復合工藝制備表面分級多孔的鈦合金及生物相容性研究*

吳麗煌，金明江，劉劍楠，韓 婧，金學軍，2

(1. 上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240； 2.上海交通大學 醫療機器人研究中心，上海 200240；3. 上海交通大學 醫學院 上海第九人民醫院，上海 200011)

0 引 言

純鈦及鈦合金是生物植入假體的首選材料之一。全異質純鈦假體雖然具有良好的生物相容性，但由于純鈦的彈性模量遠高于自然骨的彈性模量，純鈦假體植入在臨床上的失敗率仍然高達60%～70%，這也制約著全異質種植體種植技術的發展與應用[1]。近年來，高強低模的β鈦合金成為純鈦的主要替代材料，受到越來越多的關注[2-3]。有研究表明，全異質種植體只有與自體骨整合才能與口腔軟組織有機結合，在種植體表面引入微納分級的多孔粗糙結構，將為種植體的表面帶來更大的比表面積，同時增加種植體表面的粗糙層厚度并改善表面潤濕性，這會有利于靶蛋白的接觸、成骨細胞的粘附，從而有利于新生骨組織長入種植體，促進種植體與新生骨組織牢固地結合，最終實現穩定、快速的骨整合[4-5]。

表面改性技術能使鈦合金材料在具備優良力學性能的同時，具有更好的生物活性和生物相容性[6-7]。鈦合金種植體表面的開放、連通的微納分級結構模擬了骨小梁的層次復雜性，微米結構和納米孔的結合會對細胞增殖和分化產生復合效應，進而在植入愈合過程中促進成骨組織的生長[8-10]。鈦合金種植體的親水性對于其生物相容性能有著關鍵的作用，更高的親水性具有更利于蛋白質和細胞粘附的特性，進而也能提高細胞在材料表面增殖分化的能力[11]。種植體表面潤濕性提升后，將更利于其周圍體液的擴散，促進周圍堿性環境的形成，進而促進細胞的黏附、增殖與分化[12]。

最常見的引入多孔結構的表面改性方法包括陽極氧化、去合金化、堿熱處理、3D打印[13-15]，而去合金化、3D打印的成本相對較高。經噴丸、雙酸酸蝕、堿熱反應復合工藝處理得到的微納分級多孔結構，比用陽極氧化處理得到的的納米管陣列形貌的潤濕性更好[16]。本文的研究采用了在噴丸后，用HCl和H2SO4混合溶液進行雙酸酸蝕，并用NaOH溶液進行堿熱處理的工藝方法，這種復合工藝的成本較低，并且可以穩定地在種植體表面形成具有超親水性的微納分級多孔結構。通過表面改性的方法，可以在鈦合金材料表面引入微納分級多孔結構，從而改善種植體材料表面的潤濕性、CaP沉積能力等生物相容性能。

1 實驗部分

1.1 鈦合金樣品的制備

將純度≥99.95%的鈦片、純度≥99.95%的鈮顆粒、純度≥99.95%的鋯塊以及純度≥99.95%的錫顆粒，按表 1質量分數進行配比后熔煉得到合金錠。本文采用的冷坩堝懸浮熔煉技術是將多種金屬逐一添加至熔爐中，確保每次熔煉都能將固體金屬和液體合金熔勻；另外，在熔煉過程中，金屬全部融化后，將合金溶液在高功率下停留2 min，以確保合金成分擴散得足夠均勻；最后，在合金錠出爐后，將合金錠翻轉重熔2遍，以確保最終得到的合金錠成分分布均勻。合金熔煉完成后，將合金錠在1 173 K下反復軋制至厚度為2 mm的薄板，然后在真空石英管中1 173 K下固溶處理30 min，然后將合金薄板常溫儲存備用。

表1 本研究采用的合金配比參數

1.2 鈦合金樣品的表面處理

本研究采用的復合工藝包括：噴丸、雙酸酸蝕、堿熱處理。所有待噴丸的樣品都采用統一的實驗參數：噴丸壓力為0.5 MPa，噴丸角度為45°，噴丸距離為10 mm，噴砂選用直徑為400 μm的SiO2顆粒，噴丸時間為30 s；雙酸酸蝕采用的混合溶液包含濃度為6.10 mol/L HCl和濃度為8.86 mol/L H2SO4，反應溫度為80 ℃，反應時間為30 min，酸蝕過程中保持噴丸表面朝上；酸蝕處理后分別將樣品放入80 ℃的4 mol/L的NaOH溶液中堿熱處理4 h，堿熱處理過程中保持噴丸表面朝上。將進行了噴丸和酸蝕處理的鈦合金樣品標記為SLA Ti38Nb、SLA Ti40Nb、SLA Ti32Nb4Sn、SLA Ti2448；將進行了堿熱處理的鈦合金樣品標記為SLA+AT Ti38Nb、SLA+AT Ti40Nb、SLA+AT Ti32Nb4Sn、SLA+AT Ti2448。噴丸設備型號為Tb-6050的工業噴砂機，酸蝕和堿熱處理均在恒溫水浴鍋中進行。

1.3 鈦合金表面的Ca/P沉積實驗

本研究采用羥基磷灰石沉積實驗來檢測樣品表面的生物相容性能。Ca/P沉積實驗采用的培養液是在37 ℃、pH 7.4～7.5、低溫2～8 ℃保存的改性模擬體液，改性模擬體液(m-SBF)、傳統模擬體液及血漿的各類成分含量對比如表 2所示。羥基磷灰石沉積實驗過程中，將經過無菌處理的每組2個Smooth Ti38Nb、Smooth Ti40Nb、Smooth Ti32Nb4Sn、Smooth Ti2448、SLA+AT Ti38Nb、SLA+AT Ti40Nb、SLA+AT Ti32Nb4Sn、SLA+AT Ti2448樣品置于16孔板培養皿中，并在放置樣品的每個孔內滴入約2 mL的m-SBF培養液，然后將16孔板培養皿密封。將裝有純鈦樣品的16孔板培養皿放置在恒溫箱中保持37 ℃浸泡7天，培養期間每2天將培養液更新一次。培養7天后將樣品取出，用去離子水和乙醇依次漂洗樣品，并在37℃真空環境中干燥2天，取樣密封保存。將進行了羥基磷灰石沉積實驗的鈦合金樣品分別標記為：SBF Smooth Ti38Nb、SBF Smooth Ti40Nb、SBF Smooth Ti32Nb4Sn、SBF Smooth Ti2448、SBF SLA+AT Ti38Nb、SBF SLA+AT Ti40Nb、SBF SLA+AT Ti32Nb4Sn、SBF SLA+AT Ti2448。改良模擬體液由Phygene公司提供，恒溫箱型號為DZF-6020真空烘箱。

表2 改性模擬體液、傳統模擬體液及血漿的成分對比

1.4 鈦合金表面的性能表征

用JEOL JSM-7800F Prime超級分辨率場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察Smooth、SLA和SLA+AT鈦合金樣品的表面微觀結構，并用Mitutoyo SJ-201粗糙度測試儀測定樣品表面的粗糙度。SLA和SLA+AT鈦合金樣品表面的化學成分是用D8 ADVANCE Da Vinci多功能X射線衍射儀(XRD)檢測的。Smooth、SLA和SLA+AT鈦合金樣品表面的潤濕性是用DSA 100接觸角分析儀測定的。SBF鈦合金樣品表面的微觀結構、元素表觀濃度和表面成分是用Mira3分析型高分表掃描電鏡(SEM)、MIRA3 X射線能譜儀(EDS)和AXIS UltraDLD X射線光電子能譜(XPS)檢測的。

2 結果與討論

2.1 鈦合金的表面形貌

如圖1所示，通過噴丸、雙酸酸蝕和堿熱處理復合工藝處理后，所有鈦合金樣品表面都形成了與人皮質骨結構相似的微納分級多孔網狀結構，這種結構能夠在骨整合過程中為成骨細胞提供更大的表面積，有利于存儲營養物質和液體，進而有利于成骨細胞的粘附、增殖和分化[17-18]。對鈦合金樣品表面的微米結構和納米孔尺寸進行測量后發現，微米結構和納米孔都呈現了雙峰結構，即微米結構和納米孔的尺寸都集中分布在某一個范圍附近。鈦合金表面微結構的尺寸是用Nano Measurement軟件測量的，為了保證尺寸分布結果的準確性，我們在每個圖像上都采集了100余個數據，并根據微結構的尺寸分布作了如圖 2所示的柱狀圖。如圖 2所示，Ti2448表面微米結構的平均尺寸最大，約為2.21 μm；Ti40Nb表面納米孔的平均尺寸最大，約為88.2 nm。

圖1 經復合工藝處理后的SLA+AT鈦合金表面形貌Fig 1 Surface morphology of SLA+AT Ti-alloy after multi-processes treatment

結合SEM圖像(圖1)和微納米結構尺寸測量結果(圖2)，SLA Ti32Nb4Sn和SLA Ti2448表面在經過噴丸和雙酸酸蝕處理后，形成了更加均勻的、尺寸更大的雙級微米結構；而SLA Ti38Nb和SLA Ti40Nb表面則形成了包含大量微米結構和亞微米結構的無規則形貌。SLA Ti32Nb4Sn和SLA Ti2448樣品中，都含有熔點較低的Sn元素，這說明在合金中添加Sn元素有助于在合金樣品表面形成更加均勻、尺寸更大的微米結構。同理，含有Zr元素的SLA Ti2448的表面形貌相比于不含Zr元素的SLA Ti32Nb4Sn，微米結構分布更加均勻，這說明在合金中添加Zr元素有助于在合金樣品表面形成更加均勻、尺寸更大的微米結構。

圖2 SLA+AT鈦合金表面的微米結構和納米孔尺寸分布圖Fig 2 Size distribution of microstructures and nanopores on SLA+AT Ti alloys surface

2.2 鈦合金的表面粗糙度

根據粗糙度測試結果(圖3和表3)，本實驗設計的4種鈦合金在經復合工藝處理后，表面粗糙度有了明顯的增加。如圖 3和表3所示，光滑的Smooth Ti38Nb樣品表面的粗糙結構相對平坦，經過噴丸、雙酸酸蝕和堿熱反應復合工藝處理后的SLA+AT Ti38Nb樣品表面的粗糙結構相對明顯，粗糙度Ra也有了明顯的提升，達到了約2.40 μm。Ti40Nb、Ti32Nb4Sn和Ti2448樣品在經過復合工藝處理后，表面粗糙度也有了明顯的增加：SLA+AT Ti40Nb樣品表面的粗糙度Ra達到了約2.14 μm；SLA+AT Ti32Nb4Sn樣品表面的粗糙度Ra達到了約2.17 μm；SLA+AT Ti2448樣品表面的粗糙度Ra達到了約2.41 μm。

圖3 Smooth、SLA+AT鈦合金表面的粗糙度輪廓圖像Fig 3 Roughness profile on the Smooth and SLA+AT Ti alloys surface

另外，根據表3數據，經過復合工藝處理后，鈦合金樣品表面的粗糙層厚度也有了明顯的增加：在SLA+AT 鈦合金樣品中，SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448樣品表面的粗糙層厚度達到最大，約為平均3.30 μm；而SLA+AT Ti40Nb和SLA+AT Ti32Nb4Sn鈦合金樣品的表面粗糙層平均厚度則較小，分別為2.63和2.76 μm。這些結果也證實了復合工藝對于表面形貌的改善是有益的。由于隨著種植體表面粗糙層厚度的增加，骨細胞與種植體之間的接觸也會增加，我們認為SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448表面是生物相容性更好的[19-20]。

表3 Control和SLA+AT鈦合金樣品表面的平均粗糙度和微米結構平均尺寸

2.3 鈦合金的表面成分

對元素組成最復雜的SLA Ti2448和SLA+AT Ti2448樣品表面進行成分分析，結果如圖4所示，對XRD圖譜中譜峰進行JCPDS/ICDD對比分析后，確定了SLA Ti2448和SLA+AT Ti2448表面混合氧化層的化學狀態：SLA Ti2448和SLA+AT Ti2448表面的鈦氧化物是金紅石相的TiO2，除了金紅石型的TiO2以外，Ti2448樣品表面還有其他氧化物：SLA Ti2448表面上的主要成分還有Ti2ZrO，ZrTiO4，Nb2O5，Ti2O3和SnO2；SLA+AT Ti2448表面上的主要成分還有Ti2ZrO，ZrTiO4，Nb2O5，Ti2O3和ZrO2。經過堿熱處理后，SLA+AT Ti2448表面出現了ZrO2，而成分Ti2ZrO和ZrTiO4依然存在；SLA Ti2448表面存在的SnO2在堿熱處理后消失了，其他氧化物的化學狀態則保持不變。

圖 4結果表明，在堿熱反應過程中，Ti2448表面發生了如下的變化：在加熱的堿溶液中，SnO2被溶解了；含Zr的氧化物從Ti2ZrO或ZrTiO4部分轉變為了ZrO2；Nb2O5在熱堿溶液中沒有發生變化；堿熱處理不會導致TiO2的晶體結構發生相變。有研究表明，種植體表面Nb2O5和金紅石型TiO2的存在有利于細胞的粘附和ECM的形成，進而提高材料表面的生物活性，這說明本研究所得的SLA+AT Ti38Nb、SLA+AT Ti40Nb和SLA+AT Ti32Nb4Sn樣品表面的生物活性也是良好的[21-23]。然而，目前對于含Zr氧化物的生物學作用尚不清楚，SLA+AT Ti2448樣品表面的生物相容性需要進一步研究。

圖4 SLA Ti2448和SLA+AT Ti2448表面的XRD圖譜Fig 4 XRD patterns of the SLA and SLA+AT Ti2448 surface

2.4 鈦合金表面的潤濕性

如圖5所示，經過復合工藝處理后，SLA+AT鈦合金表面均變得超親水，這表明復合工藝處理能使鈦合金樣品表面的親水性由疏水變為超親水。如表4所示，所有Smooth樣品表面均呈現了疏水性，其中Ti38Nb的親水性最差，這可能與合金成分有關。在經過噴丸和雙酸酸蝕處理后，SLA鈦合金樣品表面都表現出了更好的親水性，其中Ti2448樣品表面的親水性發生了最大的變化，這說明噴丸、雙酸酸蝕工藝能最大程度地增加Ti2448表面的親水性。在經過堿熱處理后，SLA+AT鈦合金樣品表面都表現出了超親水性，結合前文的SEM結果(圖1)，堿熱處理工藝能為材料表面帶來大量緊密的、細致的納米孔，也給材料表面帶了復雜的化學成分，這種結構可能是導致SLA+AT鈦合金表main呈現超親水性的重要原因。

圖5 鈦合金樣品表面的潤濕性演變圖Fig 5 Surface wettability evolution of Ti alloy samples

表4 經過復合工藝工藝處理后鈦及鈦合金表面的靜態水接觸角對比

良好的親水性對于細胞粘附、增殖和分化至關重要，經復合工藝處理后的純鈦材料具有很好的親水性，親水性良好的純鈦表面可以有效改善表面的生物相容性。SLA+AT鈦合金樣品表現出的超高潤濕性，比用陽極氧化方式處理形成的納米管陣列形貌的潤濕性更好，這些結果說明我們研究所得的鈦合金樣品的生物相容性可能非常優異[16]。同時，這些結果也能說明，噴砂、雙酸蝕和堿熱處理的復合工藝是一種更合適的表面改性方法，對于鈦合金表面的生物相容性能提升也是更為顯著的。

2.5 鈦合金表面的Ca/P沉積能力

如圖6，我們在SLA+AT鈦合金表面發現了大量羥基磷灰石連續覆蓋的形貌，而Smooth鈦合金表面只發現了極少的羥基磷灰石晶體沉積。根據表5，Smooth鈦合金樣品在經過7天的羥基磷灰石沉積試驗后，表面幾乎沒有Ca、P元素的沉積；而SLA+AT鈦合金樣品表面的Ca、P元素的質量百分含量則有了明顯的提升，這說明噴丸、雙酸酸蝕和堿熱處理復合工藝對于鈦合金材料表面生物相容性能的提升是顯著的。

圖6 在m-SBF中沉積7天后的SLA+AT鈦合金樣品表面形貌Fig 6 SEM diagram of the SLA+AT Ti alloys surface after 7 days’ deposition in m-SBF

對比表5數據，經SBF培養處理后，SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448表面的Ca、P含量提升最為明顯，這說明SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448表面的生物相容性能最好。結合前文的SEM(圖1，圖2)和粗糙度檢測結果(圖3，表2)，SLA+AT Ti38Nb樣品和SLA+AT Ti2448樣品表面具有更大的微米結構、更大的納米孔以及更厚的粗糙層，我們認為粗糙層厚度更大、微納米結構更大的SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448樣品的表面生物相容性更好，因為這樣的表面能夠吸附、存貯更多的營養物質。

表5 m-SBF沉降7天后鈦合金樣品表面的Ca/P元素含量組成

除了測量SLA+AT樣品表面Ca、P元素的表觀濃度，我們還用X射線光電子能譜(XPS)來檢測樣品表面的化學成分，結果如圖7所示。SBF樣品表面不僅存在著基礎金屬氧化物，還出現了成骨細胞的重要組成成分：羥基磷灰石(化學式Ca10(PO4)6(OH)2)。表明SLA+AT鈦合金樣品在經過SBF沉積7天后，表面沉積了較多的Ca10(PO4)6(OH)2。

圖7 鈦合金樣品表面沉積的羥基磷灰石XPS圖譜Fig 7 XPS spectra recorded for hydroxylapatite deposition on Ti alloy surfaces

3 結 論

(1)經過復合工藝表面改性后，SLA+AT鈦合金表面微納分級多孔結構呈現出了雙峰形態；Ti40Nb和Ti2448樣品表面分別表現出了平均尺寸最大的納米孔徑(88.2 nm)和微米結構(2.21 μm)；而SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448樣品表面的粗糙層平均厚度最大(3.30 μm)。

(2)復合工藝在Ti38Nb、Ti40Nb和Ti32Nb4Sn樣品表面形成了金紅石型TiO2和Nb2O5；而在Ti2448樣品表面則形成了較為復雜的成分，包含：金紅石型TiO2，Ti2ZrO，ZrTiO4，Nb2O5，Ti2O3和ZrO2。

(3)復合工藝處理后所有鈦合金表面的潤濕角均<5°，呈現出超親水特性。此外，SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448樣品表面的羥基磷灰石沉積能力最強、生物相容性能最好，這是因為SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448表面的微納分級結構更有利于吸附、存貯營養物質。