引氟量對(duì)鈦表面電沉積含氟羥基磷灰石涂層的影響

黃春鵬，王劍 *，車道闖

（1.海南口腔醫(yī)院，海南 海口 570105；2.四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610041）

1 前言

鈦及鈦合金具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，是骨內(nèi)植入常用的金屬材料，但鈦金屬本身的生物活性較差。羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)因其良好的生物活性和骨誘導(dǎo)性而被廣泛用作金屬植入材料的活性涂層，但在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石在體內(nèi)的降解速度較快，導(dǎo)致涂層的剝落，以致表面活性在體內(nèi)快速失效。利用氟離子(F-)取代羥基(OH-)形成含氟羥基磷灰石(fluorohydroxyapatite，F(xiàn)HA)，可以降低純羥基磷灰石涂層的溶解性，且熱膨脹系數(shù)與金屬基體更為匹配，從而顯著提高涂層在生理液中的穩(wěn)定性[1]。FHA 還具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，提高成骨過程中生物礦化和磷灰石晶體形成的作用[2]，因而成為近年來(lái)生物材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。

電化學(xué)沉積法在鈦基底上制備鈣-磷鹽涂層具有許多其他方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，然而，利用該技術(shù)制備FHA 涂層的方法卻鮮有報(bào)道。Shirkhanzadeh[3]曾在電化學(xué)沉積羥基磷灰石涂層的電解液中加入0.001 mol/L NaF，得到了FHA 涂層，但其論文中并未闡述所得FHA晶體中的鈣氟比[即n(Ca)/n(F)]，也未研究不同NaF加入濃度對(duì)FHA 晶體結(jié)構(gòu)、鈣氟比、溶解性、結(jié)合強(qiáng)度等的影響。由于F-的加入量并非越多越好，過量的F-反而會(huì)對(duì)成骨細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用，減緩成骨；涂層的溶解性也并非越低越好，過低的溶解性雖然可以獲得較好的遠(yuǎn)期穩(wěn)定性，但卻會(huì)導(dǎo)致磷灰石涂層中的鈣磷無(wú)法在周圍組織中形成有效濃度，失去對(duì)成骨的促進(jìn)作用，降低了生物活性[4]。因此，有必要通過探索不同含氟量對(duì)涂層結(jié)構(gòu)與性能的影響，找到遠(yuǎn)期穩(wěn)定性和生物活性兩者之間的理想結(jié)合點(diǎn)。

本文在前期成功制備FHA 涂層的基礎(chǔ)上[5]，通過改變電解液中引氟劑NaF 的濃度，在鈦表面進(jìn)行電沉積后，對(duì)涂層進(jìn)行理化性能表征，探討不同引氟量對(duì)涂層性質(zhì)的影響，從而優(yōu)化工藝條件，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

所用商業(yè)純鈦片由陜西寶雞有色金屬工業(yè)公司生產(chǎn)。試劑均為分析純，由成都科龍化工試劑廠生產(chǎn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 基底鈦片的處理

鈦片用300# ～ 1200#水砂紙逐級(jí)打磨，水洗后置于無(wú)水乙醇及丙酮中超聲清洗各15 min，然后用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HF 溶液處理2 min，水洗。鈦片非工作面積用聚四氟乙烯帶包裹絕緣，保留5 cm 長(zhǎng)度作為工作端，邊緣砂磨圓鈍以避免邊緣效應(yīng)。

2.2.2 電解液的配制

電解液含0.042 mol/L Ca(NO3)2·4H2O、0.025 mol/L NH4H2PO4、0.15 mol/L NaNO3以及6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的H2O2，用稀硝酸調(diào)節(jié)pH 為6.0，保持溶液中鈣磷摩爾比為1.67。在電解液中加入不同量的NaF 粉末，使F-濃度分別為0.001、0.004、0.008、0.012 和0.016 mol/L。根據(jù)引氟量不同，將試件分為5 組，分別用FHA0.001、FHA0.004、FHA0.008、FHA0.012 以及FHA0.016 表示，不加氟的HA 涂層作為對(duì)照組。

2.2.3 電沉積

電化學(xué)沉積過程在電解槽中進(jìn)行，電解液體積為250 mL，用石墨棒作陽(yáng)極，鈦片作陰極，電極間距2.5 cm，用恒溫磁力攪拌器攪拌液體，攪拌速率為180 r/min，保持電解液溫度為60 °C，采用恒電流法進(jìn)行涂層沉積，電流密度0.6 mA/cm2，沉積時(shí)間30 min。

2.2.4 沉積后處理

沉積涂層經(jīng)去離子水清洗并干燥后，置于0.1 mol/L NaOH 溶液中在60 °C 下水熱處理48 h，最后將堿液處理后的試樣進(jìn)行真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度650 °C，升溫速率5 °C/min，保溫2 h，降溫速率1 °C/min，真空度為5 × 10-4Pa。

2.2.5 涂層表征

采用JEOL 的JEM-5900LV 掃描電鏡(SEM)觀察涂層表面形貌。采用日本理學(xué)的D/max-rA 旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線衍射儀(XRD)分析涂層晶體結(jié)構(gòu)，測(cè)試條件為：Cu 靶/石墨單色器(λ = 0.154 2 nm)，管壓42 kV，管流110 mA，掃描速率0.4°/s，步長(zhǎng)0.02°。采用Nicolet MX-1E FT-IR 紅外光譜儀測(cè)定涂層中磷酸根和羥基的振動(dòng)光譜。采用QUANTUM 2000 Scanning ESCA Microprobe 光電子能譜儀(XPS)進(jìn)行元素掃描及定量分析，激發(fā)源為Al 陽(yáng)極靶，150 mS/0.50 eV，掃描2 次疊加。

3 結(jié)果與討論

3.1 SEM 分析

FHA 涂層的表面形貌和HA 涂層有較大區(qū)別。HA涂層(見圖1a)中，片狀結(jié)構(gòu)表面有顆粒狀外觀的微小晶體，相鄰彎曲片狀圍成不規(guī)則的平均直徑1 μm 以下的孔洞。FHA 涂層則沒有類似的片狀多孔結(jié)構(gòu)。如圖1b 所示，當(dāng)引氟量較低時(shí)，在低倍下可見其表面結(jié)構(gòu)致密，起伏不平，呈團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)；高倍下可見團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)由許多細(xì)小棒狀晶體緊密排列構(gòu)成，晶體尖端直徑已屬于納米級(jí)(直徑＜100 nm)，晶體間形成了納米級(jí)的微孔隙。隨著引氟量的增加，涂層總體形貌變化不大，但單個(gè)棒狀晶體的直徑變小，顯得更加緊湊致密，如圖1c 所示。

圖1 不同引氟量時(shí)涂層表面的掃描電鏡照片 Figure 1 SEM images of the coatings obtained with different fluorine concentrations in electrolyte

3.2 XRD 分析

各實(shí)驗(yàn)組FHA 與對(duì)照組HA 涂層的XRD 譜圖如圖2所示，其中均出現(xiàn)(002)、(211)、(112)等磷灰石晶體的特征峰。當(dāng)引氟量逐漸增加時(shí)，涂層晶相的主衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，峰形更尖銳，表明FHA 涂層的結(jié)晶度在逐漸增加。另外，F(xiàn)HA 涂層的衍射峰比HA涂層更尖銳，說明F-可能在取代OH-后引起涂層結(jié)晶度提高。這可能是由于氟離子的直徑小于羥基，當(dāng)它進(jìn)入HA 晶體結(jié)構(gòu)中置換部分羥基后，磷灰石的晶格就會(huì)更緊密，結(jié)晶度更高。這一點(diǎn)也可以從晶格常數(shù)a值體現(xiàn)出來(lái)：本實(shí)驗(yàn)FHA 涂層的晶格常數(shù)a 值介于純HA 的0.941 8 nm 和氟磷灰石(FA)的0.936 8 nm 之間，含氟量越大，a 值越小，晶體結(jié)構(gòu)越緊密。除此之外，氟離子還可以進(jìn)入HA 晶胞，填補(bǔ)其中的空缺位置，促進(jìn)磷灰石晶體的形成，同樣可以使磷灰石晶體結(jié)構(gòu)更緊密，晶粒發(fā)育更加完善。 FHA涂層的晶體擇優(yōu)取向也與HA涂層有所區(qū)別。本實(shí)驗(yàn)獲得的HA 涂層擇優(yōu)取向和標(biāo)準(zhǔn)HA 粉末一致，其(002)峰低于(211)峰，表現(xiàn)為顆粒狀外觀；隨著引氟量增加，F(xiàn)HA 涂層的擇優(yōu)取向逐漸發(fā)生改變，其(002)峰逐漸增高，與(211)峰逐漸平齊并最終超過(211)峰的高度。(002)晶面的強(qiáng)峰顯示了晶粒是沿c 軸方向垂直于電極表面擇優(yōu)生長(zhǎng)的，表現(xiàn)為針狀和短棒狀外觀，這一點(diǎn)可以從SEM 觀測(cè)結(jié)果得到驗(yàn)證。擇優(yōu)取向改變的原因可能與晶體結(jié)構(gòu)改變和電極基底的誘導(dǎo)作用有關(guān)。

圖2 不同引氟量時(shí)涂層的XRD 譜圖 Figure 2 XRD patterns of the coatings obtained with different fluorine concentrations in electrolyte

3.3 FT-IR 分析

FHA 和HA 涂層FT-IR 的差別主要表現(xiàn)在羥基的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)方面，具體數(shù)據(jù)見表1及圖3。

表1 不同引氟量時(shí)涂層的羥基振動(dòng)頻率 Table 1 Stretching vibration frequencies of hydroxyl in the coatings obtained with different fluorine concentrations in electrolyte (cm-1)

圖3 不同引氟量時(shí)涂層的FT-IR 譜圖 Figure 3 FT-IR spectra of the coatings obtained with different fluorine concentrations in electrolyte

對(duì)于HA涂層，OH-的振動(dòng)頻率只有2個(gè)：3 573 cm-1(伸縮振動(dòng) σ1)和634 cm-1(彎曲振動(dòng) σ2)，此時(shí)的 σ1峰屬于典型的氫氧鍵(OH···OH···OH)， σ2峰屬于面外彎曲振動(dòng)，峰窄而強(qiáng)，此時(shí)面內(nèi)彎曲振動(dòng) σ3尚未出現(xiàn)。

對(duì)于FHA0.001 涂層， σ1峰出現(xiàn)了分裂，在低頻處出現(xiàn)了 σ1′峰(3 542 cm-1)，此峰屬于氟氫鍵(─OH···F)，與文獻(xiàn)報(bào)道相似[6]。其羥基鍵長(zhǎng)受F 電負(fù)性影響而增大，導(dǎo)致鍵力常數(shù)減小，頻率向低頻移動(dòng)。此時(shí)由于F-加入量較小， σ1峰強(qiáng)大于 σ1′峰強(qiáng)，說明固溶體中屬氫氧鍵的OH-摩爾分?jǐn)?shù)大于屬氟氫鍵的OH-摩爾分?jǐn)?shù)，且其氟氫鍵型為[OH···F─OH](1 個(gè)氟被2 個(gè)羥基包圍)。同時(shí)，面內(nèi)彎曲振動(dòng) σ3峰出現(xiàn)。

對(duì)于FHA0.004 涂層，紅外光譜中出現(xiàn)的峰與FHA0.001 涂層類似，但 σ1峰強(qiáng)等于 σ1′峰強(qiáng)，此時(shí)屬氫氧鍵的OH-摩爾分?jǐn)?shù)等于屬氟氫鍵的OH-摩爾分?jǐn)?shù)，且其氟氫鍵型為[OH······F]。

對(duì)于FHA0.008 涂層， σ1峰強(qiáng)小于 σ1′峰強(qiáng)，此時(shí)屬氫氧鍵的OH-摩爾分?jǐn)?shù)小于屬氟氫鍵的OH-摩爾分?jǐn)?shù)，其氟氫鍵型變?yōu)閇F─OH···F](羥基被兩個(gè)氟包圍)，同時(shí)出現(xiàn)了 σ2′峰和 σ3′峰， σ2峰強(qiáng)減弱。

對(duì)于FHA0.012 涂層，由于OH-量減少， σ1峰和 σ1′峰的強(qiáng)度均降低，并且 σ2峰消失。

FHA0.016 涂層的峰數(shù)和峰強(qiáng)均與FHA0.012 涂層相當(dāng)。

在HA 中，晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性使 σ2與 σ3簡(jiǎn)并，所以只看到 σ1和 σ2峰。當(dāng)F-進(jìn)入通道結(jié)構(gòu)，羥基周圍環(huán)境的對(duì)稱性發(fā)生變化，原來(lái)的振動(dòng)模的對(duì)稱性也會(huì)改變，使原來(lái)簡(jiǎn)并的振動(dòng)模出現(xiàn)分裂，在FT-IR 譜中出現(xiàn) σ3的譜帶。這一現(xiàn)象表明，通道離子之間的替換不僅使通道離子的有序度發(fā)生改變，而且使晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性出現(xiàn)變化。

3.4 XPS 分析

通過對(duì)FHA各組涂層表面進(jìn)行XPS全譜掃描分析發(fā)現(xiàn)，其元素組成與HA 涂層相似。但從圖4可以看出，由于NaF 的引入，F(xiàn)HA 涂層全譜圖中在684.3 eV附近出現(xiàn)了F1s 峰，并且隨著引氟量的增加，F(xiàn)1s 峰逐漸增強(qiáng)；另外，當(dāng)NaF 濃度達(dá)到0.008 mol/L 時(shí)，還出現(xiàn)了F 的俄歇峰F(KLL)峰。根據(jù)以往學(xué)者的研究[7]，684.3 eV 的F1s 峰是F-進(jìn)入FHA 的標(biāo)志。據(jù)此可以推斷，通過在電解液中添加NaF 的方法，可以得到FHA涂層。

圖4 FHA0.008 組涂層的XPS 全譜圖 Figure 4 XPS spectrum for the coating obtained with 0.008 mol/L F- in electrolyte

進(jìn)一步對(duì)涂層中的Ca、P、F 進(jìn)行單譜分析，可以得出摩爾比n(Ca)/n(P)和n(Ca)/n(F)，見表2。

表2 HA 和FHA 涂層的鈣磷及鈣氟摩爾比及理論分子式 Table 2 Molar ratios of Ca to P and Ca to F and theoretical molecular formula of HA and FHA coatings

根據(jù)表2可以推出FHA 的理論分子式。由于發(fā)生取代的只是F-和OH-，因此鈣磷比未發(fā)生太大變化，與對(duì)照組HA 涂層相似，表明所得FHA 涂層的結(jié)構(gòu)較純。將引氟量與實(shí)際得到的FHA 分子式中的氟含量對(duì)照可發(fā)現(xiàn)：從FHA0.001 到FHA0.012 組，即F-加入量從0.001 mol/L 到0.012 mol/L，涂層含氟量逐漸升高；當(dāng)F-加入量繼續(xù)增大至超過0.012 mol/L，含氟量并不發(fā)生改變，n(Ca)/n(F)維持在8∶1，此時(shí)的理論分子式為Ca10(PO4)6(F1.25OH0.75)。由此可初步推斷，通過電化學(xué)沉積法制備FHA 涂層，最多只能得到分子式為Ca10(PO4)6(F1.25OH0.75)的FHA 晶體，其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1) 采用電沉積HA 的方法，在電解液中加入NaF，可以在涂層中引入氟，生成FHA 涂層。

(2) 電沉積所得FHA 的晶體直徑達(dá)到納米級(jí)。

(3) 當(dāng)電解液中NaF 的濃度低于0.012 mol/L 時(shí)，隨著引氟量增加，所得FHA 涂層的含氟量也相應(yīng)增加；但當(dāng)加入的NaF 濃度高于0.012 mol/L 時(shí)，隨著引氟量增加，涂層的含氟量保持穩(wěn)定。

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