刘 莹， 曹 灿

北部战区总医院 口腔科，辽宁 沈阳 110016

种植体表面阳极氧化形成TiO2纳米管(anodized TiO2nanotubes，NT)涂层广泛应用于生物实验环境，特别是体外实验模拟人体内温度下的水环境。将纳米阵列涂层种植体行水热处理，其实质为高温下的水环境。临床上，种植体储藏条件为室温环境，温度跨度不等，关于不同温度下水环境中纳米涂层形貌变化的速率影响尚未见报道。阳极氧化后的种植体表面形成的纳米阵列样形貌被认为可以促进成骨细胞的分化[1-2]。稳定的形貌特征直接影响种植体应用成骨效果。本研究通过比较不同温度下水环境种植体表面涂层稳定性及形貌变化，以期为未来钛种植体表面阳极氧化涂层的应用提供理论依据。现报道如下。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂 正方形纯钛试样(10 mm×10 mm×1 mm，西北有色金属研究院)；SiC砂纸400、800、1 200、2 000目(鹰牌，韩国)；乙二醇、甲醇、乙醇、丙酮(天津富宇精细化工有限公司)；去离子水(北部战区总医院药剂科)；氟化铵(天津天力化学试剂有限公司)。稳流稳压直流电源(TPR6405D，香港LongWei)；磁力搅拌器(江苏金坛仪器设备厂)；超声波清洗机(UC-50，德国Whaledent)；场发射扫描电子显微镜(S-4800，日本Hitachi)；超净工作台(AIRTECH，中国)；CO2培养箱(Thermo，美国)；场发射扫描电子显微镜(FE-SEM，日本Hitachi)；实验室冰箱(利勃海尔，德国)；水热反应釜(上海一凯仪器设备有限公司)；低温煅烧炉(三星仪器设备厂)；X线衍射仪(Shimadzu6000，日本)。

1.2 研究方法

1.2.1 制备阳极氧化纳米涂层 配制为NH4F、乙二醇溶液作为阳极氧化电解液，以纯钛为阳极，以铂为阴极在40 V的直流电下形成100 nm管径的TiO2纳米涂层TiO2-NT。TiO2-NT经过丙酮、乙醇、去离子水顺次清洗10 min，室温下自然干燥。

1.2.2 TiO2-NT 浸没于不同温度去离子水中 25℃组：将TiO2-NT置于实验室冰箱去离子水中，调整去离子水的温度为25℃，放置1、3、7 d。37℃组：通过空调调节室内温度为25℃，将TiO2-NT置于室温条件下离子水中放置1、3、7 d。

200℃组：将TiO2-NT置于高压水热釜中，加入40 ml去离子水，密封后置于低温炉中，保持升温速度10℃/min，升温至200℃，分别反应1、3、5 h。见图1。应用场发射扫描电子显微镜扫描试件表征材料表面形貌特征。

图1 TiO2-NT浸没于200℃去离子水工艺实施原理图

1.2.3 X线衍射仪技术检测试样晶相 设定X线衍射仪的分析参数：电压40 kV，电流40 mA，铜靶，2θ范围10°～80°，步长0.02°，计数时间每步0.15°。采用薄膜法分析样品表面的二氧化钛纳米管阵列涂层的晶相。

2 结果

2.1 扫描电镜下纳米管管口及侧壁形貌图 扫描电镜观察可见，经过阳极氧化处理后，纯钛表面均形成均匀的纳米管阵列结构。见图2。40 V电压形成的纳米管管径约为80～100 nm，管壁厚5～8 nm，管与管之间存在5～20 nm间隙。冠长3～5 μm。TiO2-NT浸没于25℃、37℃及水热处理后表面纳米阵列的形貌特征变化。见图3。规则有序的纳米管结构在25℃去离子水中浸泡后1 d后发生变化，表面出现新生成的颗粒结构，分布在纳米管口的各个部位。经过更长时间的浸泡后，纳米颗粒的数量增多，并且有聚集增大的趋势，聚集的颗粒形成了针刺样的结构。3 d后，纳米管口可见管壁生长相当数量的纳米针刺。浸泡7 d的纳米阵列表面已被纳米针刺结构占据，完全覆盖在表面，侧面观察到大量的纳米针刺结构充满了纳米管与管之间的空隙。去离子水的温度对于TiO2纳米管阵列的稳定性有影响。37℃下发生了相似的变化，纳米管表面形成了大量的纳米刺，聚集的纳米刺结构充满了整个纳米阵列表面，但是变化趋势更快。

2.2 X线衍射仪技术表征试样晶相 未经过水浸泡处理TiO2-NT呈现无定型相，经过浸泡后，从无定型相转变为锐钛态晶相，锐钛态的峰值强度随着温度升高而加强。与25℃、37℃条件下浸泡7 d比较，在水热处理下5 h形成的锐钛态对应峰值更为显著。见图4。

图2 种植体表面形成的阳极氧化TiO2-NT的管口、管壁及管底形貌特征图

图3 TiO2-NT浸没于25℃、37℃及水热处理后表面纳米阵列的形貌特征变化

3 讨论

近年来，阳极氧化纳米阵列为代表的种植体表面改性技术逐渐成为生物材料医学的研究热点。TiO2-NT阳极氧化形成纳米阵列的形貌是被认为参与到成骨细胞功能分化的过程[3-6]。TiO2-NT在水环境下应用中稳定的纳米形貌是阳极氧化生物学功能实现的前提。既往研究中，纳米阵列应用前仅进行清洗的处理，并未进行煅烧处理[7-9]。本研究中的纳米阵列涂层未经过煅烧，晶相为无定型的TiO2，在室温、体温、高温模拟水环境下晶相或形貌同时发生明显的变化，说明阳极氧化的生物应用前处理方式仍需要进一步规范。

图4 TiO2-NT浸没于25℃、37℃及水热处理后表面纳米阵列的晶相变化

水热处理是一种成熟的材料处理技术[10]，室温及体温条件下浸没于水环境与水热处理后，都产生了类似的纳米针刺样形貌及锐钛态晶相的峰值。可能因为温度的差异，水热处理的速率更快，反应更剧烈。TiO2纳米阵列在水溶液中发生的明显的形貌改变与晶相形成的变化，这些变化与水热处理可能是相似的物理变化过程，溶液温度是影响反应速率的重要因素。种植体阳极氧化涂层的应用依赖于稳定的纳米形貌，未来亟待深入研究相关变化机理，以更好规范阳极氧化相关生物应用技术，为更好种植体表面更好地应用阳极氧化纳米阵列涂层提供理论依据与研究基础。

综上所述，TiO2纳米阵列在水溶液中发生明显的形貌改变与晶相形成，溶液温度是影响反应速率的重要因素，种植体阳极氧化涂层的在生物水环境下的应用依赖于稳定的纳米形貌。