熱處理對(duì)鈦基體表面電泳沉積GO/HA生物活性涂層的影響

韓委委，劉 莉，余本銳，朱慶霞

(天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津市先進(jìn)纖維與儲(chǔ)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

0 引 言

羥基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是一種具有優(yōu)異生物相容性、生物活性和骨誘導(dǎo)性[1-2]的陶瓷材料，是人體骨組織的主要無機(jī)成分，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用金屬骨植入材料的表面改性領(lǐng)域。在鈦基體表面涂覆HA涂層可以提高種植體的生物活性，但是HA力學(xué)性能較差，阻礙其在骨組織工程中的應(yīng)用。氧化石墨烯(graphene oxide, GO)具有優(yōu)良的抗菌性能、力學(xué)性能和生物相容性[3]，其結(jié)構(gòu)表面或邊緣存在的含氧官能團(tuán)賦予其較高的表面活性與化學(xué)活性[4]。相關(guān)研究表明，GO可以改善HA涂層的裂紋情況[5]、硬度[6]、結(jié)合強(qiáng)度[7-8]、耐腐蝕性[9]和生物相容性[10]等。

電泳沉積法制備過程簡(jiǎn)單，成本低，涂層厚度可控，可以在形狀不規(guī)整或表面多孔的金屬基體表面形成均勻的沉積涂層，被廣泛用于制備生物活性涂層。但是電泳沉積涂層結(jié)合強(qiáng)度較低，可以通過熱處理提高GO/HA涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，為避免GO的過度氧化，熱處理需要在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。涂層經(jīng)過不同溫度熱處理后擁有差異化的物化性質(zhì)，涂層表面形貌和結(jié)構(gòu)方面的改變對(duì)后續(xù)性能有較大的影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要側(cè)重于GO/HA涂層服役性能方面的研究[6,10-11]，而將GO優(yōu)良的機(jī)械性能和HA的生物性能有機(jī)地結(jié)合在一起可進(jìn)一步拓寬生物活性涂層在治療骨科疾病領(lǐng)域的應(yīng)用前景。因此，考慮到GO/HA涂層在組織工程的應(yīng)用，本文探究了熱處理制度對(duì)涂層形貌、物相組成、結(jié)合強(qiáng)度、潤(rùn)濕性和生物活性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 HA粉體的制備

采用Ca(NO3)2·4H2O(分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)與(NH4)2HPO4(分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)作為鈣源和磷源，通過化學(xué)沉淀法制備鈣磷摩爾比為1.67的HA。配制0.5 mol/L Ca(NO3)2·4H2O水溶液，通過NH3·H2O(分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)調(diào)節(jié)溶液pH值為10～11，并控制水浴溫度為60 ℃，以 3.50 mL/min的速度滴加0.5 mol/L的(NH4)2HPO4水溶液，同時(shí)以450 r/min的速度進(jìn)行機(jī)械攪拌。磷源滴加結(jié)束后，繼續(xù)恒溫?cái)嚢? h，整個(gè)反應(yīng)過程中控制混合液pH值為10～11。反應(yīng)結(jié)束后靜置陳化24 h，用去離子水和無水乙醇(分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)洗滌、抽濾至pH值為7，放入烘箱，在120 ℃下烘干并研磨備用。

1.2 鈦基體預(yù)處理

基體分別為長(zhǎng)4.0 cm、寬2.5 cm、厚0.3 cm的鈦板和長(zhǎng)4.0 cm、寬0.5 cm、厚0.1 cm的鈦片，鈦板用于測(cè)試結(jié)合強(qiáng)度，鈦片用于其他測(cè)試。首先用400目、800目、1 200目的砂紙依次對(duì)基體進(jìn)行打磨拋光，然后置于無水乙醇和丙酮(分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)混合溶液中進(jìn)行超聲去油處理，隨后在雙氧水(分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)和濃硫酸(分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)混合液中浸泡1 h。最后，取出鈦片，用去離子水超聲清除鈦片上殘留的酸性液體，自然晾干備用。

1.3 電泳沉積涂層

稱取0.025 g GO粉體(南京先豐納米材料科技有限公司)分散于75 mL無水乙醇中，使用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(BILON-650Y,China,比朗儀器制造有限公司)超聲1 h；稱取0.5 g HA粉體分散于25 mL無水乙醇中，超聲1 h，超聲HA粉體的無水乙醇提前用HNO3(分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)調(diào)節(jié)pH值為4～5。將兩組懸浮液混合后超聲1 h，得到穩(wěn)定分散的懸浮液，用于下一步電泳沉積涂層。以預(yù)處理鈦片為陰極，石墨為陽極，調(diào)節(jié)沉積電壓為15 V，沉積時(shí)間為1 min，沉積間距為1 cm，使用穩(wěn)壓電源儀(DYY-6C,China,六一生物科技有限公司)沉積GO/HA復(fù)合涂層，自然晾干備用。

1.4 涂層熱處理

將GO/HA涂層置于管式爐(SK-G06123K,China,中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司)中，氬氣保護(hù)下進(jìn)行熱處理。升溫速率為5 ℃/min，分別在600 ℃和800 ℃下保溫1 h，降至室溫后取出。

1.5 樣品表征

采用X射線衍射儀(DMAX2500,Janpan,理學(xué)公司)對(duì)不同熱處理參數(shù)下制備的涂層樣品進(jìn)行物相組成分析,衍射靶為 Cu Kα射線，工作電流為 200 mA，工作電壓為40 kV，掃描范圍為5°～70°，掃描速率為2 (°)/min。采用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(S-4800,Janpan,日立公司)觀察涂層表面微觀結(jié)構(gòu)。依據(jù)《色漆和清漆拉開法附著力試驗(yàn)》(GB/T 5210—2006)中的拉開法，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)(CMT4503,America, MTS)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為10 mm/min，當(dāng)涂層與基體完全分離時(shí)測(cè)試結(jié)束，記錄最大載荷，以確定涂層與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度。采用動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀(DSA-100,Germany, KRUSS)測(cè)試涂層表面的潤(rùn)濕性。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對(duì)涂層形貌和結(jié)合強(qiáng)度的影響

在懸浮液中利用電泳沉積法制備涂層，雖然有工藝簡(jiǎn)單、沉積厚度可控、涂層均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，但是沉積的固體顆粒很分散，涂層力學(xué)性能較差，需要進(jìn)行熱處理使涂層更加致密化。GO/HA涂層在不同熱處理?xiàng)l件下的SEM照片如圖1所示。從圖1中可以看出：在沒有進(jìn)行熱處理的涂層表面，針狀HA顆粒雜亂疏松地堆積在一起，其長(zhǎng)度平均約為330 nm，直徑平均約為40 nm；600 ℃熱處理后，HA 顆粒的針狀結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化，顆粒堆積方式由雜亂疏松變得更加致密，顆粒分布也更加均勻；800 ℃熱處理后,HA顆粒主要為棒狀結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度平均約為250 nm，直徑平均約為70 nm，涂層中HA顆粒發(fā)生了擇優(yōu)取向的改變。圖1(c)表面的氣孔率高于圖1(a)和圖1(b)表面的氣孔率，這是因?yàn)閼腋∫褐蠬A的固含量為5 g/L，濃度較低，800 ℃熱處理時(shí)HA顆粒體積收縮，涂層中處于較上層的HA顆粒會(huì)填充到較下層的空隙中，涂層表面出現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)。

圖1 GO/HA涂層在不同熱處理?xiàng)l件下的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of GO/HA coatings at different heat treatment conditions

結(jié)合強(qiáng)度與植入體在周圍骨骼中的穩(wěn)定植入息息相關(guān)，影響植入體材料在骨科疾病治療領(lǐng)域的使用壽命。GO/HA涂層在不同熱處理?xiàng)l件下的結(jié)合強(qiáng)度如表1所示。在經(jīng)過600 ℃熱處理后，GO/HA涂層結(jié)合強(qiáng)度得到了提高，由10.06 MPa提高到14.74 MPa，800 ℃熱處理后結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到25.31 MPa。600 ℃熱處理只是促進(jìn)HA顆粒較為規(guī)律致密的排列，800 ℃熱處理可以促進(jìn)HA顆粒相互融合(見圖1(c))，靠近基體的底層涂層之間結(jié)合更為緊密。此外，熱處理可以促進(jìn)金屬基體的原子擴(kuò)散，有助于形成中間過渡層，達(dá)到提高涂層結(jié)合強(qiáng)度的目的[12]。

表1 熱處理?xiàng)l件對(duì)GO/HA涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of heat treatment condition on adhesion strength of GO/HA coatings

2.2 熱處理對(duì)涂層物相組成的影響

圖2為GO粉體和GO/HA涂層的XRD譜。由圖2可知，無熱處理時(shí)，涂層的主晶相為鈦，這可能是因?yàn)橥繉虞^薄，且內(nèi)部存在空隙，X射線可以穿透涂層而探測(cè)到鈦基體。在25.9°、31.8°和32.9°處觀察到HA的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)PDF#09-0432中HA的(002)、(211)和(300)晶面。隨著溫度的升高，(211)和(300)晶面衍射峰的半峰全寬縮小，峰形更加尖銳，表明升高溫度有助于促進(jìn)HA結(jié)晶度的提高,結(jié)晶度越高，HA的性能越穩(wěn)定。600 ℃和800 ℃熱處理時(shí)，涂層中并沒有出現(xiàn)HA的分解相磷酸三鈣(TCP)的雜相峰，說明600 ℃和800 ℃的熱處理制度并沒有導(dǎo)致HA發(fā)生熱分解。

圖2 GO粉體和GO/HA涂層的XRD譜Fig.2 XRD patterns of GO powder and GO/HA coatings

無熱處理時(shí)，涂層中沒有出現(xiàn)金紅石相的衍射峰，但是600 ℃和800 ℃熱處理時(shí)涂層中有明顯可見的金紅石相，說明熱處理可以促進(jìn)TiO2的生成[13]。鈦常溫下在空氣中很難氧化，但是在高溫環(huán)境下，鈦會(huì)氧化形成TiO2，TiO2可以有效防止腐蝕介質(zhì)對(duì)鈦基體腐蝕。隨熱處理溫度的升高，原本鈦峰強(qiáng)度明顯降低，甚至消失，800 ℃時(shí)金紅石相衍射峰更強(qiáng)。這說明鈦基體的表面發(fā)生了較大程度的氧化，這也是由于疏松多孔的涂層結(jié)構(gòu)使鈦基體表面可以與空氣接觸，促進(jìn)了鈦基體的氧化反應(yīng)。

圖2中曲線d顯示了GO的XRD譜，2θ=11°處明顯的衍射峰是GO在(001)晶面的特征峰。在曲線b和曲線c中未觀察到GO的特征峰，有可能是因?yàn)闊崽幚砥茐牧薌O的有序晶體結(jié)構(gòu)。

2.3 熱處理對(duì)涂層潤(rùn)濕性的影響

潤(rùn)濕性是涂層表面一種重要的物理性質(zhì)，良好的潤(rùn)濕性有利于細(xì)胞和蛋白質(zhì)在涂層上的吸附，從而提高細(xì)胞的生物相容性。潤(rùn)濕效果越好的材料一般具有更好的細(xì)胞親和性，與機(jī)體組織的結(jié)合性能也愈佳。GO/HA涂層在不同熱處理?xiàng)l件下的水接觸角如圖3所示。從圖3可以明顯看出，無熱處理、600 ℃熱處理和800 ℃熱處理的涂層水接觸角分別為15.0°、25.5°和51.6°，隨著熱處理溫度的提高，涂層表面潤(rùn)濕性受到抑制。固體材料的形貌結(jié)構(gòu)和表面暴露基團(tuán)是影響潤(rùn)濕性的關(guān)鍵因素,熱處理溫度提高到800 ℃，HA顆粒由針狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻罱Y(jié)構(gòu)，涂層中HA顆粒的結(jié)合更加緊密；涂層表面的HA含有大量羥基，羥基通過氫鍵增強(qiáng)涂層與水分子之間的吸引力，達(dá)到增加表面能和提高潤(rùn)濕性的效果，熱處理溫度升高導(dǎo)致羥基數(shù)量減少，潤(rùn)濕性降低[14-15]。

圖3 GO/HA涂層在不同熱處理?xiàng)l件下的水接觸角Fig.3 Water contact angle of GO/HA coatings at different heat treatment conditions

2.4 熱處理對(duì)涂層礦化性能的影響

HA植入體內(nèi)后，其表面首先會(huì)形一層與骨無機(jī)成分相似的類骨磷灰石物質(zhì)，促進(jìn)生物材料與活體骨形成化學(xué)鍵合，是生物材料具有骨誘導(dǎo)性的必要條件。為了衡量溫度對(duì)涂層形成磷灰石能力的影響，評(píng)價(jià)涂層生物活性，將600 ℃和800 ℃條件下制備的涂層浸泡在與人體血漿無機(jī)成分類似的模擬體液(simulated body fluid, SBF)中，浸泡時(shí)間為7 d，浸泡結(jié)束后觀察微觀形貌，如圖4所示。從圖4(a)、(b)可以看出，600 ℃熱處理后涂層表面形成一層致密均勻的礦化層，覆蓋率為100%，呈完整的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)。圖4(c)、(d)顯示，800 ℃熱處理后涂層表面礦化層不均勻，礦化層上層磷灰石晶體結(jié)構(gòu)為尺寸較大的花瓣?duì)?，礦化層下層晶體結(jié)構(gòu)為尺寸較小的鱗片狀，礦化層晶體整體生長(zhǎng)情況不如600 ℃熱處理?xiàng)l件下的涂層。

圖4 不同熱處理溫度的GO/HA涂層在37 ℃ SBF中浸泡 7 d后的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of GO/HA coatings treated at different temperatures after immersion in 37 ℃ SBF for 7 d

2.5 浸泡時(shí)間對(duì)涂層礦化性能的影響

圖5顯示了GO/HA涂層在SBF中浸泡 3 d、7 d和15 d后的表面形貌，涂層熱處理溫度為600 ℃?？梢悦黠@看到涂層表面都沉積了一層磷灰石，說明GO/HA涂層能夠誘導(dǎo)磷灰石在生物環(huán)境中生長(zhǎng)，具有優(yōu)異的生物活性。體外浸泡不同天數(shù)后形成的礦化層在形貌上存在很大的區(qū)別:浸泡3 d后，從圖5(a)可以看出礦化層是發(fā)育不完整的低結(jié)晶度的礦化晶體；浸泡7 d后，從圖5(b)可以看出礦化層是由發(fā)育完整、尺寸較大的磷灰石晶體相互交織在一起；從圖5(c)可以看出浸泡15 d后的表面形貌與3 d后的類似，區(qū)別在于浸泡15 d樣品的磷灰石晶片結(jié)晶度明顯優(yōu)于僅浸泡3 d的樣品。涂層的礦化過程是不斷溶解沉淀的過程，礦化形成的礦化層形貌并不固定，而是處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)。

圖5 GO/HA涂層在SBF中浸泡不同時(shí)間后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of GO/HA coatings after immersion in SBF for different time

3 結(jié) 論

(1)GO/HA涂層需要進(jìn)行熱處理改變沉積顆粒松散堆積的狀態(tài)，提高涂層結(jié)合強(qiáng)度。未經(jīng)熱處理、600 ℃熱處理和800 ℃熱處理的涂層結(jié)合強(qiáng)度分別為10.06 MPa、14.74 MPa和25.31 MPa。

(2)熱處理有助于促進(jìn)GO/HA涂層中HA結(jié)晶度的提高，600 ℃和800 ℃的熱處理制度并沒有導(dǎo)致HA發(fā)生熱分解，但有可能破壞了涂層中GO的有序晶體結(jié)構(gòu)。

(3)熱處理溫度的升高會(huì)影響GO/HA涂層的結(jié)晶度和致密度，不利于涂層的潤(rùn)濕性。GO/HA涂層能夠誘導(dǎo)磷灰石在生物環(huán)境中生長(zhǎng)，具有優(yōu)異的生物活性。800 ℃熱處理后涂層穩(wěn)定性高，溶解度低，不利于涂層的礦化過程。