陳曼可，劉詠，徐圣航，黃千里

(1. 中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310014)

近年來，金屬Ta因其優(yōu)異的抗腐蝕性能與生物相容性受到了廣泛關(guān)注，但其存在高密度(1.66 g/m3)與高模量(186 GPa)等缺點(diǎn)[1?2]。Ta通常作為Ti基植入物的表面涂層材料與合金化元素。作為一種β相穩(wěn)定元素，Ta可以降低Ti合金的彈性模量。通過熔煉方法制備的Ti-Ta二元合金(Ta質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～80%)彈性模量與屈服強(qiáng)度分別為67～100 GPa與400～610 MPa[3]?？梢姡琓i-Ta二元合金的強(qiáng)度與純Ti(屈服強(qiáng)度：170～485 MPa)相當(dāng)，但顯著低于Ti-6Al-4V合金(屈服強(qiáng)度：825～869 MPa)[4]。在前期工作中，通過放電等離子燒結(jié)與熱加工技術(shù)制備了一種低彈性模量(～80 GPa)的Ti-Ta復(fù)合材料(Ti-20%Ta)。該復(fù)合材料的微觀組織中包含富Ti區(qū)與富Ta區(qū)，與Ti-Ta二元合金的均質(zhì)組織明顯不同，因而可被稱為金屬?金屬復(fù)合材料。其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了830±32 MPa與1 030±61 MPa，遠(yuǎn)高于Ti-Ta二元合金[5]。由于兼具高強(qiáng)度與低模量，Ti-Ta金屬?金屬復(fù)合材料在承重部位的骨組織替代方面具有極大潛力。

為了進(jìn)一步提升Ti基植入物與骨組織界面的整合作用，通常會(huì)對(duì)金屬基體進(jìn)行表面改性與功能化[6]。常用的表面改性方法包括噴砂、酸蝕、等離子噴涂、溶膠?凝膠法、電泳沉積與堿熱處理等[6?7]。其中，堿熱處理可在Ti表面生成一層海綿狀的無定形鈦酸鈉納米結(jié)構(gòu)[8]。KIM等[9?10]報(bào)道了堿熱處理生成的鈦酸鹽納米涂層具有良好的體外生物活性與成骨作用。JONá?OVá等[11]發(fā)現(xiàn)，對(duì)酸蝕過后的Ti表面進(jìn)一步進(jìn)行堿熱處理可以顯著提升材料表面在模擬體液中的類骨磷灰石沉積能力。WANG等[12]報(bào)道了堿熱處理可以在噴砂和酸蝕過后的Ti表面引入納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞在材料表面的增殖與分化。因此，通過堿熱處理方法對(duì)Ti-Ta復(fù)合材料進(jìn)行表面改性，有望進(jìn)一步提升材料的生物學(xué)功能。但是，由于Ti-Ta復(fù)合材料的微觀組織具有非均勻性，其在表面改性過程中的表面形貌與物相演變亟待深入研究。

本研究通過放電等離子燒結(jié)方法制備Ti-Ta復(fù)合材料。表征改性前后材料表面的微觀形貌與物相組成。通過體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)材料的細(xì)胞相容性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Ti-Ta復(fù)合材料制備

以純Ti 粉(純度＞99.9%)與純 Ta粉(純度＞99.99%)為原料，按照Ti-20%Ta(摩爾分?jǐn)?shù))成分，將上述兩種粉末混合。隨后，通過日本LABOX-6020KHV型放電等離子燒結(jié)設(shè)備制備Ti-Ta復(fù)合材料坯體，燒結(jié)溫度為1 200 ℃，壓力為30 MPa，保溫時(shí)間為5min，升溫速率為100 ℃/min，冷卻方式為隨爐冷卻。此后，對(duì)樣品進(jìn)行包套鍛造，溫度1 000 ℃，保溫60 min，壓縮率為 70%。得到Ti-Ta復(fù)合材料。

1.2 噴砂和堿熱處理

通過砂紙將Ti-Ta復(fù)合材料表面打磨至粗糙度約為0.3 μm。然后，采用白剛玉顆粒(平均粒徑r＜25.4 mm)對(duì)樣品表面進(jìn)行噴砂處理。隨后，通過丙酮、乙醇和去離子水依次超聲清洗樣品。清洗后，將噴砂處理后的樣品浸泡于濃度為5 mol/L的NaOH 溶液中進(jìn)行堿熱處理，保溫溫度為65 ℃，保溫時(shí)間為 24 h。此后，將樣品置于燒結(jié)爐中，以 5 ℃/min 的速率升溫至 650 ℃并保溫2 h，保護(hù)氣氛為氬氣，并隨爐冷卻。通過噴砂處理與噴砂/堿熱處理得到的樣品分別命名為SB-Ti-Ta與AH-Ti-Ta。

1.3 理化性質(zhì)分析

采用配備有X射線能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(Quanta 250FEG，F(xiàn)EI，美國(guó)，SEM)表征樣品表面的微觀形貌與化學(xué)組成；在X 射線衍射儀(AXS，Bruker，德國(guó)，XRD)上分析樣品的物相組成；通過X射線光電子能譜(VG，Thermo Fisher，美國(guó)，XPS)分析樣品表面元素的化學(xué)狀態(tài)。

1.4 細(xì)胞活性實(shí)驗(yàn)

將紫外線滅菌后的樣品放置于24孔板內(nèi)，以1×105個(gè)/孔的密度將小鼠成骨細(xì)胞MC3T3-E1接種于樣品表面。采用含10%(體積分?jǐn)?shù))胎牛血清與1%(體積分?jǐn)?shù))雙抗的α-MEM培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)胞，培養(yǎng)條件為37 ℃、相對(duì)濕度100%與CO2含量5%(體積分?jǐn)?shù))，每48 h更換一次培養(yǎng)基。培養(yǎng)48 h后，將添加有體積分?jǐn)?shù)為10%的CCK-8培養(yǎng)基加入各孔，孵育1 h后，將溶液轉(zhuǎn)移至96孔板中，通過酶標(biāo)儀(680，Bio-Rad，美國(guó))檢測(cè)各孔于450 nm處的吸光度。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

定量結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用student-t檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)前組與對(duì)照組的細(xì)胞活性顯著性差異由*或**表示。其中，*表示兩組之間差異顯著，且p＜0.05(p表示顯著性水平)；**表示兩組之間差異顯著，且p＜0.01。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料粉末表征

圖1所示為原料粉末形貌。從圖1(a)可以看出，氫化脫氫Ti 粉為不規(guī)則形貌，其平均尺寸約為20 μm。如圖1(b)所示，還原Ta 粉形貌為橢球形，并具有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，其平均尺寸約為3 μm。原料粉末雜質(zhì)元素含量如表1所列，其中Ti粉的氧含量較高，達(dá)到27×10?10。

圖1 Ti粉(a)與Ta粉(b)的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of Ti (a) and Ta (b) powders

表1 Ti粉與Ta粉的雜質(zhì)含量Table 1 Impurity contents (w) in Ti and Ta powders 10?6

2.2 Ti-20Ta 復(fù)合材料微觀組織

圖2所示為通過放電等離子燒結(jié)以及熱變形后的Ti-20Ta 復(fù)合材料的顯微組織，表2所列為圖2中各點(diǎn)的化學(xué)成分。Ti-Ta復(fù)合材料的微觀組織由富Ta區(qū)、富Ti區(qū)以及兩者之間的過渡區(qū)組成。其中，較亮的區(qū)域含Ta 量較多，命名為富Ta 區(qū)；較暗的區(qū)域含Ti 量相對(duì)較多，命名為富Ti 區(qū)。由于Ta含量較少，可觀察到富Ta區(qū)均勻分布于富Ti區(qū)之間。由表2可知，從富Ta區(qū)至富Ti區(qū)，Ti含量逐漸升高，而Ta含量逐漸降低。該Ti-20Ta復(fù)合材料致密度高，只有少量孔隙存在。富Ta 區(qū)的晶粒尺寸較小。從襯度上看，Ti和Ta的互擴(kuò)散范圍有限，微區(qū)成分明顯未均勻化，但具有一定的成分梯度。這是由于放電等離子燒結(jié)是一個(gè)快速的致密化過程，Ti和Ta的互擴(kuò)散速率有限[13]。后續(xù)熱加工過程溫度較低，Ta的擴(kuò)散也不充分，保留了非均勻成分結(jié)構(gòu)[14]。

表2 圖2(b)中A、B、C點(diǎn)的元素組成Table 2 Elemental compositions of point A, B and C shown in Fig.1(b) (mole fraction, %)

圖2 Ti-Ta復(fù)合材料的顯微組織Fig.2 Microstructures of Ti-Ta composite material

圖3所示為Ti-20Ta 復(fù)合材料經(jīng)過表面噴砂處理和堿熱處理后的表面形貌。從圖3(a)和3(b)可以看出，經(jīng)過噴砂處理后，材料表面凹凸不平。這種粗糙形貌有利于細(xì)胞的黏著生長(zhǎng)及與骨組織的機(jī)械嚙合[15?16]。從圖3(c)～(e)中可以看到，堿熱處理后樣品表面更加不均勻，高放大倍數(shù)下，可觀察到材料表面分布有大量納米尺寸的顆粒。納米結(jié)構(gòu)表面可進(jìn)一步提高細(xì)胞的黏附性能，從而可提高其生物相容性[17?18]。表3所列為經(jīng)過噴砂處理和堿熱處理后的樣品的表面成分，從表中可以看出，經(jīng)過噴砂處理后合金表面成分未發(fā)生明顯變化，基本維持原始成分。經(jīng)過堿熱處理后，表面主要生成了含鈉氧化物。

表3 SB-Ti-Ta與AH-Ti-Ta復(fù)合材料表面結(jié)構(gòu)的元素組成Table 3 Element compositions of SB-Ti-Ta and AH-Ti-Ta composite materials (mole fraction, %)

圖3 SB-Ti-Ta和AH-Ti-Ta復(fù)合材料表面的二次電子像照片F(xiàn)ig.3 Secondary electron images of composite materials

2.3 Ti-20Ta 復(fù)合材料的相組成

為進(jìn)一步分析復(fù)合材料的相結(jié)構(gòu)，采用薄膜模式對(duì)經(jīng)表面改性后的Ti-20Ta 復(fù)合材料的表面進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖4所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)表面改性后的Ti-20Ta 復(fù)合材料表面由Ti與Ta組成。

圖4 SB-Ti-Ta與AH-Ti-Ta復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of SB-Ti-Ta and AH-Ti-Ta composite materials

經(jīng)過堿熱處理形成的表面涂層非常薄，通過XRD無法準(zhǔn)確檢測(cè)到相應(yīng)物相的存在形式。因此，通過XPS技術(shù)進(jìn)一步分析材料表面相關(guān)元素的化學(xué)狀態(tài)。圖5所示為SB-Ti-Ta與AH-Ti-Ta復(fù)合材料表面的XPS圖譜。由圖5(a)可見，SB-Ti-Ta中，Ti 2p峰位位于464.5與458.6 eV處，表明Ti主要以TiO2的形式存在于材料表面，噴砂處理可能對(duì)Ti-Ta復(fù)合材料表面具有一定的氧化作用[19]。而AH-Ti-Ta中，Ti 2p的峰位位于464.2與458.4 eV處，說明Ti元素主要以TiO32?的形式存在于AH-Ti-Ta材料表面[20]。由圖5(b)可見，SBTi-Ta的Ta 4f峰位表明Ta(28.6與23.9 eV)與Ta2O5(25.8 eV)的存在，且Ta2O5的峰強(qiáng)度顯著高于Ta的峰強(qiáng)度[21]。通過堿熱處理，在AH-Ti-Ta中，Ta元素的存在形式轉(zhuǎn)變?yōu)門aO3?(30.4與27.7 eV)與Ta2O5(25.8 eV)，表明堿熱處理對(duì)Ta元素具有很強(qiáng)的氧化作用[22]。由圖5(c)可見，堿熱處理之前，材料表面不含Na元素。堿熱處理之后，AH-Ti-Ta表面Na元素主要以Na2TiO3與NaTaO3形式存在[23]。

圖5 SB-Ti-Ta與AH-Ti-Ta復(fù)合材料表面的XPS圖譜Fig.5 XPS spectra of SB-Ti-Ta and AH-Ti-Ta composite materials

由XPS結(jié)果可知，堿熱處理后，SB-Ti-Ta復(fù)合材料表面生成了以Na2TiO3與NaTaO3形式存在的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然Ti-Ta復(fù)合材料存在組織不均勻性，但改性后材料表面生成的納米結(jié)構(gòu)并未表現(xiàn)出明顯的不均勻性(如圖3(c)～(e)所示)，表明5 mol/L的NaOH溶液可以同時(shí)與Ti和Ta發(fā)生作用，生成形貌類似Na2TiO3與NaTaO3的網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)。堿熱處理過程中，Na2TiO3與NaTaO3的形成機(jī)理可以由以下兩個(gè)反應(yīng)表示：

2.4 Ti-20Ta復(fù)合材料的細(xì)胞相容性

圖6所示為將成骨細(xì)胞接種于材料表面培養(yǎng)48 h后的活性分析結(jié)果。從圖中可以看出，AH-Ti-Ta相較于SB-Ti-Ta可顯著促進(jìn)細(xì)胞的活性(**表示p＜0.01)，表明AH-Ti-Ta表面具有良好的細(xì)胞相容性。AH-Ti-Ta對(duì)細(xì)胞活性的促進(jìn)作用有兩方面的原因。一方面，堿熱處理可在材料表面生成網(wǎng)狀的納米結(jié)構(gòu)并可很大程度地提高蛋白質(zhì)的吸附，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的貼附與生

圖6 MC3T3-E1細(xì)胞在材料表面貼附48 h后的活性Fig.6 Viability of MC3T3-E1 cells attached on Ti-Ta surfaces for 48 h

長(zhǎng)[24?25]；另一方面，堿熱處理改變了材料表面的化學(xué)成分，相較于TiO2與Ta2O5，Na2TiO3與NaTaO3具有更高的細(xì)胞活性[23]。

3 結(jié)論

1) 經(jīng)放電等離子燒結(jié)和熱變形處理后，Ti-Ta復(fù)合材料能夠保持非均質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)，存在富Ti區(qū)和富Ta區(qū)，且兩區(qū)間的成分?jǐn)U散梯度較小。

2) 堿熱處理可在Ti-Ta復(fù)合材料表面形成納米結(jié)構(gòu)，其成分主要由鈦酸鈉與鉭酸鈉鹽類構(gòu)成。

3) 堿熱處理后的Ti-Ta復(fù)合材料生物學(xué)性能得到了較大的改善，其主要得益于表面納米結(jié)構(gòu)的引入。