李秋桐， 劉傳宏， 曹 燦

1.沈陽市口腔醫(yī)院 修復一科，遼寧 沈陽 110002；2.遼寧省軍區(qū)沈陽第一離職干休所門診部，遼寧 沈陽 110058；3.北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 口腔科，遼寧 沈陽 110016

口腔種植是臨床上治療牙列缺失和缺損的常用修復技術(shù)。為提高種植體與周圍骨組織的生物相容性，提高骨結(jié)合的成功率，種植體表面廣泛采用各類技術(shù)進行涂層改性。作為種植體表面常規(guī)涂層改性技術(shù)，陽極氧化依賴電化學反應在光滑的種植體表面形成新的納米管陣列樣形貌，該形貌在種植體周圍成骨過程中發(fā)揮重要作用[1-2]。與光滑純鈦相比，納米陣列樣形貌被證明具有更好的生物活性，并能夠更好地促進骨髓干細胞向成骨方向的分化[3-4]。陽極氧化電解液配方包括以氫氟酸水溶液為代表的的無機氟化合物電解液配方和以氟化銨、乙二醇電解液為代表的有機氟化合物電解液配方這兩大類[3-4]。其中，氫氟酸水溶液電解配方納米陣列已在生物材料領(lǐng)域開展了大量的研究[5-8]。種植體所應用的生物環(huán)境都是富水環(huán)境。目前，關(guān)于富水環(huán)境下二氧化鈦(TiO2)納米陣列穩(wěn)定性的相關(guān)研究報道較少。本研究旨在探討種植體表面無機配方下陽極氧化涂層在富水環(huán)境下的穩(wěn)定性。現(xiàn)報道如下。

1 材料與方法

1.1 主要材料 正方形純鈦試樣(10 mm×10 mm×1 mm，四川大學材料學院)；SiC砂紙400、800、1 200、2 000目(鷹牌，韓國)；去離子水(北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院藥劑科)；氫氟酸(天津天力化學試劑有限公司)。

1.2 儀器及設(shè)備 穩(wěn)流穩(wěn)壓直流電源(TPR6405D，LongWei，香港)；磁力攪拌器(江蘇金壇儀器設(shè)備廠)；超聲波清洗機(UC-50，Whaledent，德國)；體式顯微鏡(Leica，德國)；場發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800，Hitachi，日本)。

1.3 研究方法 正方形鈦片用碳化硅砂紙400～2 000目順次打磨，表面形成光滑鏡面后，經(jīng)過丙酮、乙醇和去離子水順次清洗5 min，室溫條件下干燥備用。納米管的制備需配制為0.5 wt%氫氟酸水溶液作為陽極氧化電解液，以純鈦為陽極，以鉑為陰極在20 V的直流電作用下進行30 min得到TiO2納米陣列；經(jīng)過丙酮、乙醇、去離子水順次清洗10 min，室溫(24 ℃)下自然干燥，無機氟化合物電解液配方陽極氧化制備TiO2納米陣列(inorganic fluoride compoundelectrolyte anodized TiO2nanotubes arrays，IF-NA)。IF-NA置于含去離子水溶液5 ml的24孔板中1 d、3 d、7 d。使用體式顯微鏡觀察試樣在去離子水中浸泡后表面的顏色變化，使用場發(fā)射掃面電子顯微鏡觀察試樣表面形態(tài)特征。

2 結(jié)果

2.1 體式顯微鏡鈦片表面特征 體式顯微鏡下觀察可見制備好的TiO2納米陣列是典型的褐色外觀，經(jīng)過在去離子水浸泡1 d后可見試件表面的褐色已經(jīng)向白灰色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，試件外觀與陽極氧化后相比發(fā)生明顯改變。伴隨浸泡時間的延長，試件表面的亮度繼續(xù)提高。在浸泡7 d后，試件表面亮度明顯提高，顏色徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榘谆疑Ｒ妶D1。

圖1 體式顯微鏡下浸泡不同時間鈦片顏色變化

2.2 掃描電鏡下試件表面形貌特征 以氫氟酸水溶液為代表的電解液在20 V進行陽極氧化得到納米陣列管徑為80～100 nm，管口形態(tài)為不規(guī)則的圓形或圓錐形，納米管組成的簇與簇之間有較窄的裂隙(20～30 nm)，納米管均勻有序地分布在純鈦表面。經(jīng)過在去離子水中浸泡處理時間1 d時，兩種納米管陣列的形貌開始出現(xiàn)輕微形貌的變化，納米管內(nèi)未出現(xiàn)少量米顆粒樣的結(jié)構(gòu)。隨著浸泡時間的延長，在浸泡到3 d時，IF-NA納米顆粒數(shù)量逐漸增多。在浸泡7 d后，納米管表面被大量的晶體結(jié)構(gòu)所覆蓋，納米管陣列樣形貌不再清晰。納米晶體結(jié)構(gòu)覆蓋下納米管樣結(jié)構(gòu)仍具有完整的管壁特征，提示新生成的晶體顆粒覆蓋在原有納米管表面。見圖2。去離子水環(huán)境下多重納米陣列種植體涂層穩(wěn)定性變化制備示意圖見圖3。

圖2 IF-NA為經(jīng)過去離子水浸泡0 d、1 d、3 d、7 d后形貌變化后納米陣列的管口形貌圖

圖3 去離子水環(huán)境下多重納米陣列種植體涂層穩(wěn)定性變化制備示意圖(A為電化學反應下離子分布；B為管內(nèi)pH值的分布；C為不同區(qū)域溶解性的不同；D為去離子水后管壁形貌變化)

3 討論

陽極氧化是一種種植體涂層改性技術(shù)，可提高種植體與周圍骨組織的生物相容性，被廣泛應用于修復牙列缺失和缺損。陽極氧化形成納米陣列樣的獨特形貌被證明具有良好的生物活性[9]，但是關(guān)于上述結(jié)構(gòu)在富水環(huán)境下穩(wěn)定性的相關(guān)研究報道較少。本研究初步探討了IF-NA在水環(huán)境下的宏觀和微觀形貌的改變。

體式顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，剛制備好的陽極氧化鈦片顏色為灰褐色，這與Palma等[10]研究結(jié)果相符。隨著在富水環(huán)境中浸泡時間的延長，鈦片表面顏色轉(zhuǎn)變?yōu)榘谆疑@提示新生成結(jié)構(gòu)改變了材料表面的折射和反射特性。為了深入研究TiO2納米陣列在水溶液發(fā)生的微觀形貌變化，本研究應用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，常規(guī)陽極氧化處理得到納米管陣列樣結(jié)構(gòu)，在富水環(huán)境下浸泡1 d后，表面開始出現(xiàn)100 nm大小的針形顆粒樣結(jié)構(gòu)；隨著浸泡時間的延長，更多的顆粒覆蓋于納米管上，形成了“花環(huán)”樣結(jié)構(gòu)；浸泡7 d時最終封閉下方的納米管口。

陽極氧化反應基礎(chǔ)變化是在金屬表面生成一層致密的氧化層薄膜。在直流電壓下，陽極的純鈦會在表面生成一層極為致密均勻的氧化層(TiO2)，隨著陽極氧化時間的延長，氧化層的厚度會逐漸增厚，在氧化膜生成的同時，氧化膜在酸性含氟電解液中發(fā)生化學溶解，形成大量隨機的孔洞；而當初始孔洞形成后將重復完成上述電化學反應，由于孔洞底部的pH值較低、電流密度較大，所以其溶解速度大；而表面的pH值較高、電流密度較低，所以溶解速度小。這使得納米孔洞進一步向內(nèi)部生長為規(guī)則的納米管狀結(jié)構(gòu)[1，3]。上述變化過程氟離子吸引在納米管深處，與鈦元素結(jié)合能力強[11-12]。筆者推測，殘留氟化物可能潛在腐蝕TiO2納米管，溶解形成的含鈦化合物再次結(jié)晶附著在納米管表面形成了大量的納米顆粒，但相關(guān)猜想亟需進一步研究證實。種植體的應用環(huán)境是富水的環(huán)境，體內(nèi)環(huán)境會被大量的血液和組織液包繞，上述變化改變涂層表面形貌對于成骨效果存在潛在影響。

綜上所述，純鈦表面陽極氧化涂層在富水環(huán)境中穩(wěn)定性較差，臨床上種植體表面陽極氧化技術(shù)的應用應充分考慮到富水環(huán)境下穩(wěn)定性所帶來的影響。