3D 打印Ti-6Al-4V 鈦合金表面納米孔洞制備技術(shù)

王培，李少龍，張長偉，羅倩

（西北有色金屬研究院，西安 710016）

鈦是一種常見的生物醫(yī)用材料，因其優(yōu)異的力學性能、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，對種植體進行表面修飾以增強其生物相容性，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看，具有微納米表面形貌的種植體在增強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]和電化學刻蝕[25-29]等方法，來改善鈦的表面性質(zhì)，除可獲得良好的表面形貌外，還可以獲得良好的親水性，有效地促進細胞或骨組織生長。

3D 打印技術(shù)具有良好的優(yōu)勢，但打印出來的鈦部件，其表面質(zhì)量遠不滿足植入材料的要求。在熔化過程中，能量束掃描路徑附近過量的鈦粉會產(chǎn)生部分燒結(jié)，冷卻后，在基體上不可避免地會附著剛性殘留物。任何殘留的粉末從基體中分離，并進一步循環(huán)到體液系統(tǒng)中，都會危害健康。有報道稱，鈦粉可導致骨吸收和骨溶解[30]。這種擔憂也是這種新型種植體制造技術(shù)引入臨床應用中主要面臨的問題之一。因此，3D 打印后，再進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用于3D 打印Ti-6Al-4V 植入體表面改性的新方法。針對3D 打印Ti-6Al-4V 植入體的宏觀特征，設計了一種納米多孔形貌對其進行修飾。采用激光快速成形技術(shù)制備了Ti-6Al-4V 植入體，并對其進行高壓水沖洗、酸蝕和陽極氧化處理，在其表面構(gòu)建了分層的納米級多孔TiO2類骨膜層結(jié)構(gòu)。

1 實驗

1.1 3D 打印Ti-6Al-4V 鈦合金的制備

首先，利用激光束對印刷床進行預熱，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3D 打印技術(shù)構(gòu)建微米級多孔粗糙表面。采用壓強為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，然后將試樣置于無水乙醇和去離子水中，分別超聲清洗10 min。

采用電化學陽極氧化法制備TiO2納米級孔洞表面。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 測試表征

通過X 射線衍射儀（D8 ADVANCE）對納米多孔層的物相進行分析。使用鎢燈絲掃描電鏡（JSM-6460）對納米多孔層的組織形貌、微區(qū)成分進行測試。用金相顯微鏡（PMG3）觀察納米多孔層的顯微組織。采用接觸角測試儀，通過靜滴法（溫度25 ℃，濕度50%）測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，會導致后續(xù)電化學過程中的電場放電不均勻，使制備的TiO2納米多孔膜層穩(wěn)定性差，如表面顏色不均勻、孔洞尺寸大等問題，因此不能直接在3D打印材料表面制備出理想的納米級結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)[31]，對3D 打印表面進行酸蝕，可以較好地解決該問題，但是不同的酸蝕配方、溫度和時間對其影響也不同。

圖2 為常溫下經(jīng)混合酸液（V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶10）處理不同時間的試樣的金相形貌。從圖中可以看出，隨著處理時間增加，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，試樣表面尚保留部分原始形貌，但部分凸起顆粒已開始被腐蝕（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，且變得更細小，溝壑沿某一方向延展，出現(xiàn)清晰的臺階形貌。

圖2 3D 打印Ti-6Al-4V 鈦合金試樣片經(jīng)不同時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。從微觀上看，其凹凸不平的尺度由微米級向納米級轉(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。

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

已有的研究表明[32]，微米級的結(jié)構(gòu)能夠增強材料與骨組織的機械結(jié)合，調(diào)節(jié)骨細胞的遷移和生長。而納米結(jié)構(gòu)能夠促進細胞的粘附、分化和基因表達。相對單一的微米或納米結(jié)構(gòu)，微納雙級結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出協(xié)同效應，使材料具有更加優(yōu)異的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn)，混合酸處理時間達到4～5 min 后，試樣在后續(xù)陽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 鈦合金試樣作為陽極，在5 mol/L 的NaOH電解液中進行陽極氧化，溶液溫度為50～60 ℃。通過設定電壓或電流，在試樣表面制備出呈納米多孔態(tài)的生物活性膜層。通過調(diào)節(jié)電解液濃度、電壓、電流、處理時間，實現(xiàn)對孔徑大小的控制。

3.2 納米膜層的成分分析

由圖3 可見，陽極氧化后，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)合化學反應方程分析結(jié)果，認為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高，或者處理時間過長，會形成較厚的Na2TiO3溶膠層，反而會導致粗糙度減小，表面能降低。因此，陽極氧化工藝對后續(xù)的納米膜的生物性能影響顯著。

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

為了進一步發(fā)掘陽極氧化熱堿處理的潛力，研究者通常會在陽極氧化后，對試樣表面進行后處理，如在600 ℃保溫熱處理一段時間，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，吸附物對成膜顏色和生物活性有影響，采用稀酸長時間浸泡，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能力[21]。

3.3 納米膜層的形成機理

經(jīng)上述陽極氧化處理，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)附有小孔且交錯連接，除去3D 打印本身存在的間隙，膜層表面沒有產(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)絡結(jié)構(gòu)，此時，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，促進骨整合，提高種植修復的速率和成功率，可以作為醫(yī)用植入體。

圖4 陽極氧化處理后試樣的SEM 形貌Fig.4 SEM photos of anodized samples

陽極氧化反應的條件不同，會得到形態(tài)各異的氧化鈦膜層結(jié)構(gòu)。實驗中發(fā)現(xiàn)，單位時間內(nèi)對試樣的外加能量密度過大，會導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)定的納米陽極氧化鈦孔洞。研究表明[33]，陽極氧化膜的生長過程是一個膜生成與溶解的競爭過程。氧化初期，形成的氧化膜與基體存在體積差異，導致膜層產(chǎn)生很大的應力，氧化電流會擊穿薄弱處，形成原始孔的胚胎。隨著氧化時間延長，電場強度在孔的徑向和軸向都有分強度，徑向分量促進孔直徑不斷擴大，軸向分量促進孔道向金屬基體內(nèi)部延伸，當局部能量積累達到臨界值時，徑向的溶解作用使相鄰的兩個小孔發(fā)生合并，軸向的溶解會導致孔洞出現(xiàn)崩塌，因而形成了特有的納米級多層孔洞結(jié)構(gòu)（如圖4）。隨著氧化過程的持續(xù)推進，納米多孔結(jié)構(gòu)會逐漸消失，氧化產(chǎn)物大量的產(chǎn)生會形成如圖5 所示的熔鹽堆積態(tài)平面，且孔洞量變少，尺寸增加。

圖5 陽極氧化處理過長時間試樣的SEM 形貌Fig.5 SEM photos of samples that have been anodized for a long time

4 結(jié)論

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

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，會導致后續(xù)的電化學過程中電場放電不均勻，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題。

3）陽極氧化反應的條件不同，會得到形態(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多層孔洞結(jié)構(gòu)。隨著氧化過程的持續(xù)推進，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。