細菌脂多糖對選擇性激光熔化技術制作的 鈷鉻鉬合金腐蝕行為的影響

張曼曼 孫 健， 阿地力江·依米提 程蕙娟 焦 婷

（1. 上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院·口腔醫(yī)學院口腔修復科，國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心， 上海市口腔醫(yī)學重點實驗室，上海市口腔醫(yī)學研究所，上海 200011 ； 2. 喀什地區(qū)第二人民醫(yī)院口腔科，喀什 844000）

選擇性激光熔化技術（Selective laser melting， SLM）已成功應用于口腔金屬修復體的制作。然而，對于牙科用鈷鉻鉬合金而言，由于腐蝕作用釋放出的金屬離子會直接與口腔黏膜相接觸或進入體內，引起局部或全身反應。其中，Co和Cr已被證實擁有細胞和基因毒性。相較于金屬內冠而言，活動義齒支架由于較大的表面積，所以因腐蝕而釋放的金屬離子量也會大大增加。且腐蝕作用對合金本身也有一定破壞作用，從而降低合金的機械性能。因此，對于SLM法制作的鈷鉻鉬合金支架腐蝕行為的研究具有重要的臨床意義。

口腔環(huán)境對牙科合金腐蝕行為有重要影響，包括唾液，食物，牙膏，細菌等。其中細菌脂多糖（Lipopolysaccharides， LPS）是革蘭氏陰性細菌細胞壁中的一種成分，只有當細菌死亡溶解或用人工方法破壞菌細胞后才釋放出來，所以又叫做內毒素。它可以存在于唾液和齦溝液中，常常介導口腔相關的炎癥反應，如牙周炎、種植體周圍炎等。有研究表明它可以吸附于合金表面，通過加快離子析出進而降低鈦、傳統(tǒng)鑄造鈷鉻和鎳鉻合金的腐蝕性能。因此，本研究采用人工唾液并加入不同濃度的LPS來進一步模擬口腔環(huán)境，分析LPS對SLM制作的鈷鉻合金支架腐蝕行為的影響，并與鑄造合金進行對比，以期對臨床上SLM法制作的鈷鉻鉬合金支架的應用推廣及安全性提供依 據。

1 材料和方法

1.1 試件制備

鈷鉻鉬合金金屬粉末（Wirobond C+，Bego Dental，德國）用金屬3D打印機（M2 cusing Multilaser，Concept Laser，德國）通過SLM技術制作12個鈷鉻合金試件（簡稱：SLM合金）。通過樹脂打印機（ProJet MJP 3600，3D Systems，美國）打印樹脂蠟型，再將鈷鉻鉬合金金屬塊（Wironit，Bego Dental，德國）用離心鑄造機通過傳統(tǒng)失蠟鑄造法制作12個鈷鉻合金試件（簡稱：鑄造合金），每個試件規(guī)格為10 mm×10 mm×2 mm。

1.2 人工唾液配制

在1 L的去離子水中分別加入0.4 g NaCl，0.4 g KCl，0.795 g CaCl·2HO，0.69 g NaHPO·HO，0.005 g NaS·9HO和1.0 g 尿素配置Fusayama-Meyer人工唾液，37℃時其pH值約為5.0。

1.3 電化學腐蝕實驗

將SLM合金和鑄造合金試件通過打磨機，分別用400目、800目、1 200目二氧化硅砂紙打磨拋光，然后用氧化鋁懸浮液進一步拋光去除劃痕，直至表面均勻一致。最后，所有試件分別在去離子水、丙酮、乙醇、去離子水中各超聲洗滌5 min，干燥備用。在人工唾液中加入LPS，配置濃度依次為0、0.15、15、150 μg/mL，作為腐蝕電解液。將SLM和鑄造鈷鉻合金試件按腐蝕電解液中LPS濃度（0、0.15、15、150 μg/mL）分別分為4組，每組3個合金試件。然后將每個合金試件用環(huán)氧樹脂包埋，僅暴露其中10 mm×10 mm的一面，其相對的那面用導線引出，作為工作電極，并選用甘汞電極作為參比電極，鉑電極作為對電極。

用電化學穩(wěn)壓器進行電化學腐蝕實驗，首先，測試開路電位（OCP）1 h，待電位上下波動不超過 2 mV 后，進行電化學阻抗譜（EIS）測試，頻率為 105-10-2Hz，正弦微擾信號的振幅值為10 mV。最后，進行動電位極化測試，掃描電位區(qū)間為-250 mV（vs OCP） ～ 1 600 mV，掃描速率為 1 mV/s。用 ZsimpWin 軟件對 EIS 圖像進行擬合分析，可獲得相應阻抗參數(shù)：

R

、Y0-CPE、n、

χ

。用 Tafel 擬合法分析動電位極化測試結果，并獲取相應的腐蝕參數(shù)：自腐蝕電流密度（

I

）和自腐蝕電壓（

E

）。

1.4 統(tǒng)計學分析

應用 SPSS 20.0 統(tǒng)計分析軟件，對結果進行單因素的方差分析和獨立樣本

t

檢驗，顯著性水平

α

=0.05（雙側）。

2 結果

SLM合金和鑄造合金的自腐蝕電流密度（

I

）和自腐蝕電壓（

E

）如表1所示。隨著LPS濃度增加，SLM和鑄造合金試件的

E

值逐漸下降，而

I

值則逐漸增加，且在150 μg/mL LPS組的

E

值都顯著小于單純人工唾液組，而

I

值則顯著大于單純人工唾液組（

P

＜0.05）。在LPS濃度為150 μg/mL時，SLM合金的

I

值顯著小于鑄造合金，而

E

則顯著大于鑄造合金。而在其余LPS濃度下，SLM合金和鑄造合金的

I

和

E

則無顯著性差異。

表1 SLM合金和鑄造合金試件的腐蝕參數(shù)

注：＜0.05， 鑄造組在不同濃度LPS下與單純人工唾液對比。 ＜0.05， SLM組在不同濃度LPS下與單純人工唾液對比。 ＜0.05，相同LPS濃度下鑄造組與SLM組的對比。

組別(n=3）LPS (μg/ml)腐蝕參數(shù)（images/BZ_32_1461_1698_1487_1731.png±s）Icorr (μAcm-2) Ecorr (mV)鑄造 0 0.020±0.012 -406±60 0.15 0.039±0.017 -362±111 15 0.075±0.025 -387±114 150 0.498±0.076a，c -568±7a，c SLM 0 0.026±0.009 -377±65 0.15 0.042±0.019 -394±100 15 0.054±0.019 -406±24 150 0.255±0.105b -548±7b

通過等效電路模型

R

（

R

Q

）（圖1）對所獲得的EIS圖譜進行擬合，擬合后可獲得相應的阻抗參數(shù)（表2）：

R

、Y0-CPE、n、

χ

，其中，

χ

代表擬合情況，在本研究中，

χ

都在10 ～ 3范圍之內，表示獲得的EIS圖譜與模型間的擬合度良好。Y0-CPE、

n

代表了與理想電容的偏離情況，

n

越接近1，CPE越表現(xiàn)為電容特性，兩者在本實驗中不同組別之間均無統(tǒng)計學上的差異。

R

則代表合金表面氧化層的電阻，在LPS濃度達到150 μg/mL時，SLM合金的

R

值出現(xiàn)顯著性下降（

P

＜0.05），而鑄造合金在LPS濃度達到15 μg/mL 時，

R

值就開始出現(xiàn)顯著性下降（

P

＜0.05）。且在LPS濃度為150 μg/mL時，SLM合金的

R

值顯著大于鑄造合金（

P

＜0.05）。而在其余LPS濃度時，SLM和鑄造合金的

R

值均無顯著性差異。

圖1 等效電路模型

表2 SLM合金和鑄造合金試件的阻抗參數(shù)

注： ＜0.05， 鑄造組LPS濃度為 0.15、15或150 μg/mL 與單純人工唾液對比。 ＜0.05， SLM組LPS濃度為 0.15、15或150 μg/mL 與單純人工唾液對比。 ＜0.05，相同LPS濃度下鑄造組與SLM組的對比。

組別(n=3）LPS(μg/ml)阻抗參數(shù)（images/BZ_32_1461_1698_1487_1731.png±s）Rp (kΩ/cm2)Y0-CPE (S cm-2s-nx10-5) 彌散指數(shù)鑄造 0(control) 753±31 4.11±0.27 0.91±0.01 0.15 728±24 3.73±0.20 0.91±0.00 15 670±52a 4.05±0.20 0.89±0.01 150 451±42a，c 4.12±0.74 0.90±0.02 SLM 0(control) 789±56 3.81±0.17 0.91±0.01 0.15 762±69 3.72±0.58 0.91±0.01 15 715±63 4.06±0.29 0.90±0.02 150 602±55b 4.16±0.30 0.90±0.01

3 討論

動電位極化測試實驗是常見的測試金屬腐蝕性能的方法之一。通過Tafel 擬合法分析動電位極化測試圖譜，可以獲取相應的腐蝕參數(shù)：自腐蝕電流密度（I）和自腐蝕電壓（E）。其中，自腐蝕電位（E）是工作電極上沒有外加電壓或電流通過時的電位，其可以反映出金屬發(fā)生腐蝕的難易程度，其值越低，腐蝕越容易進行，代表合金的抗腐蝕性能越差。當LPS濃度為150 μg/mL時，SLM合金和鑄造合金的E值均降低，且I顯著上升，約為單純人工唾液組的10 ～ 20倍，這說明當LPS濃度為150μg/mL時，合金的抗腐蝕性能均減弱。自腐蝕電流密度（I）則代表金屬的腐蝕速率，其值越大說明金屬腐蝕速率越快，可以表明150 μg/mL 的LPS濃度下，SLM合金和鑄造合金合金的腐蝕速率顯著增加。這與先前LPS對其他合金腐蝕行為影響的研究結果相似。Mathew等研究表明，LPS對cpTi和TiAlV的腐蝕行為有負向影響，認為LPS誘導金屬離子釋放可能是原因之一。Yu 等人在高濃度LPS下也觀察到Co-Cr和Ni-Cr鑄造合金的腐蝕速率增加。

近年來，電化學阻抗譜法因對體系擾動小，得到的結果更加精確，且鮮明易懂，也成為電化學腐蝕研究的常用方法。用等效電路模型R（RQ）對EIS譜圖進行擬合后可以得到重要參數(shù)R，為合金表面氧化層的電阻。在150 μg/mL LPS組，兩種合金的R值均顯著下降，代表了合金表面氧化層的電阻下降，電荷在電解質溶液和合金表面兩相界面轉移變得相對簡單，說明合金的腐蝕速率增加，這與之前的結論相同。除此之外，鑄造合金在LPS濃度為15 μg/mL時，R值就出現(xiàn)了顯著性降低，而SLM合金則無明顯變化，這表明了鑄造合金的腐蝕行為更容易受到LPS的影響。本課題組之前的研究也顯示，LPS 對 SLM 技術制作的鈷鉻鉬合金的離子析出沒有顯著影響，與傳統(tǒng)鑄造合金相比，其離子析出量較少。

上述實驗均說明LPS 對 SLM 技術制作的鈷鉻鉬合金的腐蝕行為的影響較鑄造合金小。以往研究證明，單一相且晶粒小的合金對LPS吸附能力較差。而研究表明，SLM合金的晶粒較相應的鑄造合金晶粒更細小，微觀結構也更加均勻致密，故其腐蝕行為受LPS影響可能較弱。但由于LPS對合金的吸附是一個復雜的現(xiàn)象，還有pH、LPS濃度及合金表面能等多種因素的影響，因此其對SLM合金吸附能力及影響因素還有待進一步研究證實。

4 結論

綜上所述，在單純人工唾液中，SLM制作的鈷鉻鉬合金與鑄造法制作的合金的腐蝕行為無顯著性差異。LPS的存在會增加2種方法制作的合金的腐蝕速率，但其對SLM合金的腐蝕行為的影響小于鑄造合金。由于腐蝕過程以及金屬離子對機體作用的復雜性，還需要對其腐蝕的具體過程和機制以及生物相容性等作進一步深入探討。