酸-水熱法輔以水熱溫度對鈦材生物活性的影響

許 瑩, 王 變, 張孜孜, 蔡艷青

(1.華北理工大學 材料科學與工程學院，河北 唐山 063000；2.河北省無機非金屬重點實驗室，河北 唐山 063000)

鈦(Ti)及其合金因其優(yōu)異的耐腐蝕性、生物相容性和力學性能，被廣泛用于承載植入材料[1].但是，鈦及其合金屬于惰性材料，本身不具備骨誘導能力，無法與周圍組織直接形成良好的早期骨結合[2]，需要對其進行表面改性來賦予生物活性.而骨組織結合和細胞存活的關鍵因素是具有納米結構的表面形貌和生物材料的粗糙度[3].納米TiO2作為一種生物材料，不僅與鈦基體有良好的附著力，而且可與骨組織之間形成良好的骨結合[4].納米TiO2具有不同的結構，如納米點[5]、納米線[6]、納米管[7]和納米棒[8-9]，其中，納米棒由于其可控的直徑和密度而被廣泛研究.另外，納米棒之間的間隙具有較好的親水性，有利于營養(yǎng)物質的流動[10].

目前，鈦種植體制備TiO2納米棒的方法主要有陽極氧化法[11]、溶膠-凝膠法[12].陽極氧化法的工藝簡單，但制備成本高，不適合大規(guī)模的工業(yè)化生產.溶膠-凝膠法的成本低，設備簡單，適用性廣，但工藝較為復雜，費時且所用的化學藥品毒性大.而水熱法的條件比較溫和，操作簡單，不至于破壞到鈦基體的形狀和結構，并且鈦金屬在水熱溶液中的反應屬于界面反應，能保證生成產物在鈦基底表面均勻分散，是近年發(fā)展起來的一種制備TiO2納米棒陣列的新方法[13].另外，研究發(fā)現，酸處理可以提高鈦表面的粗糙度并獲得較大的表面積，增加表面的附著力[14].因此，本文采用酸-水熱兩步法對鈦表面進行TiO2納米棒的制備，提高鈦的生物活性，擴大鈦在人體植入領域方面的應用.

基于以上分析，先用硝酸和氫氟酸混合液對鈦表面進行酸處理，提高鈦表面的粗糙度，再采用水熱法，在酸處理后的鈦片表面制備TiO2納米棒，并探討不同水熱溫度對納米TiO2形貌的影響，對表面改性后的鈦片進行模擬體液(simulated body fluid, SBF)生物活性實驗，分析其表面生物活性.

1 實 驗

1.1 材料與試劑

實驗材料如下：NaOH，分析純；氫氟酸，分析純；濃硝酸，分析純；草酸，分析純；無水乙醇，分析純；丙酮，分析純.

實驗基體材料選用醫(yī)用純鈦片(純度≥99.7%)，用電火花數控線切割機(DK7725，蘇州中航長風數控科技有限公司)加工成尺寸為10 mm×10 mm×1 mm的試樣.

1.2 實驗過程

1.2.1 試樣預處理

將切割好的醫(yī)用純鈦片依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗10 min，然后將清洗后的鈦片放入表面皿中，倒入質量分數5%的草酸溶液使其能夠完全地覆蓋鈦片，放入100 ℃的鼓風干燥箱中恒溫2 h，再用去離子水超聲清洗，直到鈦片表面呈亮銀色為止，然后烘干備用.將預處理后的試樣組標記為51 574 109.

1.2.2 酸處理鈦試樣

配制體積比1∶1的0.29 mol/L HNO3和0.53 mol/L的HF混合酸液中，并放入25 ℃的電熱磁力加熱攪拌器中，將1#組試樣浸漬于此混合酸液中，磁力攪拌10 min后迅速取出試樣，用去離子水超聲清洗5 min，晾干備用.將此酸處理后的試樣組記為2#.

1.2.3 酸-水熱法處理試樣

將2#組樣品分為4組，放入容積50 mL的以聚四氟乙烯為內襯的反應釜中(NaOH填充量為35 mL)，然后將配制的5 mol/L的NaOH溶液倒入反應釜內，分別于70、100、130、160 ℃的烘箱中反應12 h.取出反應后的鈦片，在0.3 mol/L的HCl水溶液中浸泡5 h，用去離子水沖洗3次.70 ℃烘干后放入馬弗爐中于450 ℃下熱處理1 h，隨爐冷卻到室溫.取出樣品清洗待用，將酸-水熱處理后的試樣組記為3#(其中，70、100、130、160 ℃反應溫度的樣品分別標記為3#-1、3#-2、3#-3、3#-4).

1.2.4 試樣檢測

1)微觀結構檢測

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM, 型號FEI: S-480, 日本)分析鈦表面納米結構的微觀形貌；利用X射線衍射儀(XRD, 型號: D/MAX2500PC, 日本)分析鈦表面納米結構的物相組成，掃面范圍為20°～80°，掠射角為0.5°，步長為0.02°.

2)生物活性檢測

配制與人體體液相似的模擬體液，利用SBF模擬人體溫度環(huán)境條件，對1#、2#和3#組試樣進行模擬體液生物活性實驗.由于羥基磷灰石(HA)是脊椎動物骨骼和牙齒的主要無機組成成分，而Ca、P是羥基磷灰石(HA)的組成元素，因此可以通過檢測生物活性實驗后樣品的Ca、P的含量，結合HA的生成狀況來評價材料在人體條件下的生物活性.

3)模擬體液配制

可參考文獻[15]，模擬體液根據表1的組成配制.將分析純NaCl、NaHCO3、KCl、K2HPO4·3H2O、MgCl2·6H2O、CaCl2、Na2SO4按一定順序溶于去離子水中，然后用鹽酸(1 mol/L-HCl)和三羥甲基氨基甲烷((CH2OH)3CNH2)將其緩沖至pH=7.4，最后加入蒸餾水定容至1 L.

表1模擬體液離子組成(pH=7.4)

Table1 Composition of simulated body fluid (pH=7.4)

mmol/L

將1#、2#和3#組樣品浸泡于定量SBF液中，溫度保持在36.5 ℃.浸泡過程中，每2 d更換一次SBF，經過7 d后取出，用去離子水沖洗，在空氣中晾干，利用SEM結合EDS評價實驗后樣品的Ca、P的含量，利用XRD評價實驗后樣品的HA的生成狀況.

2 結 果

2.1 鈦表面納米薄膜的組成結構表征

2.1.1 涂層的表面形貌

圖1為1#、2#和3#組中3#-1、3#-2、3#-3、3#-4樣品的SEM照片.由圖1可以看出，隨著水熱溫度的升高，產物形貌經歷了納米片(70 ℃)到納米棒(100、130、160 ℃)的變化.

圖1 1#、2#、3#組試樣的SEM照片

Fig.1 SEM image of 1#, 2#, 3#groups samples: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#-1; (c-1) 3#-1(high-multiple); (d) 3#-2; (d-1)3#-2(high-multiple); (e) 3#-3; (e-1)3#-3(high-multiple); (f) 3#-4; (f-1)3#-4(high-multiple)

如圖1所示，未經過酸處理的1#試樣，其表面出現的微粗糙形貌是由于預處理時草酸對鈦表面的微腐蝕，見圖1(a).經HF和HNO3混合液腐蝕后的2#試樣表面粗糙度增加，出現較深的溝壑形貌，見圖1(b).因此，由圖1可知，1#和2#僅僅改變了鈦表面的粗糙度，沒有改變其表面形貌，但3#組試樣的鈦表面形貌發(fā)生了變化.

3#組試樣中3#-1試樣表面的溝壑依然存在，其表面沒有形成涂層，只附著很少的具有微細粗糙結構的小顆粒(圖1(c))，對應的圖1(c-1)中可以看出放大的小顆粒是片狀結構；從圖1(d)中可以看出3#-2的試樣表面的溝壑不太明顯，插圖為所對應位置的俯視圖，可以看出鈦表面形成涂層厚度很薄，從圖1(d-1)中看到形成的鈦表面是棒狀結構；3#-3的試樣樣品(圖1(e))表面溝壑消失，代之附著一層具有微裂紋的涂層，插圖為所對應位置的截面圖，可以看到形成的膜層厚度約為2.5 μm.其對應的圖1(e-1)顯示鈦表面是納米棒結構，形成的納米棒尺寸大小均一，長度為150 nm左右，直徑為10 nm左右；而3#-4試樣(圖1(f))的表面產生了較大的裂隙，插圖為所對應位置的截面圖，可以看到形成的膜層厚度約2 μm，與3#-3的試樣很相近，但對應的圖1(f-1)顯示鈦表面形成的納米棒之間發(fā)生了團聚，可能是因為水熱反應過程中，水熱溫度越高，晶體生長越快，晶體發(fā)育越完整，但溫度過高會導致臨界晶核尺寸增大，使得晶體發(fā)生二次再結晶，導致晶體之間的團聚.結果表明，在NaOH濃度和熱處理條件相同的情況下，不同的水熱溫度會影響鈦表面氧化層的厚度.因此，在合適的水熱溫度下才有可能生成優(yōu)異的納米棒.由以上實驗結果分析可知，當NaOH濃度為5 mol/L、水熱溫度為130 ℃、熱處理溫度為450 ℃(3#-3)時形成的納米棒結構最好.

2.1.2 涂層的XRD分析

為研究改性的2#和3#組中3#-1、3#-2、3#-3、3#-4試樣的化學成分，對其進行XRD分析.圖2為2#組與3#組樣品的XRD譜圖.

由圖2可見，僅經過酸腐蝕的2#樣品表面只有鈦的衍射峰，說明酸腐蝕未改變鈦表面的化學成分，但水熱處理后的3#組試樣表面的物質發(fā)生了變化，其物質為銳鈦礦型TiO2和金紅石型TiO2的混合相，且隨水熱溫度的增加，形成的銳鈦礦和金紅石晶體也越來越多，結晶化程度越來越高，晶體發(fā)育越完整，生成的薄膜越厚，但太厚可能會使薄膜發(fā)生開裂，這與圖1的結果一致.

結合圖1、圖2的分析結果知，酸處理后的樣品僅增加了粗糙度，未改變其化學成分，而酸-水熱處理后樣品表面的形貌和化學成分均發(fā)生了改變，當水熱溫度為130 ℃時，鈦片表面形成的產物為具有較好結晶度的納米棒，其化學成分為銳鈦礦型TiO2和金紅石型TiO2的混合相，且制備的納米棒分布和尺寸均勻，排列整齊有序，長度也基本一致，單根納米棒的長度為100～200 nm，直徑約10 nm.

圖2 2#、3#組試樣的XRD譜圖

2.2 SBF浸泡后樣品表面的觀察結果

為考察鈦表面2#和3#組試樣的生物活性，實驗研究了模擬體液內HA的生成情況.將酸處理試樣2#與酸-水熱處理試樣3#組中3#-1、3#-2、3#-3、3#-4一同浸泡于定量SBF溶液中.表2是2#、3#組樣品浸泡在SBF7 d表面的EDS化學元素分析，圖3和圖4分別是2#和3#組樣品浸泡在SBF7 d后的SEM照片和XRD譜圖.

從圖3可以看出，2#組的鈦片表面沒有新物質的形成，結合表2中EDS分析可知樣品表面主要是鈦原子.圖4結果也顯示2#樣品只能觀察到鈦的衍射峰,而經過水熱處理后的鈦片，模擬體液中浸泡7 d后，其表面均有新的物質生成.但3#-1、3#-2和3#-4試樣表面僅有少量顆粒狀的沉積物，而3#-3組表面附著的沉積物布滿整個表面.XRD結果(圖4)顯示在2θ=39°、48°等處都出現了羥基磷灰石HA的衍射峰，結合表2的EDS可知，新物質為富含Ca、P的羥基磷灰石HA，與其他水熱處理樣品相比，3#-3試樣表面沉積的HA的量最多.

另外，通過計算得知3#-3組的鈣/磷比值為1.71，接近正常骨組織中的鈣/磷比(1.79)，表明水熱溫度為130 ℃形成的TiO2納米棒可有效引導骨組織的再生.

圖3 2#和3#組樣品浸泡在SBF 7d后的SEM照片

圖4 2#和3#組樣品浸泡在SBF 7 d后的XRD譜圖

Fig.4 XRD patterns of 2#, 3#groups samples soaked in SBF after 7 d

表22#、3#組鈦片表面的EDS化學元素分析(質量分數/%)

Table 2 EDS chemical element analysis of titanium surface of 2#, 3#groups(wt.%)

GroupsTiCaPCa/P2#99．8100—3#-180．641．140—3#-276．332．311．691．373#-371．106．343．711．713#-467．561．721．341．28

3 討 論

酸處理是通過酸溶液中的H+酸蝕鈦表面氧化層，并與鈦形成Ti-X離子鍵，同時使鈦表面具有較高的表面能，便于進行化學反應.另外,酸腐蝕能夠增大鈦表面的粗糙度，為接下來TiO2納米結構的制備提供保證[16]，但酸腐蝕未在鈦表面形成新的物質(見圖1(a)、圖2).

在鈦金屬表面，水熱法生長TiO2納米棒的可能歷程如下：浸入NaOH溶液后，鈦基體不斷被腐蝕，其表面自發(fā)形成的氧化膜TiO2溶解到堿液中和OH-反應，形成Ti(OH)3;同時,鈦片表層以Ti4+的形式溶解到溶液中發(fā)生水合作用，生成水合二氧化鈦(TiO2·nH2O)[17]，TiO2·nH2O進一步與OH-反應形成水合物HTiO3·nH2O，隨著水熱反應的進行，水合物HTiO3·nH2O發(fā)生溶解，生成層狀的Na2Ti3O7.鈦片浸入稀鹽酸后，Na2Ti3O7發(fā)生置換反應生成具有片狀結構的H2Ti3O7[18]，熱處理后，鈦表面納米結構的鈦酸相轉化為片狀的TiO2結構，同時這種熱力學不穩(wěn)定的TiO2納米片會發(fā)生卷曲以降低表面能，在二維受限表面形成定向排列的致密納米棒結構.水熱表面化學反應過程為

Na2Ti3O7,+(n+1)H2O+OH-,

在溶液濃度和熱處理溫度保持不變時，水熱溫度主要依靠TiO2晶體生長速度的快慢而改變其表面形貌.一方面,升高水熱溫度會加快鈦溶解的速率，也會提高溶液中物質的擴散速度，增加反應物碰撞幾率，使得晶體生長速率變大，促進TiO2納米棒的形核和加快生長過程；另一方面，成核過程是一個放熱過程，溫度的升高將不利于水解反應向成核方向進行，使體系中晶核數量相對較少，而且溫度的升高還會導致能穩(wěn)定存在的臨界晶核尺寸增大[19]，使得晶體有可能發(fā)生二次再結晶，導致晶體之間的團聚(見圖1(f-1)).

當基體浸在模擬體液中，2#試樣表面沒有HA的沉積，而3#組試樣均有HA的沉積(圖3、圖4)，其原因可能是酸腐蝕僅改變其粗糙度，而誘導HA沉積主要以羥基作用為主，粗糙度為次要因素.鈦表面形成的TiO2·H2O在SBF中解離出表面帶負電荷的Ti-OH，Ti-OH可通過庫侖力吸引Ca2+，Ca2+又通過庫侖力吸附PO33+，這個過程提高了基體表面鈣、磷離子的過飽和度.另外，純鈦經酸-水熱處理后表面形成了納米結構，增加了比表面積和表面能，從而增加了表面形核位點，為磷灰石的異質成核提供了優(yōu)先位置，這樣能誘導磷灰石從模擬體液中快速沉積出來.因此,酸-水熱處理后的表面均有HA的沉積，但3#組中3#-3試樣表面沉積的HA的量優(yōu)于其他水熱處理樣品，其原因是較小的尺寸更易誘導HA沉積[20]，而3#-3樣品呈現的納米棒直徑較小，尺寸小于3#-2樣品表面的納米片和3#-4樣品表面團聚的納米棒.另外，鈦表面氧化層的厚度也有可能會影響HA的生成，膜層越厚越有利于HA的生成，與其他樣品相比.3#-3樣品和3#-4樣品形成的膜層厚度很相近，但由圖1(f-1)可知3#-4樣品形成的納米棒發(fā)生了團聚，因此3#-3樣品(水熱溫度為130 ℃)時誘導HA沉積的量最多.與由圖3、表2的HA生成結果一致.

由圖1、圖2可知，當堿液的濃度為5 mol/L、熱處理溫度為450 ℃，水熱溫度130 ℃時生成的TiO2納米棒尺寸大小較為均勻.再結合圖3、圖4可知，此條件下表面沉積的HA含量最多.

4 結 論

1)先采用酸處理增加鈦表面的附著性，再利用水熱法制備TiO2納米結構.結果可知，隨水熱溫度的增加，TiO2的形貌發(fā)生了變化，較低溫度(70 ℃)時，TiO2為納米片結構，溫度升高后，產物形貌由納米片變成了納米棒.

2)NaOH濃度為5 mol/L，熱處理溫度為450 ℃，水熱溫度為130 ℃時，獲得了尺寸均勻、長度基本一致的納米棒，長度和直徑分別為150和10 nm，且納米棒是由銳鈦礦型TiO2和金紅石型TiO2的混合相組成的.

3)酸-水熱處理的鈦基體經SBF浸泡7 d后可知，2#試樣表面沒有鈣磷的生成，而3#試樣組表面均形成了鈣磷沉積層，其主要成分是HA，但3#-3試樣表面HA的生成量最多，其表面鈣磷比1.71，與骨的接近，表面出良好的生物活性，其主要原因是此條件下鈦表面形成的納米棒對其生物活性做出了大的貢獻.另外，鈦表面氧化層的厚度也有可能會影響HA的生成，膜層越厚越有利于HA的生成.證明水熱溫度為130 ℃制備的納米棒最有利于骨細胞與機體之間產生化學鍵合，提高生物活性.

4)水熱溫度通過影響TiO2晶體的生長速度來影響TiO2納米棒的形核和生長過程，但溫度過高，晶體則有可能發(fā)生二次再結晶，使晶體之間發(fā)生團聚.

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