基于正交試驗法雙酸酸蝕參數(shù)對SMAT 純Ti 性能的影響

謝曉明，何美鳳

（上海理工大學 材料與化學學院，上海 200093）

純Ti 作為生物醫(yī)用金屬材料，具有優(yōu)異的生物相容性與良好的機械加工性能，已被廣泛應用于牙科、骨科與整形植入物領域，且在心臟支架與外置型電子裝置，例如刺激骨生長的電子裝置方面有著較多的應用。然而純Ti 的彈性模量高于人體骨骼的，易引起應力屏蔽，導致骨密度降低、骨組織吸收及引起進一步的并發(fā)癥。Ti 在自然界中極易氧化，表面生成的氧化層以TiO為主，其結構松散，耐蝕性不夠理想，且與植入組織的細胞反應活性低。有學者認為，表面氧化層的存在，使得純Ti 與骨之間難以直接接觸，從而未能達到理想的骨整合效果。已有研究證明，鈦種植材料的表面參數(shù)，如表面粗糙度、形貌與元素等能夠影響鈦種植材料周圍組織的細胞形態(tài)、細胞增殖、細胞粘附與基因表達，從而影響骨愈合的進程。為了提高相關性能，對鈦種植材料進行表面改性是很有必要的，能有效提高鈦種植體的植入成功率。

針對純Ti 的應力屏蔽問題，目前已有提高負重延緩骨吸收、改進固定板對應力進行重分布、施加電流模擬壓電效應以及從根本上降低材料的彈性模量等方法。由于純Ti 彈性模量較高，α 型鈦合金耐蝕性較差，人們通過在Ti 中添加Ni、Mo、Nb 等元素形成β 型鈦合金，其中以Ti–Nb 和Ti–Mo 兩種鈦合金體系為主。合金元素的添加能有效降低鈦及鈦合金的彈性模量，從而避免應力屏蔽帶來的影響，但合金元素的添加也會導致合金元素釋出、引發(fā)人體炎癥。因此，如何在兼顧強度與彈性模量的基礎上，設計出生物相容性、細胞毒性等生物安全性指標達標的鈦及鈦合金，已成為了如今種植體的一個重要的研究方向。相關研究表明，對Ti–Ni 合金進行表面氧化、電解拋光、表面涂層、接枝活性分子等有助于提高其耐蝕性及生物相容性。相關領域研究者也越來越關注對純Ti 進行表面改性，從而提高相關性能。

近年來，已有多家科研機構對此進行了探索。李俊等運用噴丸降低了純Ti 表面的彈性模量。瑞士的Straumann 公司開發(fā)了噴砂酸蝕法（sand blasting and acid-etching method,SLA），運用大顆粒噴丸與HCl/HSO雙酸酸蝕結合來對Ti 進行表面改性，已成功運用于臨床醫(yī)用且取得較好效果，此后該公司開發(fā)的SLActive（活性親水SLA）工藝進一步提高了純Ti 植入體的生物相容性并縮短了整體治療周期。

二十世紀九十年代，盧柯等提出了表面機械研磨處理（surface mechanical attrition treatment，SMAT）。相較于傳統(tǒng)噴丸處理，SMAT 能處理形狀復雜的試件，且對材料表面損傷較小，并使材料的微觀組織發(fā)生顯著改變。對待處理材料表面進行的無規(guī)律高速撞擊，使材料表面的晶粒細化至納米級，而材料內部的晶粒保持原始大小，如此形成的梯度納米層提高了材料表面與基體的結合程度。張保華等發(fā)現(xiàn)純Ti 經SMAT 處理后，整體轉變?yōu)樘荻炔牧?，彈性模量大幅度下降、動態(tài)彈性模量下降、強度和表面硬度提高、塑性下降。近年來，已有研究證明，對材料表面進行酸蝕能夠促進材料表面細胞的粘附，并通過增加材料表面的親水性來引導成骨細胞在表面的遷徙，從而促進新生骨的形成。目前已有研究者利用酸蝕工藝對SMAT 純Ti 表面進行改性。駱雪等通過在36%～38%的HCl 環(huán)境中對SMAT 純Ti 進行超聲震蕩15 min 并清洗，從而促進了MG63 細胞在SMAT 純Ti 表面的增殖、粘附。朱珊珊等通過延長SMAT 純Ti 在HCl 中超聲震蕩的時間，使SMAT 純Ti 能夠更好地促進人骨髓間充質干細胞在其表面的成骨分化。高飛等通過動物試驗進一步探索了HCl 酸蝕后的SMAT 純Ti 在生物體內對細胞成骨分化的促進作用，發(fā)現(xiàn)SMAT 純Ti 可提高其表面新生骨的數(shù)量，并使得骨組織形態(tài)更為規(guī)則與致密。研究表明，純Ti 表面在100 ℃的HCl 與HSO雙酸酸蝕環(huán)境下能夠形成增強骨引導的微米級粗糙結構，顯著提高骨整合的速度與成功率，并降低骨吸收。然而，目前尚無針對SMAT 純Ti 的酸蝕工藝，例如酸蝕液的濃度、酸蝕時間與酸蝕溫度的具體探究。

正交試驗分析方法作為基于正交性原理的試驗方法，可大幅度減少多因素多水平試驗的次數(shù)，并通過分析相應的K、k 值與R 值，從而對試驗參數(shù)進行優(yōu)化。本文以SMAT 純Ti 作為分析對象，通過正交試驗分析雙酸液的酸蝕濃度、酸蝕時間與酸蝕溫度對SMAT 純Ti 表面形貌與生物性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣制備

試驗采用南昌國材科技有限公司生產的厚度為5 mm 的Ti 板為研究對象，其中雜質元素Fe、C、N、H、O的質量分數(shù)分別為2×10%、1×10%、5×10%、2×10%、3×10%，其余皆為Ti。Ti 板通過如圖1 所示的SMAT 裝置進行處理。SMAT 參數(shù)如下：在液氮環(huán)境下，以50 Hz 的頻率驅動直徑8 mm 的不銹鋼小球對純Ti 表面進行60 min 的無序撞擊。SMAT 后的Ti 板命名為SMAT 純Ti，經過線切割制成5 mm×5 mm×1.5 mm 的SMAT 純Ti 片。SMAT 純Ti 片先后經過丙酮與無水乙醇超聲清洗并干燥，去除表面油污與雜質。隨后將SMAT 純Ti 片浸入HCl 與HSO混合后的雙酸酸蝕液中，在70～90 ℃的水浴環(huán)境下保溫20～40 min，取出后再先后經過丙酮與無水乙醇超聲清洗并干燥，經紫外滅菌后密封備用。

圖1 SMAT 裝置Fig.1 Device of SMAT

本試驗采用三因素三水平的正交分析方法，所選的3 個因素分別為HCl 與HSO的濃度、酸蝕時間與酸蝕溫度，通過控制水平的變化從而對工藝進行優(yōu)化，試驗因素與水平如表1 所示。

表1 正交試驗因素及水平編碼Tab.1 Orthogonal test factors and level codes

1.2 性能表征

采用接觸角測量儀測試試樣的親疏水性；采用Cell Counting Kit-8 (CCK-8)細胞試驗測試試樣的細胞毒性，所用的細胞為MC3T3-E1 細胞，采用多功能酶標儀測450 nm 波長處96 孔板內溶液的吸光度值，并與空白對照樣進行比較，從而獲得相應的相對吸光度值，評定標準為相對吸光度越高則試樣的細胞毒性越低，即生物相容性越好；采用FEI Quanta 45掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察試樣的微觀組織；利用能量色散X 射線光譜儀表征試樣表面所含元素。

2 實驗結果與分析

2.1 試驗參數(shù)對SMAT 純Ti 接觸角的影響

由于親疏水性能夠影響細胞粘附進而影響細胞分化，在生物試驗中常作為細胞相容性的一個評判標準。較低的接觸角通常與良好的細胞粘附與分化相聯(lián)系。通過改變相關參數(shù)，獲得具有更低接觸角的試樣表面，有助于對試樣進行初步篩選，從而選出具備更好生物相容性的參數(shù)組合。

不同試驗條件下測得的試樣表面接觸角值如表2 所示。K 可用于表述不同試驗中的優(yōu)勢因素，k 可用于表述不同因素的優(yōu)勢水平。R 為所對應k1、k2、k3 的極差，可用于表述不同因素對試驗值的影響，此處試驗值為試樣的接觸角值。其中K1 行的3 個值分別為4.50 mol/L HCl 與6.72 mol/L HSO、酸蝕溫度為70 ℃、酸蝕時間為20 min 時，所對應的3 次試驗值之和；K2 行的3 個值分別為5.80 mol/L HCl 與8.96 mol/L HSO、酸蝕溫度為80 ℃、酸蝕時間為30 min 時，所對應的3 次試驗值之和；K3行的3個值分別為7.25 mol/L HCl 與11.20 mol/L HSO、酸蝕溫度為90 ℃、酸蝕時間為40 min 時，所對應的3 次試驗值之和。k1 行的值分別為4.50 mol/L HCl 與6.72 mol/L HSO、酸蝕溫度為70 ℃、酸蝕時間為20 min 時，所對應的3 次試驗值的平均值；k2 行的值分別為5.80 mol/L HCl 與8.96 mol/L HSO、酸蝕溫度為80 ℃、酸蝕時間為30 min 時，所對應的3 次試驗值的平均值；k3 行的值分別為7.25 mol/L HCl 與11.20 mol/L HSO、酸蝕溫度為90 ℃、酸蝕時間為40 min 時，所對應的3 次試驗值的平均值。

表2 正交試驗參數(shù)與結果Tab.2 Parameters and results of the orthogonal test

由表2 中接觸角值可知，8試樣接觸角值最小，親水性最好；4試樣接觸角值最大，親水性最差。由表2 中R 值可見，3 個因素按極差由大到小排序可得R1＞R3＞R2。由此可知，酸蝕濃度在本次正交試驗中對接觸角的影響最大，酸蝕溫度次之，酸蝕時間影響程度最低。R1 與R3 相差較少，與R2 相差較大，可以得出酸蝕濃度與酸蝕溫度對試樣與水的接觸角影響較大，酸蝕時間對試樣與水的接觸角影響最小。對k 值進行比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著雙酸酸蝕濃度的增大與酸蝕溫度的升高，試樣與水的接觸角呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；隨著酸蝕時間的延長，試樣與水的接觸角則表現(xiàn)為先減小后增大。對試驗中3 個參數(shù)的變化進行比較，可以發(fā)現(xiàn)當酸蝕濃度為7.25 mol/L HCl 與11.20 mol/L HSO、酸蝕溫度為90 ℃、酸蝕時間為30 min 時，為本次正交試驗中接觸角值最低的組合。

2.2 試驗參數(shù)對SMAT 純Ti 表面狀態(tài)的影響

圖2 為試樣的SEM 圖。由圖2 可見，隨著酸蝕時間的增加，試樣表面的孔洞數(shù)量逐漸增多，整體起伏程度降低。由圖2 中(a)、(f)、(h)可見，當酸蝕溫度較低時，試樣表面的孔洞深度較淺；由圖2(b)、(d)、(i)與圖2(c)、(e)、(g)可見，當酸蝕溫度逐漸升高時，試樣表面的孔洞深度逐漸加深。由圖2(c)、(f)、(i)可見，當酸蝕時間為40 min 時，隨著酸蝕濃度的增大、酸蝕溫度先降低后升高時，試樣表面的孔洞大小呈現(xiàn)先增大后縮小的趨勢。通過對不同參數(shù)的比較與分析可以發(fā)現(xiàn)，酸蝕濃度對試樣形貌的影響要比酸蝕時間與酸蝕溫度的影響要大。

圖2 不同試驗參數(shù)下SMAT 純Ti 酸蝕后的表面形貌Fig.2 Surface morphologies of the SMAT pure Ti after acid etching under different test parameters

表3 為不同試驗參數(shù)下SMAT 純Ti 酸蝕后的試樣在能量色散X 射線光譜儀下測量得到的表面元素含量，測試范圍為圖2 表示的區(qū)域。由表3 可知，試樣表面主要檢測出作為基體的Ti 元素與在液氮環(huán)境下進行SMAT 處理后引入的少量N 元素，以及與空氣接觸形成氧化物后帶入的微量O 元素，且無論試樣處于何種酸蝕處理環(huán)境下，表面均未檢出S、Cl 等有害元素。

表3 正交試驗后試樣表面元素含量Tab.3 Element contents of the sample surfaces after orthogonal test

2.3 試驗參數(shù)對SMAT 純Ti 生物相容性的影響

表4 為不同試驗條件下試樣的相對吸光度。由表4 可知，7試樣的相對吸光度最高，表明7試樣在本試驗中具有最好的生物相容性，其次是9試樣。分析k 值可以發(fā)現(xiàn)：隨著酸蝕濃度的增加，試樣的生物相容性也隨之上升；酸蝕時間對試樣的生物相容性的影響表現(xiàn)為，隨著酸蝕時間的延長，試樣的生物相容性先降低后緩慢上升；酸蝕溫度對試樣的生物相容性的影響表現(xiàn)為，隨著酸蝕溫度的升高，試樣的生物相容性上升。通過比較k 值可知，當酸蝕濃度為7.25 mol/L HCl 與11.20 mol/L HSO、酸蝕時間為20 min、酸蝕溫度為90 ℃，試樣的生物相容性應為理論最優(yōu)值。將該組參數(shù)與正交試驗表進行對比可知，理論最優(yōu)值對應的參數(shù)剛好可制得7試樣。通過比較R 值的大小，可以發(fā)現(xiàn)R1＞R2＞R3，且R2與R3相差不大，R1相對R2 與R3 而言相差較大。由此可以推出酸蝕濃度對試樣的生物相容性影響最大，酸蝕時間次之，酸蝕溫度影響最小。

圖3 為對表4 中的相對吸光度作圖所得，其中0試樣為未經SMAT 與酸蝕處理的純Ti 試樣，用于評價不同試驗參數(shù)處理后SMAT 純Ti 的生物相容性并進行比較。圖3 中橫線為0試樣相對吸光度的75%，該值通常作為評價生物相容性是否合格的分界線。若材料經過處理后，其相對吸光度值高于對照樣相對吸光度值的75%，即可認為該材料生物相容性合格，且相對吸光度值越大，材料的生物相容性越好。由圖3 可得，與對照組相比，不同試驗參數(shù)處理后SMAT 純Ti 的生物相容性均有不同程度的提高，且均高于對照樣相對吸光度的75%。這表明不同試驗參數(shù)處理后SMAT 純Ti 的生物相容性全部合格，且7試樣的生物相容性遠遠高于其他試樣。

圖3 試驗參數(shù)對酸蝕后SMAT 純Ti 生物相容性的影響Fig.3 Effect of test parameter on the biocompatibility of SMAT pure Ti after acid etching

表4 正交試驗參數(shù)與結果Tab.4 Parameters and results of the orthogonal test

3 結 論

（1）試驗選用的酸蝕參數(shù)中，酸蝕濃度對試樣的表面形貌、親水性與生物相容性影響最大。剩余兩個參數(shù)中，酸蝕溫度對接觸角的影響更大，酸蝕時間對生物相容性的影響更大。

（2）隨著酸蝕濃度的增大與酸蝕溫度的升高，試樣的生物相容性都表現(xiàn)為一直提高；而隨著酸蝕時間的延長，試樣的生物相容性呈現(xiàn)先降低后提高的趨勢。酸蝕濃度的增大，使試樣表面的孔洞尺寸呈現(xiàn)出了先增大后減小的變化，而酸蝕溫度的升高則使得試樣表面孔洞的深度不斷增加。

（3）本試驗中的最佳試驗參數(shù)即酸蝕濃度為7.25 mol/L HCl 與11.20 mol/L HSO、酸蝕時間為20 min、酸蝕溫度為90 ℃，此時試樣與水的接觸角為63.5，相對吸光度為5.243。