生物医用铌的水热钙化表面改性*

张帆，付 涛△，李 纲，王飞

(1.西安交通大学生命科学与技术学院，西安 710049；2.重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054；3.西安电子电力技术研究所，西安 710061)

1 引 言

钛具有良好的耐蚀性和生物相容性，广泛用于制造各种硬组织植入材料，但也存在弹性模量较高(110 GPa，骨组织1～30 GPa)、缺乏生物活性等问题。金属铌的弹性模量较低(80 GPa)，具有良好的耐磨性和生物相容性[1-2]。研究发现，含铌离子的磷酸钙陶瓷显著提高了成骨细胞的碱性磷酸酶活性，促进了钙化作用，表现出良好的骨传导活性[3]。

多孔结构是降低医用钛及钛合金弹性模量的一种有效方法。在诸多医用金属的表面改性方法中，碱液处理能够在多孔钛及钛合金内壁形成均匀的生物活性磷灰石层[4]，但是也会降低材料的强度[5]，而且TiNb合金及纯铌对碱溶液的耐蚀性低于纯钛[6]。水热处理具有处理温度较低、易于操作、消耗溶质和溶剂较少的优点，适宜于处理复杂形状甚至多孔的钛、铌及其合金的种植体。本研究尝试采用中性的磷酸氢钙溶液[7]对纯铌片进行水热处理，研究了水热处理试样的显微结构、化学成分、亲水性、耐蚀性及生物活性。

2 实验

试样为10 mm×10 mm×2 mm的纯铌片，用水砂纸逐级磨光至1200号，用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗后晾干备用。利用聚四氟乙烯夹具把磨光铌片垂直放置在聚四氟乙烯内衬的水热釜中，配制10 mM的过饱和CaHPO4溶液，填充率约80%。密封高压釜后分别在120、140、160、180、200℃水热处理24 h，反应结束后取出试样，清洗和晾干。同样条件下制备了纯水中水热处理的铌试样，作为对照。

采用扫描电镜(SEM，FEI Quanta 600F)分析试样的微观形貌，电子能谱(EDX)分析试样的元素含量和分布情况。采用X射线光电子能谱(XPS，VG K-Alpha，AlKα)分析试样表面的元素组成和结合状态。采用X射线衍射(XRD，X’Pert PRO，CuKα)和拉曼光谱(Horiba HR800, 633 nm)分析试样表层的晶体结构。采用接触角测量仪测量纯水在试样表面的接触角，评价其亲水性。使用电化学工作站(Corrtest CS150)测量试样在无钙Hank’s平衡盐液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。把试样浸泡在45 ml模拟体液(SBF，37℃)中，每7 d更换溶液，评价其体外生物活性。

3 结果与分析

在CaHPO4溶液中水热处理铌试样的表面形貌见图1a-c。160℃以下处理的试样表面形貌变化不大，没有明显的生成物出现。180℃处理时试样表面发生了反应，出现了较多的纤维状物质。200℃处理试样的表面较为粗糙，形成了密集的谷粒状颗粒，宽约40～70 nm，长约100～180 nm。电子能谱分析表明(见图1d)，200℃处理试样的表面含有Nb、Ca、P、O及杂质元素C、Al和Si。面能谱和点能谱分析表明，谷粒状颗粒的Ca含量较高(分别为0.13、0.33 wt%)，这些颗粒可能是水热处理时形成的磷酸钙晶体。

图1铌片在CaHPO4溶液中不同温度水热处理试样的扫描电镜像和电子能谱

(a) 160℃, (b) 180℃, (c,d) 200℃

Fig1SEMmicrographsandEDXspectraofNbplateshydrothermallytreatedinCaHPO4solutionatdifferenttemperatures

(a) 160℃, (b) 180℃, (c,d) 200℃

在CaHPO4溶液中，200℃水热处理试样的XPS谱见图2。试样表面检测到Nb、Ca、P、O等元素。其中，铌以Nb2O5形式存在，其3d峰分别位于209.6 eV(3d3/2)和206.9 eV(3d5/2)。Ca 2p峰(347.4 eV)和P 2p峰(133.4 eV)表明试样表面形成了磷酸钙。在O 1s谱中，位于529.9 eV处的主峰来源于Nb2O5，而位于531.1 eV处的肩峰和位于133.4 eV处P 2p峰源于羟基磷灰石，而不是CaHPO4·2H2O[8]。位于更高结合能(532.0 eV)处的肩峰与材料在水热处理时表面产生的羟基有关。

图2在CaHPO4溶液中200℃水热处理铌试样的XPS谱

Fig2XPSspectraofNbsamplehydrothermallytreatedinCaHPO4solutionat200℃

钛在水中和钙磷溶液中水热处理时，通过溶解-沉淀反应可在钛表面生成纳米结构的TiO2及TiO2-磷酸钙薄膜。铌在水中和CaHPO4溶液中水热处理时，可能也发生了类似的反应。对200℃水热处理的铌试样进行XRD分析，仅检测到分别位于38.4°和55.6°处铌(110)和(200)晶面的衍射峰，未检测到氧化铌或磷酸钙的峰。而SEM观察到纳米颗粒，XPS检测到氧化铌和磷酸钙(见图1,图2)。XRD未检测到氧化铌和磷酸钙的峰，可能与薄膜的厚度较小有关。

进一步采用拉曼光谱分析铌试样的表面结构(见图3)。抛光铌在100～1200 cm-1之间未检测到散射峰，在CaHPO4溶液中经过120～200℃水热处理的试样展现出相似的谱图，在156、395、682 cm-1处出现弱的散射峰，这表明水热处理试样表面都生成了一定厚度的氧化铌薄膜。作为对照，水热处理钛出现了分别位于147、198、394、515和636 cm-1处的氧化钛的散射峰[7]。未发现羟基磷灰石位于960 cm-1附近的特征峰，这与其未形成完整的膜层有关。

图3抛光、在CaHPO4溶液中水热处理及模拟体液中浸泡2周试样的拉曼光谱

Fig3Ramanspectraof(a)thepolishedsampleandthesampleshydrothermallycalcifiedat(b) 120℃, (c) 140℃, (d) 200℃and(e) 200℃,soakedinSBFfor2weeks

在水中120、140、160、180、200℃水热处理的试样，其接触角分别为63.3、58.7、62.0、70.0和72.7°，即处理温度较高时试样的接触角较高。在CaHPO4溶液中处理的试样，其接触角随着处理温度的升高而明显下降，分别为65.7、62.6、55.9、51.4和47.0°。这可能与其表面形成了亲水性磷酸钙纳米颗粒、表面较为粗糙有关。亲水性表面有利于改善材料与骨组织的结合性能。

采用动电位极化法评价水热处理铌试样的耐蚀性(见图4)。与抛光铌试样相比，200℃水热处理试样有更小的腐蚀电流密度和更高的腐蚀电位。在阳极极化区，水热处理试样的维钝电流密度要低于抛光试样1～2个数量级，其点蚀电位仍在1.0 V以上。水热处理试样表面形成了较为耐腐蚀的氧化铌-磷酸钙薄膜，具有更好的耐蚀性，这将有利于其生物学性能。

把在CaHPO4溶液中200℃水热处理的铌试样浸泡于模拟体液，以检测其诱导沉积生理磷灰石层的性能，即生物活性。在浸泡过程中试样待测面朝下，以避免溶液均质形核的影响。浸泡处理前后试样的拉曼光谱见图3d,e。在模拟体液中浸泡两周后，试样在955 cm-1处出现源于P-O的v1对称伸缩振动峰，它是羟基磷灰石的特征峰[9]，这表明水热处理试样具有生物活性。

图4抛光和200℃水热钙化试样的动电位极化曲线

Fig4Potentiodynamicpolarizationplotsofthepolishedsampleandthesamplehydrothermallycalcifiedat200℃

4 结论

纯铌在过饱和CaHPO4溶液中200℃水热处理24 h后，表面生成了Nb2O5-磷酸钙的纳米颗粒薄膜。水热处理试样具有较好的亲水性和耐蚀性，在模拟体液实验中表现出生物活性。该方法处理温度较低、不腐蚀金属基体、易于操作，可用于铌、铌合金及其多孔材料的生物活性表面改性。