劉 瑩， 曹 燦

北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 口腔科，遼寧 沈陽 110016

種植體表面陽極氧化形成TiO2納米管(anodized TiO2nanotubes，NT)涂層廣泛應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)環(huán)境，特別是體外實(shí)驗(yàn)?zāi)M人體內(nèi)溫度下的水環(huán)境。將納米陣列涂層種植體行水熱處理，其實(shí)質(zhì)為高溫下的水環(huán)境。臨床上，種植體儲(chǔ)藏條件為室溫環(huán)境，溫度跨度不等，關(guān)于不同溫度下水環(huán)境中納米涂層形貌變化的速率影響尚未見報(bào)道。陽極氧化后的種植體表面形成的納米陣列樣形貌被認(rèn)為可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化[1-2]。穩(wěn)定的形貌特征直接影響種植體應(yīng)用成骨效果。本研究通過比較不同溫度下水環(huán)境種植體表面涂層穩(wěn)定性及形貌變化，以期為未來鈦種植體表面陽極氧化涂層的應(yīng)用提供理論依據(jù)?，F(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑 正方形純鈦試樣(10 mm×10 mm×1 mm，西北有色金屬研究院)；SiC砂紙400、800、1 200、2 000目(鷹牌，韓國(guó))；乙二醇、甲醇、乙醇、丙酮(天津富宇精細(xì)化工有限公司)；去離子水(北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院藥劑科)；氟化銨(天津天力化學(xué)試劑有限公司)。穩(wěn)流穩(wěn)壓直流電源(TPR6405D，香港LongWei)；磁力攪拌器(江蘇金壇儀器設(shè)備廠)；超聲波清洗機(jī)(UC-50，德國(guó)Whaledent)；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800，日本Hitachi)；超凈工作臺(tái)(AIRTECH，中國(guó))；CO2培養(yǎng)箱(Thermo，美國(guó))；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM，日本Hitachi)；實(shí)驗(yàn)室冰箱(利勃海爾，德國(guó))；水熱反應(yīng)釜(上海一凱儀器設(shè)備有限公司)；低溫煅燒爐(三星儀器設(shè)備廠)；X線衍射儀(Shimadzu6000，日本)。

1.2 研究方法

1.2.1 制備陽極氧化納米涂層 配制為NH4F、乙二醇溶液作為陽極氧化電解液，以純鈦為陽極，以鉑為陰極在40 V的直流電下形成100 nm管徑的TiO2納米涂層TiO2-NT。TiO2-NT經(jīng)過丙酮、乙醇、去離子水順次清洗10 min，室溫下自然干燥。

1.2.2 TiO2-NT 浸沒于不同溫度去離子水中 25℃組：將TiO2-NT置于實(shí)驗(yàn)室冰箱去離子水中，調(diào)整去離子水的溫度為25℃，放置1、3、7 d。37℃組：通過空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度為25℃，將TiO2-NT置于室溫條件下離子水中放置1、3、7 d。

200℃組：將TiO2-NT置于高壓水熱釜中，加入40 ml去離子水，密封后置于低溫爐中，保持升溫速度10℃/min，升溫至200℃，分別反應(yīng)1、3、5 h。見圖1。應(yīng)用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡掃描試件表征材料表面形貌特征。

圖1 TiO2-NT浸沒于200℃去離子水工藝實(shí)施原理圖

1.2.3 X線衍射儀技術(shù)檢測(cè)試樣晶相 設(shè)定X線衍射儀的分析參數(shù)：電壓40 kV，電流40 mA，銅靶，2θ范圍10°～80°，步長(zhǎng)0.02°，計(jì)數(shù)時(shí)間每步0.15°。采用薄膜法分析樣品表面的二氧化鈦納米管陣列涂層的晶相。

2 結(jié)果

2.1 掃描電鏡下納米管管口及側(cè)壁形貌圖 掃描電鏡觀察可見，經(jīng)過陽極氧化處理后，純鈦表面均形成均勻的納米管陣列結(jié)構(gòu)。見圖2。40 V電壓形成的納米管管徑約為80～100 nm，管壁厚5～8 nm，管與管之間存在5～20 nm間隙。冠長(zhǎng)3～5 μm。TiO2-NT浸沒于25℃、37℃及水熱處理后表面納米陣列的形貌特征變化。見圖3。規(guī)則有序的納米管結(jié)構(gòu)在25℃去離子水中浸泡后1 d后發(fā)生變化，表面出現(xiàn)新生成的顆粒結(jié)構(gòu)，分布在納米管口的各個(gè)部位。經(jīng)過更長(zhǎng)時(shí)間的浸泡后，納米顆粒的數(shù)量增多，并且有聚集增大的趨勢(shì)，聚集的顆粒形成了針刺樣的結(jié)構(gòu)。3 d后，納米管口可見管壁生長(zhǎng)相當(dāng)數(shù)量的納米針刺。浸泡7 d的納米陣列表面已被納米針刺結(jié)構(gòu)占據(jù)，完全覆蓋在表面，側(cè)面觀察到大量的納米針刺結(jié)構(gòu)充滿了納米管與管之間的空隙。去離子水的溫度對(duì)于TiO2納米管陣列的穩(wěn)定性有影響。37℃下發(fā)生了相似的變化，納米管表面形成了大量的納米刺，聚集的納米刺結(jié)構(gòu)充滿了整個(gè)納米陣列表面，但是變化趨勢(shì)更快。

2.2 X線衍射儀技術(shù)表征試樣晶相 未經(jīng)過水浸泡處理TiO2-NT呈現(xiàn)無定型相，經(jīng)過浸泡后，從無定型相轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦態(tài)晶相，銳鈦態(tài)的峰值強(qiáng)度隨著溫度升高而加強(qiáng)。與25℃、37℃條件下浸泡7 d比較，在水熱處理下5 h形成的銳鈦態(tài)對(duì)應(yīng)峰值更為顯著。見圖4。

圖2 種植體表面形成的陽極氧化TiO2-NT的管口、管壁及管底形貌特征圖

圖3 TiO2-NT浸沒于25℃、37℃及水熱處理后表面納米陣列的形貌特征變化

3 討論

近年來，陽極氧化納米陣列為代表的種植體表面改性技術(shù)逐漸成為生物材料醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)。TiO2-NT陽極氧化形成納米陣列的形貌是被認(rèn)為參與到成骨細(xì)胞功能分化的過程[3-6]。TiO2-NT在水環(huán)境下應(yīng)用中穩(wěn)定的納米形貌是陽極氧化生物學(xué)功能實(shí)現(xiàn)的前提。既往研究中，納米陣列應(yīng)用前僅進(jìn)行清洗的處理，并未進(jìn)行煅燒處理[7-9]。本研究中的納米陣列涂層未經(jīng)過煅燒，晶相為無定型的TiO2，在室溫、體溫、高溫模擬水環(huán)境下晶相或形貌同時(shí)發(fā)生明顯的變化，說明陽極氧化的生物應(yīng)用前處理方式仍需要進(jìn)一步規(guī)范。

圖4 TiO2-NT浸沒于25℃、37℃及水熱處理后表面納米陣列的晶相變化

水熱處理是一種成熟的材料處理技術(shù)[10]，室溫及體溫條件下浸沒于水環(huán)境與水熱處理后，都產(chǎn)生了類似的納米針刺樣形貌及銳鈦態(tài)晶相的峰值?？赡芤?yàn)闇囟鹊牟町悾疅崽幚淼乃俾矢?，反?yīng)更劇烈。TiO2納米陣列在水溶液中發(fā)生的明顯的形貌改變與晶相形成的變化，這些變化與水熱處理可能是相似的物理變化過程，溶液溫度是影響反應(yīng)速率的重要因素。種植體陽極氧化涂層的應(yīng)用依賴于穩(wěn)定的納米形貌，未來亟待深入研究相關(guān)變化機(jī)理，以更好規(guī)范陽極氧化相關(guān)生物應(yīng)用技術(shù)，為更好種植體表面更好地應(yīng)用陽極氧化納米陣列涂層提供理論依據(jù)與研究基礎(chǔ)。

綜上所述，TiO2納米陣列在水溶液中發(fā)生明顯的形貌改變與晶相形成，溶液溫度是影響反應(yīng)速率的重要因素，種植體陽極氧化涂層的在生物水環(huán)境下的應(yīng)用依賴于穩(wěn)定的納米形貌。