25.4°处出现锐钛矿TiO2的弱衍射峰，表明TiO2薄膜为结晶态。等离子体渗氮不锈钢试样仅检测到膨胀的奥氏体，即S相，其氮化层厚约7.9 μm。

图2 316L不锈钢试样的XRD谱

3.2 亲水性、表面能、界面张力和耐蚀性

抛光和TiO2涂层试样的接触角约为80°，而渗氮试样的亲水性较好，接触角约为70°(见表1)。亲水性表面有利于材料的生物学性能，可以提高材料的血液相容性[9]。根据水和乙二醇的接触角，计算出三种试样的表面能为27～36 mJ/m2(见表1)。抛光和TiO2涂层试样的表面能以色散分量为主(分别为68%、59%)，而渗氮试样表面能的极性分量很高(86%)。据报道[10]，表面能的极性分量越高，材料的血液相容性越好。

表1试样的接触角和表面能

Table 1 Contact angle and surface energy of the samples

三种钛试样与纯水、血液、纤维蛋白原和白蛋白的界面张力见表2。与抛光和TiO2涂层试样相比，渗氮试样与水、血液和纤维蛋白原的界面张力较小，而与白蛋白的界面张力较大。材料表面与血液的界面张力较小，有利于改善其抗凝血性能[9]；而材料表面吸附白蛋白，有利于改善其血液相容性[11]。

表2试样表面与生理物质的界面张力

Table2Interfacialtensionbetweenthesamplesurfaceandthebiologicalsubstances(mN/m)

试样水血液纤维蛋白原白蛋白抛光15.69.810.07.6TiO2涂层14.97.710.08.5渗氮8.51.58.211.5

三种不锈钢试样在无钙Hank’s平衡盐液中的动电位极化曲线见图3。TiO2涂层试样的平衡电位为-0.23 V，略高于抛光试样(-0.25 V)。涂层试样的击穿电位为0.20 V，低于抛光试样的0.42 V，并且在钝化区的电流密度较高。这与涂层试样在热处理时形成的表面氧化层的耐蚀性较差、二氧化钛薄膜存在裂纹等结构缺陷有关。渗氮试样具有稳定和较长的钝化区，击穿电位达到0.77 V，这归因于表面形成的耐腐蚀的S相层。因此，三种试样中渗氮试样具有最好的耐蚀性。

图3 316L不锈钢涂试样的动电位极化曲线

Fig3Potentiodynamicpolarizationplotsofthe316Lstainlesssteelsamples: (a) .polished, (b).TiO2coated, (c).plasmanitrided

3.3 血液相容性

溶血实验表明，抛光、TiO2涂层和渗氮试样的溶血率分别为0.9%、0.3%和0.5%，都满足医学标准对植入物溶血率小于5%的要求。图4为三种不锈钢试样进行血小板粘附实验的扫描电镜图。抛光和TiO2涂层试样表面有较多的血小板粘附和聚集，血小板有明显的伪足，表明两者都造成了一定程度的血小板激活和变形。渗氮试样表面的血小板粘附和聚集明显减少，血小板保持球状形貌，并且较为分散，因此渗氮试样表面的血小板激活较弱[12]。

材料表面的血小板粘附与粗糙度、表面能等表面特性以及血浆蛋白吸附有密切关系。例如，钽离子注入使镍钛合金的表面能和界面张力下降，血小板粘附和激活程度变弱；纤维蛋白原的吸附量也随界面张力的下降而减少[7]。与抛光试样和TiO2涂层试样相比，渗氮试样的表面能较低，它与水、血液和纤维蛋白原的界面张力也较低(见表1、2)。此外，渗氮试样表面能的极性分量占有很高的比例(86%)，而它与白蛋白的界面张力较高。研究表明，材料表面能的极性分量越高，则白蛋白的吸附量越大，材料的血液相容性越好[6,10]。

图4 316L不锈钢试样接触富血小板血浆3h后的表面形貌

Fig4Surfaceimagesofthe316Lstainlesssteelsamplesaftercontactedwithplatelet-richplasmafor3h: (a) .polished, (b).TiO2coated, (c).plasmanitrided

4 结论

(1)溶胶-凝胶TiO2薄膜没有明显改变不锈钢基体的表面形貌，但含有宽约1 μm的细长裂纹；试样热处理后在空气中缓慢冷却，基体中产生了马氏体相。由于等离子体对晶界的优先刻蚀，渗氮试样表面较为粗糙，其表面仅检测到膨胀的奥氏体，即S相。

(2)与抛光和TiO2涂层试样相比，渗氮试样表面较为亲水，表面能以极性分量为主；它与水、血液和纤维蛋白原的界面张力较小，与白蛋白的界面张力较大。三种试样中渗氮试样具有最好的耐蚀性。三种试样的溶血率都小于5%，渗氮试样具有最好的抗血小板粘附性能。