钛合金表面TiO2薄膜制备及生物活性研究

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(1.浙江工业大学 机械工程学院,浙江 杭州 310014;2.浙江工业大学 材料科学与工程学院,浙江 杭州 310014)

钛(Ti)和钛合金因其弹性模量与骨组织更为接近、生物相容性好以及优异的耐蚀性和抗疲劳性能等特点,被广泛应用于人体硬组织的修复[1-3]。但钛和钛合金本质属于生物惰性材料,即不具备骨诱导能力,所以植入时与人体骨之间只是一种机械嵌连性骨整合,而非强有力的化学骨性结合。因此良好的钛金属种植体-骨组织界面的形成是保证移植修复成功的重要因素,也是这类移植手术面临的一个关键性难题。羟基磷灰石(HA)是一种很好的生物活性材料并具备许多优异特性,但是其强度低,韧性差,脆性大且在人体体液中抗疲劳强度差,因此不能单独使用于承载部位,临床上一般与综合性能优异的钛及其合金复合使用。另外,HA薄膜的生物活性虽然优于Ti-O薄膜,但是其与基体的结合力存在问题,HA薄膜与钛基体的结合力不及Ti-O薄膜与钛基体的结合力,容易脱落,导致植入物的失效。因此,需要在基体表面进行改性来增加它的结合力,例如:采用在钛及钛合金基体表面生长TiO2薄膜[4-5]。对于晶体来说,晶面是一个非常重要的组成部分,因为大多数的化学过程首先发生在晶面上,因此具有不同暴露晶面的TiO2薄膜势必拥有不同的性能。自从Yang等首先合成了具有47%{001}暴露面的TiO2微米晶以来,大量的成果集中在具有高能曝露面的TiO2的合成、性质、改性及应用上[6-9]。如Han等[10]采用水热法制备暴露高活性{001}面的TiO2纳米晶,发现这种晶体的催化活性高于一般的TiO2纳米粒子;Li等[11]合成了分别以{101}晶面和{001}晶面为曝露面的锐钛矿相TiO2,发现以{001}为主导面的锐钛矿TiO2微球具有更优异的催化活性。但这类研究仅局限于对催化活性方面的研究[12],未进行生物活性方面探讨。笔者报道了一个简单易行的水热法,在钛合金基体表面原位生长了具有高能曝露晶面的TiO2纳米棒阵列薄膜,探讨了反应条件对膜形貌、结构的影响。另外,这种方法也能适用在具有不规则表面的3D打印钛合金基体上,且该层薄膜能诱发羟基磷灰石的沉积,具有优异的生物活性。

1 实验材料及方法

实验选用商用钛合金片(TC4,尺寸为25 mm×10 mm×0.8 mm,化学成分见表1)和3D打印多孔钛合金种植体(采用SLM工艺[13],化学成分见表1,尺寸见图1)为基底。具体合成方法如下:钛合金片用丙酮超声清洗5 min,再用去超纯水超声清洗5min,各重复清洗3次后晾干。将其浸入30 mL 30% H2O2的溶液里,置于80 ℃下1,12 h,然后将钛合金片取出,用超纯水清洗,并在周围气氛中干燥备用.3D打印多孔钛合金种植体经喷砂酸蚀等标准化处理后,用丙酮超声清洗5 min,再用去超纯水超声清洗5 min,各重复清洗3 次后晾干。将其放入30 mL 30% H2O2的溶液里,置于80 ℃下1 h,然后将种植体取出,用超纯水清洗,并在周围气氛中干燥备用。将备用的钛合金片和种植体分别浸入盛有20 mL前驱液(表2)的25 mL规格聚四氟乙烯内衬不锈钢高压反应釜中,钛合金片斜靠于内衬且检测面朝下,在160 ℃下水热反应3 h。待自然冷却后取出,用超纯水超声清洗2 min后在周围气氛中干燥,接着进行下一步测试。

表1 TC4钛合金片和3D打印用钛合金粉化学成分Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy and powder %

图1 3D打印多孔钛合金种植体模型Fig.1 Model of 3D printing porous titanium alloy implant

前驱液C(HCl)/(mol·L-1)C(TiCl3)/(mmol·L-1)C11.006C21.0012C31.0018N10.6218

体外生物活性评估:将水热反应后的3D打印多孔钛合金种植体在36.5 ℃下浸入40 mL人体模拟体液(SBF)中3 d后,取出,用超纯水轻轻冲洗后在周围气氛中干燥,接着进行下一步测试。

采用扫描电子显微镜(捷克TESCAN VEGA 3 SBH),场发射电子显微镜(美国FEI NovaNanoSEM 450),X射线衍射(日本理学组合式多功能X射线衍射仪Ultima IV)分别对样品检测面表面形貌、组成成分和晶体结构进行观察和分析。

2 实验结果与讨论

2.1 H2O2预处理时间对TiO2阵列薄膜表观形貌和成分的影响

钛合金在H2O2中会被腐蚀后氧化形成TiO2膜。在此水热反应中,形成TiO2纳米棒的钛源主要由两部分提供:1) 来自TiCl3前驱液;2) 来自基体和初始表面TiO2膜的腐蚀。只有在足够的钛源环境下才会生成TiO2薄膜。图2为钛合金片在双氧水不同预处理时间(0,1,12 h)后,再在C1,C2,C3前驱液中水热反应3 h的表观SEM图。由图2(b)可以看出:在C1前驱液、预处理1 h的情况下,由于预处理下氧化得到的TiO2膜较薄并且前驱液中钛源浓度较低、酸性大,水热反应后未生长纳米TiO2薄膜,呈现出一个个腐蚀坑。如果氧化时间足够,形成的TiO2膜较厚,在强酸性的条件下,基底表面TiO2膜会被腐蚀,腐蚀产生的钛离子和氧离子会进入反应液中,这时由于钛、氧离子浓度的增加,水解反应将会加剧,大量的纳米晶TiO2沉积在基体表面。同时强酸环境又使得部分纳米晶溶解,再沉积,直至形成致密的TiO2膜。所以,在延长H2O2预处理时间至12 h后,钛合金片在C1前驱液环境下得到了TiO2薄膜(图2c),纳米棒直径约为100 nm。在C2前驱液环境下,由图2(e)可以看到：由于足够的钛源浓度,所以H2O2预处理1 h后水热反应即得到纳米TiO2棒阵列,纳米棒直径约为150～200 nm;当预处理时间为12 h时,从图2(f)可以看出:膜的表观形貌相对于未预处理或H2O2预处理1 h条件下更加平整。这是由于在足够长时间的H2O2预处理下,钛合金表面氧化生成了足够厚的TiO2膜,掩盖了钛合金基体在加工制造过程中产生的微区表面应力的影响。

图2 不同H2O2预处理时间下TC4钛合金片在C1,C2,C3前驱液里水热反应后SEM图Fig.2 SEM of TC4 substrate soaked in solution C1, C2, C3 after different H2O2 treatment periods

图3为对应的表面XRD图,由图3可以看出:在不同的H2O2预处理时间后,钛合金基体表面的TiO2的晶型都由锐钛矿型(Anatase)和金红石型(Rutile)组成,为混晶,并且金红石型的衍射峰强远大于锐钛矿型,其中2θ=25.6°,27.3°,35.9°,38.3°,41.1°,54.1°,57.9°,62.5°,63.8°分别为A(101),R(110),R(101),A(004),R(111),R(211),R(220),R(002),R(310)。有趣的是,与标准金红石型二氧化钛粉末衍射图(金红石型,JCPDS 01-077-0443)相比,可以发现样品的金红石型(101),(002)晶面的衍射峰明显地增强了,而其他一些衍射峰如(110),(111),(211)降低了,这说明生成的金红石型平行六面体二氧化钛晶体沿着[001]轴,垂直于基体表面生长,这与图2相吻合[14-15]。并且标准衍射图(金红石型,JCPDS 01-077-0443)中,(101)峰与(110)峰的强度比(I(101)/I(110))为0.5,而这里强度比几乎为10,说明纳米棒的生长方向为[001]方向并且(101)晶面曝露[4]。另外根据第一性原理密度泛函理论(DFT)计算可得到:金红石型二氧化钛晶体不同晶面的表面能大小排序为Esurf(110)

图3 H2O2不同预处理时间下TC4钛合金片在C2里水热反应后XRD图Fig.3 XRD of TC4 substrate soaked in solution C2 after different H2O2 treatment periods

2.2 钛源浓度对二氧化钛阵列薄膜生长的影响

由图2可看出:在H2O2预处理1 h的情况下,随着前驱液钛浓度的增加,钛合金基底表面从呈现腐蚀状态到TiO2纳米棒薄膜再到TiO2纳米丛薄膜。图4为对应的表面XRD图,可以得到:在H2O2处理1 h情况下,钛合金表面没有检测到晶化的二氧化钛存在(图4中H2O2预处理1 h曲线)。浸入低钛浓度的C1前驱液水热反应后,由于处于强酸的环境下,钛合金被腐蚀并且钛合金里不同组分的腐蚀速率不同,由图4 C1曲线可看出:钛峰大大降低,说明钛被腐蚀,一些匹配为VxOy,AlxOy的峰被检测到。随着钛浓度的升高,钛离子的水解反应加剧,所以二氧化钛开始沉积,膜开始出现。

图4 H2O2预处理1 h后,TC4钛合金片以及其在C1,C2,C3里水热反应后XRD图Fig.4 XRD of TC4 substrate, and it soaked in solution C1, C2, C3 after H2O2 treatment 1 h

2.3 3D打印多孔种植体表面TiO2薄膜及其生物活性研究

图5为3D打印多孔钛合金种植体的初始、喷砂酸蚀后、N1溶液水热反应后以及浸入SBF 3 d后的表面SEM图。从图5(a)可以可看出:3D加工得到的种植体表面非常粗糙,表面很多直径在30 μm左右的金属颗粒没有融化成型。经喷砂酸蚀后,可以看到(图5b):种植体表面几乎没有金属颗粒附着,并且显示出了螺纹状SLM扫描轨迹。种植体在C3溶液中水热反应后,没有TiO2膜的生成,这主要因为种植体的比表面积和钛合金片存在较大差异,所以笔者调整了前驱液配方记为N1,可以看到种植体在N1溶液里水热处理后,表面长满了TiO2纳米棒(图5c)。图5(d)为反应后的种植体36.5 ℃下在SBF中浸泡3 d后的表面SEM图,可以看到:种植体表面有球状“绒毛”沉积,此为羟基磷灰石,种植体被羟基磷灰石完全包覆。这说明了此钛合金表面的二氧化钛膜具有良好诱导磷灰石生长的能力,即具有良好的生物活性[18]。基于课题组前期的工作[4-5,19],笔者认为羟基磷灰石(002)晶面上羟基与金红石(101)晶面上氧原子存在良好的晶格匹配,对应晶面两个晶向上的错配率分别为2.4%,0.5%,从而使金红石(101)晶面曝露的改性种植体具有更好的诱导羟基磷灰石的能力。另外,钛合金中的Al和V具有潜在毒性,Hanawa[20]总结了43种金属阳离子在L929纤维原细胞和MC3T3-E1成骨细胞中的毒性大小,发现V离子的毒性较大。在种植体表面制备致密的TiO2薄膜能有效阻止钛合金中Al,V阳离子被腐蚀进入到人体体内,有利于种植体达到良好的生物相容性(即有助于其毒性、致敏性、致癌性和发炎等指标达到要求)。

图5 3D打印种植体不同阶段的SEM图Fig.5 SEM of 3D printing implant in each stage

3 结 论

通过一种简单、易操作且耗能少的方法在钛合金表面原位的制备了二氧化钛纳米棒阵列薄膜。通过SEM和XRD研究发现:形成的阵列薄膜形貌均一,沿着[001]轴垂直基底择优生长,并且具有金红石高能(101)晶面主导曝露。通过改变H2O2预处理时间、钛源浓度,可以得到不同形貌、不同锐钛矿和金红石比例的混晶TiO2膜。适当的H2O2预处理有利于在基底表面先修饰上一层TiO2籽晶层,防止后续水热反应时前驱液对基底的腐蚀。初步试验结果显示:采用3D打印多孔种植体作为基底可成功在其表面生长TiO2纳米棒,说明该方案具有一定的普适性和实用性。通过SBF浸泡实验验证了其具有生物活性,并且在钛合金表面修饰致密的TiO2膜也能有效阻止V离子的溶出。这些特征说明了该方案除了在传统光催化方面有潜在应用以外,还具有一定生物材料表面改性应用的前景。