钛表面微弧氧化层的制备及评价

钛因具有优良的生物相容性、耐蚀性以及机械加工等综合性能在临床上被广泛用作种植体的基体材料。然而钛属于生物惰性材料,植入到生物体后与骨组织之间不能形成骨性结合。为赋予钛种植体良好的生物活性以及其它综合性能,利用微弧氧化技术对钛进行表面改性处理是一种十分有效的方法。本文利用微弧氧化技术在钛表面制备了多孔二氧化钛陶瓷层以及磷灰石（apatite）/二氧化钛（TiO2）复合涂层。运用SEM、XRD、XPS及FTIR多种检测方法对膜层的形貌和相成分进行了分析;探讨了微弧氧化对陶瓷层硬度、粗糙度、耐蚀性以及膜层与基体之间结合力的影响;通过模拟体液浸泡实验研究了微弧氧化层对类骨磷灰石的诱导能力及诱导机理;最后通过体外细胞培养实验对微弧氧化层的生物学性能进行了评价。研究结果如下:电解液组分不同,微弧氧化后陶瓷层的表面形貌、元素组成也不同。在由醋酸钙和磷酸二氢钠配制的电解液中进行微弧氧化,当电压低于330 V时,生成的陶瓷层表面是多孔结构。随着施加电压的升高以及处理时间的延长,多孔陶瓷层的厚度、平均孔径逐渐增大,膜层的相成分由锐钛矿逐渐向金红石转变。当电压为330V时,试样表面有磷灰石出现,电压升高至390V时,得到花瓣状的apatite/TiO2复合层。微弧氧化后试样的表面硬度、粗糙度及耐蚀性明显增加。在实验参数范围内,随着电压的升高,试样表面硬度及粗糙度逐渐升高。微弧氧化膜层与基体之间有着较高的结合力,随着电压的升高,结合力呈现先升高然后下降的趋势。复合中层的apatite以及多孔层中的锐钛矿在模拟体液中对磷灰石的生长有很好的诱导作用。在模拟体液中,复合层中的apatite层首先发生溶解,使溶液中钙、磷离子浓度增加,然后因新的钙磷层的生成而不断消耗溶液中的离子,溶液中钙、磷离子浓度逐渐降低。这一过程可由溶解-沉淀机制来解释。在磷灰石的形核与生长过程中,电荷之间的吸引力起着主要作用。微弧氧化后试样的毒性等级均为0级。小鼠成骨细胞在两种微弧氧化层表面的早期黏附性均得到提高。在种植的第7天观察细胞形态,细胞在多孔TiO2层上大量增殖形成细胞层。复合层表面也有大量细胞附着,细胞伸出的伪足之间相连形成网状结构。而纯钛表面细胞的数量少,体积也较小。MTT测试进一步证实多孔的TiO2层以及apatite/TiO2复合层有利于细胞的增殖与分化,而复合层的功能尤其突出,这说明材料表面的结构及化学成分对细胞的生长有很重要的影响。