鈦合金表面羥基磷灰石膜及組織相容性*1

宋雨來(lái)，謝良穩(wěn)，李志民，張曉丹，

(1.吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春　130022；2. 吉林大學(xué) 口腔醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春　130022)

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鈦合金表面羥基磷灰石膜及組織相容性*1

宋雨來(lái)1?，謝良穩(wěn)1，李志民2，張曉丹1，

(1.吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130022；2. 吉林大學(xué) 口腔醫(yī)院，吉林 長(zhǎng)春130022)

摘要：在乙酸鈣、磷酸二氫鈣為主成分的弱酸性電解液中，以乙二胺四乙酸(EDTA)和檸檬酸作為絡(luò)合劑，采用微弧氧化的方法，在鈦合金表面成功地直接制備出含有羥基磷灰石(HA)的陶瓷層.隨著電解液Ca/P的增加，膜層中HA含量升高，膜層表面孔洞分布更均勻，表面變粗糙.動(dòng)物種植試驗(yàn)表明，陶瓷層覆蓋植入體產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)較弱，新的肌肉組織能夠在膜層表面生長(zhǎng).

關(guān)鍵詞：微弧氧化；鈦合金；羥基磷灰石；組織相容性

鈦合金因其具有良好的機(jī)械性能和一定的生物相容性和耐蝕性，受到了廣大硬組織植入材料研究者的青睞[1-3].但是，鈦合金硬組織植入體長(zhǎng)期存在于生物體內(nèi)，其表面產(chǎn)生游離的金屬離子進(jìn)入生物組織內(nèi)會(huì)造成細(xì)胞死亡[4].一些特殊成分的陶瓷材料具有良好的生物相容性，彌補(bǔ)了鈦合金的不足之處，但陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性不足，不能完全滿(mǎn)足硬組織植入材料的力學(xué)性能要求[5-6].因此，陶瓷材料只能在一些特定部位，有條件地替代一些金屬質(zhì)植入性產(chǎn)品.目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域70%的植入性器件不得不由金屬制成[7].

微弧氧化技術(shù)能在鈦合金表面原位生長(zhǎng)出含有羥基磷灰石(HA)陶瓷膜，這種成分與天然骨組織的無(wú)機(jī)物成分相同.因此，這種方法制備的鈦合金植入材料結(jié)合了金屬和陶瓷膜的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，即植入材料表面具有良好的生物活性和生物相容性，同時(shí)，基體又具有良好的機(jī)械性能[8].基于良好的應(yīng)用前景，使用微弧氧化技術(shù)在鈦合金表面生成含有HA生物陶瓷膜的研究倍受關(guān)注.

大量研究表明，目前鈦合金表面微弧氧化HA膜研制主要采用二步方法，即通過(guò)微弧氧化技術(shù)結(jié)合后處理技術(shù)在氧化膜層外表面生成含HA的生物陶瓷膜.在二步法制備含羥基磷灰石膜層的基本原理、工藝過(guò)程，以及膜層的組織結(jié)構(gòu)控制和性能等方面取得了豐富的研究成果[9-12].近年來(lái)，采用微弧氧化技術(shù)在鈦合金表面直接生成含有HA涂層的技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn). Bai等將微弧氧化技術(shù)與電沉積技術(shù)有效結(jié)合在一起，通過(guò)在電解液中加入納米羥基磷灰石顆粒，在鈦合金表面直接制備出含有銳鈦礦和羥基磷灰石的陶瓷層，膜層的HA含量與電壓密切相關(guān)[13].Chen等在乙酸鈣和磷酸二氫鈉電解液中，用一步法在純鈦表面制備出含有銳鈦礦、金紅石和羥基磷灰石的陶瓷層，其方法相對(duì)于傳統(tǒng)的二步法更為簡(jiǎn)單快速[14].Kim等在CaCl2和KH2PO4電解液中，采用一步法在鈦合金表面成功制備了含有HA的陶瓷層，并認(rèn)為電解液中CaCl2的濃度是影響膜層厚度重要因素[15].可見(jiàn)，一步法制備技術(shù)具有制備周期短、成本低、工序少的優(yōu)點(diǎn)，但研究仍處于起步階段，在膜層形成機(jī)制、電解液配方優(yōu)化、電參數(shù)優(yōu)化、成分和組織控制等方面仍需開(kāi)展系統(tǒng)、深入的研究.

本文通過(guò)研究不同成分電解液對(duì)微弧氧化膜層組織和結(jié)構(gòu)的影響，開(kāi)發(fā)了高效環(huán)保的電解液配方，在弱酸性條件下，可在鈦合金表面直接生成含有HA的生物陶瓷膜.并通過(guò)生物學(xué)方法，評(píng)價(jià)了膜層的組織相容性.研究結(jié)果將豐富鈦合金表面微弧氧化理論，并為鈦合金植入性材料的研發(fā)和應(yīng)用提供可靠的實(shí)驗(yàn)支持.

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1電解液配制

本研究以乙酸鈣和磷酸二氫鈣作為主成分，檸檬酸和乙二胺四乙酸(EDTA)做絡(luò)合劑，用蒸餾水配置成電解液，氫氧化鉀調(diào)解pH值.首先將乙酸鈣和EDTA按比例混合溶解在蒸餾水中，再將磷酸二氫鈣和檸檬酸按一定比例混合溶解在蒸餾水中，待兩者都完全溶解后混合，在混合的溶液中通過(guò)添加氫氧化鉀調(diào)節(jié)電解液的pH值至5.混合過(guò)程中用磁力攪拌器對(duì)溶液進(jìn)行攪拌促進(jìn)試劑溶解和防止沉淀.Ca/P是電解液配方中重要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定不同的Ca/P，調(diào)整乙酸鈣，EDTA加入量對(duì)電解液成分進(jìn)行優(yōu)化，具體電解液組成見(jiàn)表1.

表1　不同Ca/P的電解液成分

1.2氧化膜制備

鈦合金作為陽(yáng)極浸入電解液中，不銹鋼桶作為陰極.電參數(shù)為：電流密度10 A/dm2；頻率150 Hz；占空比12%；氧化時(shí)間20 min.本實(shí)驗(yàn)采用恒流方式進(jìn)行氧化處理，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)來(lái)控制電流密度恒定.制備過(guò)程中，開(kāi)通機(jī)械攪拌器保持電解液成分均勻.試樣取出后，超聲波清洗5 min，電吹風(fēng)吹干，自封袋中保存，待檢測(cè)分析.

1.3微觀組織及相組成

采用EVO18型掃描電子顯微鏡觀察膜層表面微觀形貌.采用D/Max 2500PC型X射線(xiàn)衍射儀分析相組成，輻射源為CuKα，電壓/電流為40 kV/30 mA，掃描范圍為10°～90°，掃描速度為0.5 °/min.

1.4動(dòng)物種植試驗(yàn)

選取3只大白兔，每只白兔左右腿肌肉處分別手術(shù)植入一枚未處理鈦合金植入體和微弧氧化處理植入體.術(shù)后3 d內(nèi)給動(dòng)物注射適量青霉素消炎針劑，一周之內(nèi)隔天護(hù)理患處.8周后切開(kāi)每個(gè)圍繞植入體周?chē)? cm左右的肌肉組織，連同植入體及周?chē)∪饨M織取下，取下的標(biāo)本在福爾馬林溶液中固定10 d，固定好的標(biāo)本進(jìn)行植入體與肌肉組織分離，將軟組織進(jìn)行常規(guī)石蠟包埋，石蠟切片，制成切片標(biāo)本，染色后進(jìn)行光學(xué)顯微觀察.

2結(jié)果與分析

2.1相組成

圖1為不同Ca/P的電解液中形成的膜層表面XRD衍射圖譜.從圖中可以看出，當(dāng)Ca/P為1.5/1時(shí)，膜層的主要相組成為金紅石和銳鈦礦，磷酸鈣和羥基磷灰石的衍射峰不明顯.有研究表明在等離子體的高溫高壓作用下，來(lái)自于基體的Ti和電解液中的O極易生成TiO2，并且當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，更易于金紅石的形成[16].隨著Ca/P的增加，銳鈦礦的衍射峰降低，羥基磷灰石和磷酸鈣相的衍射峰逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明適度增加電解液中的Ca/P有利于在氧化膜中生成羥基磷灰石.

2θ/(°)

本文采用EDTA與乙酸鈣，檸檬酸與磷酸二氫鈣分別絡(luò)合，使磷酸二氫鈣同時(shí)成為鈣離子和磷酸根離子的供體，相同濃度條件下，比常用的鈉鹽具有更高的Ca/P，提高了電解液的利用率.通常在堿性條件下，OH-的活度較高，溶液能夠提供充足的羥基促進(jìn)HA形成.本文采用的電解液呈弱酸性，溶液不能直接提供大量的OH-，但是，具有較高活度的H+通過(guò)促進(jìn)CaTiO3的分解提供羥基加快HA生成[15].進(jìn)一步提高Ca/P，如Ca/P為4∶1和5∶1時(shí)，經(jīng)肉眼觀察鈦合金表面均不能形成完整的氧化膜，因此未對(duì)其相組成進(jìn)行檢測(cè).可見(jiàn)，電解液的Ca/P選取3∶1時(shí)更利于生成完整的HA膜.

2.2微觀組織

圖2為不同電解液Ca/P條件下制備的微弧氧化膜層表面微觀形貌.從圖2(a)中可以看出，當(dāng)Ca/P為1.5∶1時(shí)膜層存在很多形狀不規(guī)則的孔洞，數(shù)量較多，大小不一，孔洞之間的陶瓷層表面平整光滑，無(wú)裂紋產(chǎn)生.

圖2(b)和(c)分別為Ca/P為2∶1和3∶1時(shí)膜層表面形貌.隨著電解液Ca/P的增加，膜層表面粗糙度變大，表面出現(xiàn)大量的細(xì)小顆粒，分布相對(duì)均勻，經(jīng)EDS分析結(jié)合XRD結(jié)果判斷為HA顆粒.此外，膜層表面孔洞數(shù)量減少，尺寸降低，未發(fā)現(xiàn)裂紋.膜層表面的形貌變化可能是因?yàn)殡S著Ca/P增加，表面電弧數(shù)量減少，膜層中大量HA開(kāi)始生成，最終導(dǎo)致粗糙度增加，孔洞數(shù)量降低[11-12,15].有研究表明，對(duì)羥基磷灰石植入材料而言，較大的粗糙度和適當(dāng)?shù)目锥从欣谔岣吣拥慕M織相容性[17].

(a) Ca/P 1.5/1能譜分析

(b) Ca/P 2/1能譜分析

(c) Ca/P 3/1能譜分析

(d) EDS analysis of Ca/P 3/1

2.3生物相容性

馬宋三色染色，即Masson三色法是傳統(tǒng)經(jīng)典的膠原纖維染色法[18].本研究的染色結(jié)果：細(xì)胞核呈鮮明的藍(lán)黑色，膠原纖維呈綠色，紅細(xì)胞和肌細(xì)胞呈紅色.圖3(a)為未處理鈦合金植入體周?chē)∪饨M織經(jīng)Masson染色后在光鏡下的顯微組織形貌.從圖中可以看到，植入體周?chē)霈F(xiàn)了大量呈綠色的膠原纖維，即出現(xiàn)大面積的纖維增生和炎癥細(xì)胞，阻礙了肌肉細(xì)胞在植入體表面結(jié)合和生長(zhǎng)[19]，說(shuō)明未經(jīng)微弧氧化表面處理的鈦合金作為植入體的組織相容性差.圖3(b)為微弧氧化處理鈦合金植入體周?chē)∪饨M織經(jīng)Masson染色后光鏡顯微組織形貌.圖中紅色占據(jù)大面積，肌肉與植入體表面接觸處表現(xiàn)為多層紅-綠相間的形貌，且每一層綠色厚度均較小，說(shuō)明植入體周?chē)募∪饨M織中炎癥細(xì)胞少，產(chǎn)生的膠原纖維少，即纖維增生少.肌肉組織中少量的纖維增生可以形成肉芽組織參與炎癥的愈合過(guò)程[20]，并且隨著時(shí)間的推移，這種與肌細(xì)胞相間的少量纖維增生會(huì)慢慢分散，肌肉組織與植入體表面會(huì)更好地結(jié)合.此外，植入體表面肌肉組織生長(zhǎng)出新生肌肉細(xì)胞，這種肌肉細(xì)胞面向植入體表面的一側(cè)生長(zhǎng)，說(shuō)明肌肉纖維在向植入體表面推進(jìn)生長(zhǎng).顯然，與鈦合金裸露表面相比，微弧氧化表面處理膜層組織相容性好.

(a) 無(wú)膜鈦合金

(b)附著HA膜層鈦合金

圖3植入體周?chē)∪饨M織馬宋三色染色光鏡形貌

Fig.3Morphologies of masson staining slice

of musculature about the implant buttons

3結(jié)論

1) 以乙酸鈣和磷酸二氫鈣作為主成分，以EDTA和檸檬酸作為絡(luò)合劑，在弱酸性條件下，采用微弧氧化方法，能夠在鈦合金表面直接生成HA陶瓷膜.

2) 隨著Ca/P的增加，膜層表面變得粗糙，HA含量逐漸增加，孔洞尺寸減小，分布均勻．當(dāng)Ca/P為1/3時(shí)膜層組織和成分較為理想，進(jìn)一步增加Ca/P膜層會(huì)出現(xiàn)大面積的燒損嚴(yán)重破壞了完整性.

3) 動(dòng)物種植試驗(yàn)初步證明，HA膜覆蓋鈦合金植入體相比鈦合金植入體更有利于減少炎癥反應(yīng)，促進(jìn)周?chē)∪饨M織的生長(zhǎng)，具有更好的組織相容性.

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Preparation of Micro-arc Oxidation HA Coatings on Titanium Alloys and Its Histocompatibility

SONG Yu-lai1?,XIE Liang-wen1,LI Zhi-min2,ZHANG Xiao-dan1

(1.College of Materials Science and Engineering, Jilin Univ, Changchun,Jilin130022,China;2.Dept of Periodontology, Stomatological Hospital, Jilin Univ, Changchun,Jilin130022,China)

Abstract:By using ethylene diaminetetraacetic acid (EDTA) and citric acid as the complexants, hydroxyapatite (HA) coatings were fabricated by means of one-step micro-arc oxidation (MAO) in the acid electrolytes containing Ca2+ and P5+ions. With the increase of Ca/P in the electrolytes, the content of HA in the coatings obviously increased and the coatings possessed coarser surfaces with fine and well-distributed pores. The results of animal experiments have indicated that the inflammatory reactions induced by implant buttons with HA coatings were minor and the new musculature could grow on the surfaces of the coatings.

Key words:MAO; titanium alloys; hydroxyapatite; histocompatibility

文章編號(hào)：1674-2974(2016)06-0029-05

收稿日期：2015-09-11

基金項(xiàng)目：吉林省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20140101051JC);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(JCKY-QKJC48)

作者簡(jiǎn)介：宋雨來(lái)(1974-)，男，吉林長(zhǎng)春人，吉林大學(xué)副教授，工學(xué)博士 ?通訊聯(lián)系人，E-mail: ylsong@jlu.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：TG156

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A