一種新型仿生化形貌二氧化鈦涂層種植體制備研究

閆 虹，彭園園，劉傳宏，曹 燦

1.北部戰區總醫院 口腔科，遼寧 沈陽 110016;2.遼寧省軍區沈陽第五離職干部休養所 門診部，遼寧 沈陽 110005；3.遼寧省軍區沈陽第一離職干休所 門診部，遼寧 沈陽 110000

口腔種植技術已成為牙列缺損或缺失的重要修復方法之一，但是種植體植入后松動、脫落仍然困擾種植體的廣泛應用。種植體表面結構的生物活性不理想，無法有效形成種植體骨結合是造成上述問題的重要原因之一。仿生化結構具有潛在更好的生物學活性。種植體表面仿生化形貌涂層對于預防種植體松動、脫落，延長其使用壽命具有重要意義。骨組織是由納米級別的骨膠原(100 nm)和羥基磷灰石晶體(10 nm)為單元組裝起來的。從仿生學角度出發，100 nm和10 nm復合的納米結構具有更好的生物活性。已有陽極氧化技術通過種植體表面電化學處理形成了100 nm尺寸納米管陣列樣形貌，并在成骨過程中發揮重要作用[1-4]，但10 nm結合100 nm的復合納米結構報道少見。本研究旨在以陽極氧化技術為基礎，探索出一種新型種植體表面仿生化形貌二氧化鈦(titanium dioxide，TiO2)涂層的制備手段。現報道如下。

1 材料與方法

1.1 主要材料、儀器及設備 正方形純鈦試樣(10 mm×10 mm×1 mm，西北有色金屬研究院)；碳化硅砂紙400、800、1 200、2 000目(韓國鷹牌)；乙二醇，甲醇，乙醇，丙酮(天津富宇精細化工有限公司)；去離子水(北部戰區總醫院藥劑科)；氟化銨(天津天力化學試劑有限公司)。穩流穩壓直流電源(TPR6405D，LongWei，香港)；磁力攪拌器(江蘇金壇儀器設備廠)；超聲波清洗機(UC-50，Whaledent，德國)；場發射掃描電子顯微鏡(S-4800，Hitachi，日本)；三維形貌分析儀(ST400，Nanovea，美國)。

1.2 研究方法 采用含0.5 wt%氟化銨、5.0 vol%甲醇、5.0 vol%水的乙二醇溶液為電解液配方，以純鈦為陽極、鉑為陰極，經40 V電壓陽極氧化反應1 h，形成100 nm管徑的TiO2納米管陣列涂層。制備好TiO2納米管陣列涂層，經過丙酮、乙醇、去離子水順次清洗10 min，室溫(24℃±2℃)下自然干燥，得到TiO2陽極氧化陣列種植體TiO2nanotube arrays，記作TNA組。TiO2nanotube arrays置于含去離子水溶液5 ml的24孔板中浸泡72 h后得到新型多重TiO2納米管陣列涂層Multi-level TiO2nano-arrays，記作ML-TNA組。采用場發射掃描電子顯微鏡掃描TNA組和ML-TNA組的表面形貌，采用三維形貌分析儀測量表面粗糙度及相關形貌參數。

2 結果

2.1 掃描電子顯微鏡下納米管形貌圖 經過陽極氧化處理后，TNA組納米管直徑為80～100 nm，管壁厚5～8 nm，管與管之間存在5～20 nm間隙，管長約為3 μm。ML-TNA組形貌表面被大量新生成的顆粒結構充滿，聚集的納米顆粒為針刺樣結構，這些納米刺依托下部納米管結構覆蓋于表面，側面可觀察到大量的納米刺結構充滿了納米管與管之間的間隙；形貌以100 nm直徑納米管陣列結構為基礎，集合10～20 nm大小的納米刺。見圖1。變化過程示意模擬見圖2。

圖1 TNA組和ML-TNA組掃描電子顯微鏡圖(a，c.TNA組納米管陣列管口及管壁側視圖；b，d.ML-TNA組新型多重納米管陣列管口及管壁側視圖)

2.2 TNA組和ML-TNA組形貌表面粗糙度比較 ML-TNA組面粗糙度Sa值高于TNA組(1.160 μm比0.660 μm)，線粗糙度Ra值也高于TNA組(0.345 μm比0.309 μm)。見圖3。

圖3 TNA組和ML-TNA組形貌表面粗糙度比較

3 討論

口腔種植修復被廣泛應用于解決牙列缺損及缺失等臨床問題，但種植體修復仍存在因生物活性差而松動、脫落等弊端，為解決上述問題，臨床醫師關注于微觀形貌特征改良以提高其生物學活性[5-7]。以陽極氧化為基礎得到的納米管陣列形貌對表面干細胞具有積極的生物學影響，這種影響包括促進早期細胞黏附、促進骨髓干細胞向成骨細胞方向分化等[1-4]。

為了深入改造TiO2納米管陣列，本研究應用去離子水浸泡TiO2納米管陣列種植體，水環境下，大量的10 nm大小納米刺樣結構覆蓋于納米管表面。已有研究表明，陽極氧化生成無定型態TiO2，改型形貌殘留氟化物，氟化物的存在使不穩定的無定型態TiO2發生溶解再結晶，從而生成較為穩定的銳鈦態TiO2，新型納米刺的生成可能與該變化存在關聯[8]。本研究結果顯示：ML-TNA組形貌表面被大量新生成的顆粒結構充滿，聚集的納米顆粒為針刺樣結構，這些納米刺依托下部納米管結構覆蓋于表面，側面可觀察到大量的納米刺結構充滿了納米管與管之間的間隙，徹底改變了納米管原有的形貌特征；ML-TNA組面粗糙度Sa值和線粗糙度Ra值均高于TNA組，即新型形貌改變了原有陽極氧化納米管陣列的表面粗糙度。粗糙度的改變被認為可以對細胞黏附等早期生物學行為產生重要影響[9-10]。本研究在已有的陽極氧化TiO2納米管陣列基礎上，通過水環境浸泡的方式，合成出了一種嶄新的種植體形貌—“多重納米”的納米管復合納米刺形貌。有文獻報道，骨組織早期礦化結晶顆粒直徑在10 nm，骨膠原直徑在100 nm[11-13]，與本研究合成的100 nm復合10 nm的多重納米形貌及骨組織內梯度環境具有相似性。還有研究表明，仿生修飾對于骨結合過程具有明顯的促進作用[14]。

綜上所述，本研究合成了一種更具仿生微觀形貌的新型種植體表面仿生化形貌TiO2涂層，其為多重納米結構，可從仿生角度更好地模擬骨組織結構，有望為種植體表面改性提供新的思路和方法。