基于正交试验法双酸酸蚀参数对SMAT纯Ti性能的影响

来源:用户上传      作者:谢晓明 何美凤

　　关键词：正交试验方法;表面机械研磨处理;双酸酸蚀;纯Ti;性能
　　纯Ti 作为生物医用金属材料，具有优异的生物相容性与良好的机械加工性能，已被广泛应用于牙科、骨科与整形植入物领域，且在心脏支架与外置型电子装置，例如刺激骨生长的电子装置方面有着较多的应用。然而纯Ti 的弹性模量高于人体骨骼的，易引起应力屏蔽，导致骨密度降低、骨组织吸收及引起进一步的并发症[1]。Ti 在自然界中极易氧化，表面生成的氧化层以TiO2 为主，其结构松散，耐蚀性不够理想，且与植入组织的细胞反应活性低。有学者认为，表面氧化层的存在，使得纯Ti 与骨之间难以直接接触，从而未能达到理想的骨整合效果[2]。已有研究[3-9] 证明，钛种植材料的表面参数，如表面粗糙度、形貌与元素等能够影响钛种植材料周围组织的细胞形态、细胞增殖、细胞粘附与基因表达，从而影响骨愈合的进程。为了提高相关性能，对钛种植材料进行表面改性是很有必要的，能有效提高钛种植体的植入成功率[10]。
　　针对纯Ti 的应力屏蔽问题，目前已有提高负重延缓骨吸收、改进固定板对应力进行重分布、施加电流模拟压电效应以及从根本上降低材料的弹性模量等方法[11-13]。由于纯Ti 弹性模量较高，α 型钛合金耐蚀性较差[14]，人们通过在Ti 中添加Ni、Mo、Nb 等元素形成β 型钛合金[15]， 其中以Ti CNb 和TiCMo 两种钛合金体系为主[16]。合金元素的添加能有效降低钛及钛合金的弹性模量[17]，从而避免应力屏蔽带来的影响，但合金元素的添加也会导致合金元素释出、引发人体炎症。因此，如何在兼顾强度与弹性模量的基础上，设计出生物相容性、细胞毒性等生物安全性指标达标的钛及钛合金，已成为了如今种植体的一个重要的研究方向[18]。相关研究表明，对TiCNi 合金进行表面氧化、电解抛光、表面涂层、接枝活性分子等有助于提高其耐蚀性及生物相容性[19]。相关领域研究者也越来越关注对纯Ti 进行表面改性，从而提高相关性能。
　　近年来，已有多家科研机构对此进行了探索。李俊等[20] 运用喷丸降低了纯Ti 表面的弹性模量。瑞士的Straumann 公司开发了喷砂酸蚀法（ sandblasting and acid-etching method， SLA），运用大颗粒喷丸与HCl/H2SO4 双酸酸蚀结合来对Ti 进行表面改性， 已成功运用于临床医用且取得较好效果[21]，此后该公司开发的SLActive（活性亲水SLA）工艺进一步提高了纯Ti 植入体的生物相容性并缩短了整体治疗周期。
　　二十世纪九十年代，卢柯等[22] 提出了表面机械研磨处理（ surface mechanical attrition treatment，SMAT）。相较于传统喷丸处理，SMAT 能处理形状复杂的试件，且对材料表面损伤较小[23]，并使材料的微观组织发生显著改变[24]。对待处理材料表面进行的无规律高速撞击，使材料表面的晶粒细化至纳米级[25]，而材料内部的晶粒保持原始大小，如此形成的梯度纳米层提高了材料表面与基体的结合程度。
　　张保华等[26] 发现纯Ti 经SMAT 处理后，整体转变为梯度材料，弹性模量大幅度下降、动态弹性模量下降、强度和表面硬度提高、塑性下降。近年来，已有研究[27] 证明，对材料表面进行酸蚀能够促进材料表面细胞的粘附，并通过增加材料表面的亲水性来引导成骨细胞在表面的迁徙，从而促进新生骨的形成。目前已有研究者利用酸蚀工艺对SMAT 纯Ti 表面进行改性。骆雪等[28] 通过在36%～38% 的HCl 环境中对SMAT 纯Ti 进行超声震荡15 min 并清洗，从而促进了MG63 细胞在SMAT 纯Ti 表面的增殖、粘附。朱珊珊等[29] 通过延长SMAT 纯Ti 在HCl 中超声震荡的时间，使SMAT 纯Ti 能够更好地促进人骨髓间充质干细胞在其表面的成骨分化。高飞等[30] 通过动物试验进一步探索了HCl 酸蚀后的SMAT 纯Ti 在生物体内对细胞成骨分化的促进作用，发现SMAT 纯Ti 可提高其表面新生骨的数量，并使得骨组织形态更为规则与致密。研究[31] 表明，纯Ti 表面在100 ℃ 的HCl 与H2SO4双酸酸蚀环境下能够形成增强骨引导的微米级粗糙结构，显著提高骨整合的速度与成功率，并降低骨吸收。然而，目前尚无针对SMAT 纯Ti 的酸蚀工艺，例如酸蚀液的浓度、酸蚀时间与酸蚀温度的具体探究。
　　正交试验分析方法作为基于正交性原理的试验方法，可大幅度减少多因素多水平试验的次数，并通过分析相应的K、k 值与R 值，从而对试验参数进行优化。本文以SMAT 纯Ti 作为分析对象，通过正交试验分析双酸液的酸蚀浓度、酸蚀时间与酸蚀温度对SMAT 纯Ti 表面形貌与生物性能的影规律。
　　1 试验材料与方法
　　1.1 试样制备
　　试验采用南昌国材科技有限公司生产的厚度为5 mm 的Ti 板为研究对象，其中杂质元素Fe、C、N、H、O 的质量分数分别为2×10?6%、1×10?6%、5×10?7%、 2×10?7%、3×10?6%，其余皆为Ti。Ti 板通过如图1 所示的SMAT 装置进行处理。SMAT 参数如下： 在液氮环境下，以50 Hz 的频率驱动直径8 mm 的不锈钢小球对纯Ti 表面进行60 min 的无序撞击。SMAT 后的Ti 板命名为SMAT 纯Ti，经过线切割制成5 mm×5 mm×1.5 mm 的SMAT 纯Ti 片。SMAT 纯Ti 片先后经过丙酮与无水乙醇超声清洗并干燥， 去除表面油污与杂质。随后将SMAT 纯Ti 片浸入HCl 与H2SO4 混合后的双酸酸蚀液中，在70～90 ℃ 的水浴环境下保温20～40 min，取出后再先后经过丙酮与无水乙醇超声清洗并干燥，经紫外灭菌后密封备用。
　　本试验采用三因素三水平的正交分析方法，所选的3 个因素分别为HCl 与H2SO4 的浓度、酸蚀时间与酸蚀温度，通过控制水平的变化从而对工艺进行优化，试验因素与水平如表1 所示。

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