王培，李少龍，張長(zhǎng)偉，羅倩

（西北有色金屬研究院，西安 710016）

鈦是一種常見(jiàn)的生物醫(yī)用材料，因其優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的生物相容性和低廉的成本，在牙科和骨科種植體中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。而與大多數(shù)金屬一樣，由于其具有生物惰性，不能與天然骨組織形成充分的骨結(jié)合，導(dǎo)致骨整合不良，植入失敗的案例仍然頻繁發(fā)生[4-5]。因此，對(duì)種植體進(jìn)行表面修飾以增強(qiáng)其生物相容性，成為人們廣泛關(guān)注的課題。天然骨的結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，由宏觀、微觀和納米尺度的組織組成，所以從仿生的角度來(lái)看，具有微納米表面形貌的種植體在增強(qiáng)骨整合方面具有巨大的潛力。目前，研究人員已經(jīng)提出了多種方法或多種方法的組合，如使用超聲噴丸[6-8]、激光處理[9-10]、等離子噴涂[11-15]、離子注入[16-18]、堿熱處理[19-22]、酸刻蝕[23-24]和電化學(xué)刻蝕[25-29]等方法，來(lái)改善鈦的表面性質(zhì)，除可獲得良好的表面形貌外，還可以獲得良好的親水性，有效地促進(jìn)細(xì)胞或骨組織生長(zhǎng)。

3D 打印技術(shù)具有良好的優(yōu)勢(shì)，但打印出來(lái)的鈦部件，其表面質(zhì)量遠(yuǎn)不滿足植入材料的要求。在熔化過(guò)程中，能量束掃描路徑附近過(guò)量的鈦粉會(huì)產(chǎn)生部分燒結(jié)，冷卻后，在基體上不可避免地會(huì)附著剛性殘留物。任何殘留的粉末從基體中分離，并進(jìn)一步循環(huán)到體液系統(tǒng)中，都會(huì)危害健康。有報(bào)道稱，鈦粉可導(dǎo)致骨吸收和骨溶解[30]。這種擔(dān)憂也是這種新型種植體制造技術(shù)引入臨床應(yīng)用中主要面臨的問(wèn)題之一。因此，3D 打印后，再進(jìn)行表面修飾的后處理是必要的。后處理可以去除基底上殘留的粉末，構(gòu)建適宜的表面形貌，改善種植材料的骨整合效果。

本文提出了一種專門(mén)用于3D 打印Ti-6Al-4V 植入體表面改性的新方法。針對(duì)3D 打印Ti-6Al-4V 植入體的宏觀特征，設(shè)計(jì)了一種納米多孔形貌對(duì)其進(jìn)行修飾。采用激光快速成形技術(shù)制備了Ti-6Al-4V 植入體，并對(duì)其進(jìn)行高壓水沖洗、酸蝕和陽(yáng)極氧化處理，在其表面構(gòu)建了分層的納米級(jí)多孔TiO2類骨膜層結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 3D 打印Ti-6Al-4V 鈦合金的制備

首先，利用激光束對(duì)印刷床進(jìn)行預(yù)熱，將直徑為45～106 m 的Ti-6Al-4V 球形粉末鋪在印刷床上，在可控真空環(huán)境下，進(jìn)行激光束逐層掃描（為了防止氧化，采用高純氦氣作為調(diào)節(jié)氣體），制備尺寸為10 mm×10 mm×1 mm 的正方形或φ10 mm×1 mm 的圓形薄片，通過(guò)3D 打印技術(shù)構(gòu)建微米級(jí)多孔粗糙表面。采用壓強(qiáng)為0.8 MPa 的高壓水沖洗薄片5～10 min 后，將其放入V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶10 的溶液中，腐蝕4～6 min，直至表面光亮，然后將試樣置于無(wú)水乙醇和去離子水中，分別超聲清洗10 min。

采用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備TiO2納米級(jí)孔洞表面。將試樣置于60 ℃的5 mol/LNaOH 溶液中，采用直流穩(wěn)壓電源，其中，3D 打印Ti-6Al-4V 試樣片作為陽(yáng)極，Cu 電極作為陰極，兩電極平衡放置，距離保持5 cm。取出試樣，經(jīng)去離子水沖洗30 s，隨后放置于60 ℃恒溫干燥箱中干燥，備用。

1.2 測(cè)試表征

通過(guò)X 射線衍射儀（D8 ADVANCE）對(duì)納米多孔層的物相進(jìn)行分析。使用鎢燈絲掃描電鏡（JSM-6460）對(duì)納米多孔層的組織形貌、微區(qū)成分進(jìn)行測(cè)試。用金相顯微鏡（PMG3）觀察納米多孔層的顯微組織。采用接觸角測(cè)試儀，通過(guò)靜滴法（溫度25 ℃，濕度50%）測(cè)量蒸餾水與樣品表面之間的接觸角。

2 前處理及表面特征分析

高壓水可以將試樣表面未完全熔化且結(jié)合不良的鈦合金球形粉末顆粒沖洗掉，保證了后續(xù)制備的TiO2納米多孔層與基體間良好的結(jié)合性。圖1 為經(jīng)高壓水沖洗后3D 打印Ti-6Al-4V 合金試樣的表面宏觀形貌，可以觀察到，其表面粗糙且致密度低，存在一定數(shù)量的微米級(jí)孔洞，凹凸不平。

圖1 高壓水沖洗后的3D 打印鈦合金試樣片宏觀照片F(xiàn)ig.1 Macro photo of 3D printed titanium alloy specimen after high pressure water washing

由于3D 打印制備的材料表面粗糙度大且存在各向異性，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)電化學(xué)過(guò)程中的電場(chǎng)放電不均勻，使制備的TiO2納米多孔膜層穩(wěn)定性差，如表面顏色不均勻、孔洞尺寸大等問(wèn)題，因此不能直接在3D打印材料表面制備出理想的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)[31]，對(duì)3D 打印表面進(jìn)行酸蝕，可以較好地解決該問(wèn)題，但是不同的酸蝕配方、溫度和時(shí)間對(duì)其影響也不同。

圖2 為常溫下經(jīng)混合酸液（V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶10）處理不同時(shí)間的試樣的金相形貌。從圖中可以看出，隨著處理時(shí)間增加，試樣表面形貌發(fā)生顯著變化。圖2a 為原始組，未經(jīng)酸處理，表面存在鑲嵌態(tài)的球形粉末；在酸處理2 min 時(shí)，試樣表面尚保留部分原始形貌，但部分凸起顆粒已開(kāi)始被腐蝕（圖2b）；酸處理4 min 后，凸起顆粒已被完全腐蝕，表面出現(xiàn)大量溝壑，但溝壑邊界不清晰（圖2c）；酸處理5 min 后，表面較為光滑，溝壑邊界清晰，且變得更細(xì)小，溝壑沿某一方向延展，出現(xiàn)清晰的臺(tái)階形貌。

圖2 3D 打印Ti-6Al-4V 鈦合金試樣片經(jīng)不同時(shí)間酸處理后的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of 3D-printed Ti-6Al-4V titanium alloy samples treated with acid at different times: a) the original

混合酸液處理使3D 打印Ti-6Al-4V 試樣表面宏觀粗糙度降低，材料表面的一致性增強(qiáng)。從微觀上看，其凹凸不平的尺度由微米級(jí)向納米級(jí)轉(zhuǎn)變，比表面積增加顯著，材料表面的水接觸角<5°，親水性增加。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酸處理時(shí)間顯著影響了后續(xù)TiO2納米多孔膜層的穩(wěn)定性。酸處理時(shí)間過(guò)短，后續(xù)電化學(xué)放電均勻性差，孔洞尺寸差距較大，且膜層表面顏色不一致；酸處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，3D 打印試樣材料的粗糙度降低顯著，與常規(guī)鈦合金一樣，丟失了微米級(jí)多孔粗糙表面特性，導(dǎo)致親水性降低，后續(xù)氧化膜層的生物活性降低。

已有的研究表明[32]，微米級(jí)的結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)材料與骨組織的機(jī)械結(jié)合，調(diào)節(jié)骨細(xì)胞的遷移和生長(zhǎng)。而納米結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)細(xì)胞的粘附、分化和基因表達(dá)。相對(duì)單一的微米或納米結(jié)構(gòu)，微納雙級(jí)結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，使材料具有更加優(yōu)異的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn)，混合酸處理時(shí)間達(dá)到4～5 min 后，試樣在后續(xù)陽(yáng)極氧化中的成膜速率更快，穩(wěn)定性更好。

3 表面納米化

3.1 陽(yáng)極氧化的基本工藝

采用高精度直流電源，將前處理的 3D 打印Ti-6Al-4V 鈦合金試樣作為陽(yáng)極，在5 mol/L 的NaOH電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，溶液溫度為50～60 ℃。通過(guò)設(shè)定電壓或電流，在試樣表面制備出呈納米多孔態(tài)的生物活性膜層。通過(guò)調(diào)節(jié)電解液濃度、電壓、電流、處理時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔徑大小的控制。

3.2 納米膜層的成分分析

由圖3 可見(jiàn)，陽(yáng)極氧化后，納米多孔膜層表面出現(xiàn)了Na 元素和O 元素，表明鈦表面生成了某種新的物相。結(jié)合化學(xué)反應(yīng)方程分析結(jié)果，認(rèn)為NaOH堿處理后，樣品表面生成了TiO2和Na2TiO3。鈦合金表面由于生成了水合鈦酸鈉等新相，因而平整度降低，粗糙度增加，表面能增大。但是如果處理液濃度過(guò)高，或者處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)形成較厚的Na2TiO3溶膠層，反而會(huì)導(dǎo)致粗糙度減小，表面能降低。因此，陽(yáng)極氧化工藝對(duì)后續(xù)的納米膜的生物性能影響顯著。

圖3 陽(yáng)極氧化處理后試樣的EDS 面掃描Fig.3 EDS surface scanning of anodized samples

為了進(jìn)一步發(fā)掘陽(yáng)極氧化熱堿處理的潛力，研究者通常會(huì)在陽(yáng)極氧化后，對(duì)試樣表面進(jìn)行后處理，如在600 ℃保溫?zé)崽幚硪欢螘r(shí)間，使其相成分變?yōu)榉€(wěn)定的金紅石型TiO2。納米孔洞的吸附能力較強(qiáng)，吸附物對(duì)成膜顏色和生物活性有影響，采用稀酸長(zhǎng)時(shí)間浸泡，可以完全去除植入體附著的鈉，甚至能夠去除深孔內(nèi)殘留的鈉，從而使陽(yáng)極氧化制備的多孔鈦植入物具有更好的生物活性和成骨誘導(dǎo)能力[21]。

3.3 納米膜層的形成機(jī)理

經(jīng)上述陽(yáng)極氧化處理，在試樣表面制備出含立體網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的納米多孔膜層（圖4），且網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)分布均勻。表面孔洞為多層結(jié)構(gòu)，大孔內(nèi)附有小孔且交錯(cuò)連接，除去3D 打印本身存在的間隙，膜層表面沒(méi)有產(chǎn)生裂紋等缺陷。納米多孔膜層表面孔壁呈纖維狀，表現(xiàn)為高度互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時(shí)，材料的表面為接觸角接近0°的超親水表面，可更多更快地吸附血液中的多種蛋白質(zhì)成分，促進(jìn)骨整合，提高種植修復(fù)的速率和成功率，可以作為醫(yī)用植入體。

圖4 陽(yáng)極氧化處理后試樣的SEM 形貌Fig.4 SEM photos of anodized samples

陽(yáng)極氧化反應(yīng)的條件不同，會(huì)得到形態(tài)各異的氧化鈦膜層結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)試樣的外加能量密度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致形成的納米孔洞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。因此，通常采用恒定電壓（≤35 V）法制備出穩(wěn)定的納米陽(yáng)極氧化鈦孔洞。研究表明[33]，陽(yáng)極氧化膜的生長(zhǎng)過(guò)程是一個(gè)膜生成與溶解的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程。氧化初期，形成的氧化膜與基體存在體積差異，導(dǎo)致膜層產(chǎn)生很大的應(yīng)力，氧化電流會(huì)擊穿薄弱處，形成原始孔的胚胎。隨著氧化時(shí)間延長(zhǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度在孔的徑向和軸向都有分強(qiáng)度，徑向分量促進(jìn)孔直徑不斷擴(kuò)大，軸向分量促進(jìn)孔道向金屬基體內(nèi)部延伸，當(dāng)局部能量積累達(dá)到臨界值時(shí)，徑向的溶解作用使相鄰的兩個(gè)小孔發(fā)生合并，軸向的溶解會(huì)導(dǎo)致孔洞出現(xiàn)崩塌，因而形成了特有的納米級(jí)多層孔洞結(jié)構(gòu)（如圖4）。隨著氧化過(guò)程的持續(xù)推進(jìn)，納米多孔結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸消失，氧化產(chǎn)物大量的產(chǎn)生會(huì)形成如圖5 所示的熔鹽堆積態(tài)平面，且孔洞量變少，尺寸增加。

圖5 陽(yáng)極氧化處理過(guò)長(zhǎng)時(shí)間試樣的SEM 形貌Fig.5 SEM photos of samples that have been anodized for a long time

4 結(jié)論

1）通過(guò)3D 打印技術(shù)構(gòu)建出微米級(jí)多孔粗糙表面，再通過(guò)陽(yáng)極氧化技術(shù)在微米級(jí)多孔粗糙表面構(gòu)建出納米級(jí)結(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮微納結(jié)構(gòu)的生物優(yōu)點(diǎn)。

2）由于3D 打印制備的材料表面粗糙度較大且存在各向異性，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的電化學(xué)過(guò)程中電場(chǎng)放電不均勻，形成的TiO2納米多孔膜層穩(wěn)定性差，采用高壓水處理+酸蝕處理可以較好地解決該問(wèn)題。

3）陽(yáng)極氧化反應(yīng)的條件不同，會(huì)得到形態(tài)各異的氧化鈦膜層結(jié)構(gòu)。氧化初期，形成了特有的納米級(jí)多層孔洞結(jié)構(gòu)。隨著氧化過(guò)程的持續(xù)推進(jìn)，納米多孔結(jié)構(gòu)消失，氧化產(chǎn)物呈堆積態(tài)覆蓋表面，且孔洞量變少，尺寸增加。