超聲清洗對(duì)鈦種植體表面陽(yáng)極氧化TiO2納米陣列涂層不同深度氟元素含量的影響

劉瑩，趙祥宇，吳劉中，曹燦

（1.北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院口腔科，沈陽(yáng) 110016；2.沈陽(yáng)市口腔醫(yī)院綜合急診科，沈陽(yáng) 110002；3.沈陽(yáng)市口腔醫(yī)院牙周科，沈陽(yáng) 110002）

種植體表面陽(yáng)極氧化納米涂層在應(yīng)用于生物 環(huán)境前需經(jīng)過清洗等手段處理［1］。研究［2-3］顯示，陽(yáng)極氧化納米涂層制備后可采用超聲震蕩方式清洗，也可簡(jiǎn)單進(jìn)行流水沖洗，也有在實(shí)驗(yàn)操作中省略了清洗步驟。陽(yáng)極氧化后種植體表面不可避免會(huì)帶有電解液中的各種成分［4］，關(guān)于清洗后納米管殘留的氟元素分布的研究未見報(bào)道。

氟元素被證明在成骨過程中發(fā)揮重要的作用。體外實(shí)驗(yàn)表明不同濃度氟化鈉均能刺激成骨細(xì)胞分泌骨鈣素，并且與氟含量呈正相關(guān)［4-6］。本研究探討了超聲清洗對(duì)鈦種植體表面陽(yáng)極氧化TiO2納米陣列涂層不同深度氟元素含量的影響。

1 材料與方法

1.1 主要材料、儀器和設(shè)備

主要材料包括正方形純鈦試樣（10 mm×10 mm×1 mm，購(gòu)于西北有色金屬研究院），SiC砂紙400、800、1200、2000目（韓國(guó)鷹牌砂紙公司），乙二醇、甲醇、乙醇、丙酮（天津富宇精細(xì)化工有限公司），去離子水（北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院藥劑科），氟化銨（天津天力化學(xué)試劑有限公司）。主要儀器和設(shè)備包括穩(wěn)流穩(wěn)壓直流電源（TPR6405D，香港LongWei公司）、磁力攪拌器（江蘇金壇儀器設(shè)備廠）、超聲波清洗機(jī)（UC-50，德國(guó)Whaledent公司）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（S-4800，日本Hitachi公司）、光電子能譜分析儀（荷蘭ULVAC-Phi公司）。

1.2 TiO2納米陣列涂層制備、分組及檢測(cè)

配制NH4F、乙二醇溶液作為陽(yáng)極氧化電解液，以純鈦為陽(yáng)極，以鉑為陰極在40 V直流電下形成100 nm管徑的TiO2納米陣列涂層。

將制備好的TiO2納米陣列涂層分為2組：清洗組（NT-W組，TiO2納米陣列涂層經(jīng)過丙酮、乙醇、去離子水順次清洗10 min）、未清洗組（NT-UW組，TiO2納米陣列涂層不做清洗處理，室溫下自然干燥）。

沿納米管長(zhǎng)軸方向每500 nm進(jìn)行刻蝕分析，應(yīng)用X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）檢測(cè)，分別得到2組XPS能譜數(shù)據(jù)。根據(jù)XPS能譜表截選結(jié)合能為685.0～685.9 a.u.作為氟元素的峰值區(qū)間。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 掃描電鏡下納米管管口及側(cè)壁形貌圖

40 V電壓形成的納米管管徑約為80～100 nm，管壁厚5～8 nm，管與管之間間距5～20 nm。納米管管長(zhǎng)3～5 μm。掃描電鏡可見經(jīng)過陽(yáng)極氧化處理后純鈦表面均形成均勻的納米管陣列結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 陽(yáng)極氧化形成的納米陣列掃描電鏡圖Fig.1 The microstructure of anodized nanotube arrays by field emission scanning electron microscopy

2.2 2組氟含量比較

NT-W組、NT-UW組氟含量分別為（28 255.846±2 376.654）a.u.和（32 541.415 ±1 824.274）a.u.，2組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（U=8.375，P＜ 0.001）。

2.3 各組不同深度氟含量比較

單因素方差分析結(jié)果顯示，NT-W組不同深度氟含量差異顯著（F=25.231，P＜ 0.01）。配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，0 μm深度氟含量與其他深度氟含量比較差異顯著（P＜ 0.05），而其他各深度氟含量比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（均P＞ 0.05）。NT-UW組不同深度氟含量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=1.967，P=0.086）。見表1、圖2。

圖2 氟元素不同深度刻蝕分析XPS能譜圖Fig.2 The XPS spectra of element of fluoride range after different depths etching

表1 2組不同深度氟含量比較（a.u.）Tab.1 The comparision of element of fluoride range of different depths（a.u.）

3 討論

純鈦在含氟電解液中發(fā)生陽(yáng)極氧化反應(yīng)可以生成納米管陣列樣結(jié)構(gòu)［7-8］。本研究采用NH4F、乙二醇電解液，經(jīng)過40 V電壓處理后得到管徑80 nm、管長(zhǎng)3 μm的納米管陣列。經(jīng)過XPS元素刻蝕分析發(fā)現(xiàn)超聲清洗過后的納米管氟元素含量相比未清洗納米管明顯減少，但納米管全長(zhǎng)仍存在氟元素峰值，這說明氟元素結(jié)合能力極強(qiáng)，經(jīng)過超聲清洗處理仍不能徹底去除。

陽(yáng)極氧化后殘留的氟元素對(duì)應(yīng)用種植體后的生物學(xué)行為存在潛在影響，包括刺激成骨細(xì)胞活性，干預(yù)鈣、磷在骨內(nèi)沉積［6-7］。本研究結(jié)果顯示，超聲清洗對(duì)于納米管內(nèi)部氟元素分布產(chǎn)生影響，經(jīng)過清洗處理后納米管管口位置的氟元素含量明顯低于其他部位；而未經(jīng)過清洗的納米管各深度氟元素含量比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞ 0.05），說明超聲清洗對(duì)納米管管口的氟元素去除效果顯著，而較深位置氟元素去除效果明顯小于管口位置。

綜上所述，超聲清洗可以明顯減少TiO2納米陣列涂層的氟元素含量，但不能徹底去除殘留的氟元素。同時(shí)，超聲清洗改變了管內(nèi)氟元素分布，管口位置氟元素含量明顯低于其他部位。本研究為氟元素在陽(yáng)極氧化后TiO2納米陣列涂層表面殘留、分布及處理方式的相關(guān)研究提供依據(jù)。本研究局限于從材料學(xué)領(lǐng)域分析陽(yáng)極氧化處理技術(shù)后氟元素殘留及超聲清洗對(duì)氟元素殘留產(chǎn)生的影響，研究?jī)?nèi)容相對(duì)單一，量化分析較少。同時(shí)本研究缺乏殘留后氟元素后期的釋放及變化過程的追蹤研究，關(guān)于納米涂層殘留氟元素在后期生物學(xué)行為中發(fā)揮的作用及機(jī)制等系統(tǒng)性研究工作需進(jìn)一步開展。