细菌脂多糖对选择性激光熔化技术制作的 钴铬钼合金腐蚀行为的影响

张曼曼 孙 健， 阿地力江·依米提 程蕙娟 焦 婷

（1. 上海交通大学医学院附属第九人民医院·口腔医学院口腔修复科，国家口腔疾病临床医学研究中心， 上海市口腔医学重点实验室，上海市口腔医学研究所，上海 200011 ； 2. 喀什地区第二人民医院口腔科，喀什 844000）

选择性激光熔化技术（Selective laser melting， SLM）已成功应用于口腔金属修复体的制作。然而，对于牙科用钴铬钼合金而言，由于腐蚀作用释放出的金属离子会直接与口腔黏膜相接触或进入体内，引起局部或全身反应。其中，Co和Cr已被证实拥有细胞和基因毒性。相较于金属内冠而言，活动义齿支架由于较大的表面积，所以因腐蚀而释放的金属离子量也会大大增加。且腐蚀作用对合金本身也有一定破坏作用，从而降低合金的机械性能。因此，对于SLM法制作的钴铬钼合金支架腐蚀行为的研究具有重要的临床意义。

口腔环境对牙科合金腐蚀行为有重要影响，包括唾液，食物，牙膏，细菌等。其中细菌脂多糖（Lipopolysaccharides， LPS）是革兰氏阴性细菌细胞壁中的一种成分，只有当细菌死亡溶解或用人工方法破坏菌细胞后才释放出来，所以又叫做内毒素。它可以存在于唾液和龈沟液中，常常介导口腔相关的炎症反应，如牙周炎、种植体周围炎等。有研究表明它可以吸附于合金表面，通过加快离子析出进而降低钛、传统铸造钴铬和镍铬合金的腐蚀性能。因此，本研究采用人工唾液并加入不同浓度的LPS来进一步模拟口腔环境，分析LPS对SLM制作的钴铬合金支架腐蚀行为的影响，并与铸造合金进行对比，以期对临床上SLM法制作的钴铬钼合金支架的应用推广及安全性提供依 据。

1 材料和方法

1.1 试件制备

钴铬钼合金金属粉末（Wirobond C+，Bego Dental，德国）用金属3D打印机（M2 cusing Multilaser，Concept Laser，德国）通过SLM技术制作12个钴铬合金试件（简称：SLM合金）。通过树脂打印机（ProJet MJP 3600，3D Systems，美国）打印树脂蜡型，再将钴铬钼合金金属块（Wironit，Bego Dental，德国）用离心铸造机通过传统失蜡铸造法制作12个钴铬合金试件（简称：铸造合金），每个试件规格为10 mm×10 mm×2 mm。

1.2 人工唾液配制

在1 L的去离子水中分别加入0.4 g NaCl，0.4 g KCl，0.795 g CaCl·2HO，0.69 g NaHPO·HO，0.005 g NaS·9HO和1.0 g 尿素配置Fusayama-Meyer人工唾液，37℃时其pH值约为5.0。

1.3 电化学腐蚀实验

将SLM合金和铸造合金试件通过打磨机，分别用400目、800目、1 200目二氧化硅砂纸打磨抛光，然后用氧化铝悬浮液进一步抛光去除划痕，直至表面均匀一致。最后，所有试件分别在去离子水、丙酮、乙醇、去离子水中各超声洗涤5 min，干燥备用。在人工唾液中加入LPS，配置浓度依次为0、0.15、15、150 μg/mL，作为腐蚀电解液。将SLM和铸造钴铬合金试件按腐蚀电解液中LPS浓度（0、0.15、15、150 μg/mL）分别分为4组，每组3个合金试件。然后将每个合金试件用环氧树脂包埋，仅暴露其中10 mm×10 mm的一面，其相对的那面用导线引出，作为工作电极，并选用甘汞电极作为参比电极，铂电极作为对电极。

用电化学稳压器进行电化学腐蚀实验，首先，测试开路电位（OCP）1 h，待电位上下波动不超过 2 mV 后，进行电化学阻抗谱（EIS）测试，频率为 105-10-2Hz，正弦微扰信号的振幅值为10 mV。最后，进行动电位极化测试，扫描电位区间为-250 mV（vs OCP） ～ 1 600 mV，扫描速率为 1 mV/s。用 ZsimpWin 软件对 EIS 图像进行拟合分析，可获得相应阻抗参数：

R

、Y0-CPE、n、

χ

。用 Tafel 拟合法分析动电位极化测试结果，并获取相应的腐蚀参数：自腐蚀电流密度（

I

）和自腐蚀电压（

E

）。

1.4 统计学分析

应用 SPSS 20.0 统计分析软件，对结果进行单因素的方差分析和独立样本

t

检验，显著性水平

α

=0.05（双侧）。

2 结果

SLM合金和铸造合金的自腐蚀电流密度（

I

）和自腐蚀电压（

E

）如表1所示。随着LPS浓度增加，SLM和铸造合金试件的

E

值逐渐下降，而

I

值则逐渐增加，且在150 μg/mL LPS组的

E

值都显著小于单纯人工唾液组，而

I

值则显著大于单纯人工唾液组（

P

＜0.05）。在LPS浓度为150 μg/mL时，SLM合金的

I

值显著小于铸造合金，而

E

则显著大于铸造合金。而在其余LPS浓度下，SLM合金和铸造合金的

I

和

E

则无显著性差异。

表1 SLM合金和铸造合金试件的腐蚀参数

注：＜0.05， 铸造组在不同浓度LPS下与单纯人工唾液对比。 ＜0.05， SLM组在不同浓度LPS下与单纯人工唾液对比。 ＜0.05，相同LPS浓度下铸造组与SLM组的对比。

组别(n=3）LPS (μg/ml)腐蚀参数（images/BZ_32_1461_1698_1487_1731.png±s）Icorr (μAcm-2) Ecorr (mV)铸造 0 0.020±0.012 -406±60 0.15 0.039±0.017 -362±111 15 0.075±0.025 -387±114 150 0.498±0.076a，c -568±7a，c SLM 0 0.026±0.009 -377±65 0.15 0.042±0.019 -394±100 15 0.054±0.019 -406±24 150 0.255±0.105b -548±7b

通过等效电路模型

R

（

R

Q

）（图1）对所获得的EIS图谱进行拟合，拟合后可获得相应的阻抗参数（表2）：

R

、Y0-CPE、n、

χ

，其中，

χ

代表拟合情况，在本研究中，

χ

都在10 ～ 3范围之内，表示获得的EIS图谱与模型间的拟合度良好。Y0-CPE、

n

代表了与理想电容的偏离情况，

n

越接近1，CPE越表现为电容特性，两者在本实验中不同组别之间均无统计学上的差异。

R

则代表合金表面氧化层的电阻，在LPS浓度达到150 μg/mL时，SLM合金的

R

值出现显著性下降（

P

＜0.05），而铸造合金在LPS浓度达到15 μg/mL 时，

R

值就开始出现显著性下降（

P

＜0.05）。且在LPS浓度为150 μg/mL时，SLM合金的

R

值显著大于铸造合金（

P

＜0.05）。而在其余LPS浓度时，SLM和铸造合金的

R

值均无显著性差异。

图1 等效电路模型

表2 SLM合金和铸造合金试件的阻抗参数

注： ＜0.05， 铸造组LPS浓度为 0.15、15或150 μg/mL 与单纯人工唾液对比。 ＜0.05， SLM组LPS浓度为 0.15、15或150 μg/mL 与单纯人工唾液对比。 ＜0.05，相同LPS浓度下铸造组与SLM组的对比。

组别(n=3）LPS(μg/ml)阻抗参数（images/BZ_32_1461_1698_1487_1731.png±s）Rp (kΩ/cm2)Y0-CPE (S cm-2s-nx10-5) 弥散指数铸造 0(control) 753±31 4.11±0.27 0.91±0.01 0.15 728±24 3.73±0.20 0.91±0.00 15 670±52a 4.05±0.20 0.89±0.01 150 451±42a，c 4.12±0.74 0.90±0.02 SLM 0(control) 789±56 3.81±0.17 0.91±0.01 0.15 762±69 3.72±0.58 0.91±0.01 15 715±63 4.06±0.29 0.90±0.02 150 602±55b 4.16±0.30 0.90±0.01

3 讨论

动电位极化测试实验是常见的测试金属腐蚀性能的方法之一。通过Tafel 拟合法分析动电位极化测试图谱，可以获取相应的腐蚀参数：自腐蚀电流密度（I）和自腐蚀电压（E）。其中，自腐蚀电位（E）是工作电极上没有外加电压或电流通过时的电位，其可以反映出金属发生腐蚀的难易程度，其值越低，腐蚀越容易进行，代表合金的抗腐蚀性能越差。当LPS浓度为150 μg/mL时，SLM合金和铸造合金的E值均降低，且I显著上升，约为单纯人工唾液组的10 ～ 20倍，这说明当LPS浓度为150μg/mL时，合金的抗腐蚀性能均减弱。自腐蚀电流密度（I）则代表金属的腐蚀速率，其值越大说明金属腐蚀速率越快，可以表明150 μg/mL 的LPS浓度下，SLM合金和铸造合金合金的腐蚀速率显著增加。这与先前LPS对其他合金腐蚀行为影响的研究结果相似。Mathew等研究表明，LPS对cpTi和TiAlV的腐蚀行为有负向影响，认为LPS诱导金属离子释放可能是原因之一。Yu 等人在高浓度LPS下也观察到Co-Cr和Ni-Cr铸造合金的腐蚀速率增加。

近年来，电化学阻抗谱法因对体系扰动小，得到的结果更加精确，且鲜明易懂，也成为电化学腐蚀研究的常用方法。用等效电路模型R（RQ）对EIS谱图进行拟合后可以得到重要参数R，为合金表面氧化层的电阻。在150 μg/mL LPS组，两种合金的R值均显著下降，代表了合金表面氧化层的电阻下降，电荷在电解质溶液和合金表面两相界面转移变得相对简单，说明合金的腐蚀速率增加，这与之前的结论相同。除此之外，铸造合金在LPS浓度为15 μg/mL时，R值就出现了显著性降低，而SLM合金则无明显变化，这表明了铸造合金的腐蚀行为更容易受到LPS的影响。本课题组之前的研究也显示，LPS 对 SLM 技术制作的钴铬钼合金的离子析出没有显著影响，与传统铸造合金相比，其离子析出量较少。

上述实验均说明LPS 对 SLM 技术制作的钴铬钼合金的腐蚀行为的影响较铸造合金小。以往研究证明，单一相且晶粒小的合金对LPS吸附能力较差。而研究表明，SLM合金的晶粒较相应的铸造合金晶粒更细小，微观结构也更加均匀致密，故其腐蚀行为受LPS影响可能较弱。但由于LPS对合金的吸附是一个复杂的现象，还有pH、LPS浓度及合金表面能等多种因素的影响，因此其对SLM合金吸附能力及影响因素还有待进一步研究证实。

4 结论

综上所述，在单纯人工唾液中，SLM制作的钴铬钼合金与铸造法制作的合金的腐蚀行为无显著性差异。LPS的存在会增加2种方法制作的合金的腐蚀速率，但其对SLM合金的腐蚀行为的影响小于铸造合金。由于腐蚀过程以及金属离子对机体作用的复杂性，还需要对其腐蚀的具体过程和机制以及生物相容性等作进一步深入探讨。