鈦表面等離子體氧化及其對細胞粘附增殖的影響

　　采用真空射頻輝光放電技術(shù)對噴砂酸蝕工藝處理后的鈦表面進行了等離子體氧化處理，利用掃描電子顯微鏡、接觸角測量儀及X射線光電子能譜儀研究了氧化膜對鈦表面形貌和親水性的影響以及其化學(xué)組成和價鍵狀態(tài)；同時通過體外細胞培養(yǎng)研究了鈦表面等離子體氧化膜對細胞粘附增殖的影響。結(jié)果表明：等離子體氧化處理保留了鈦表面噴砂酸蝕形成的微觀孔洞結(jié)構(gòu)，獲得了平均接觸角低于10°的超親水性表面；鈦表面出現(xiàn)Ti⁴⁺、Ti³⁺和Ti²⁺離子，其中主要以Ti⁴⁺存在；相比未氧化的鈦表面，氧化后的鈦表面對成骨細胞的粘附增殖有更顯著的促進作用，這表明鈦表面等離子體氧化膜具有很好的潤濕性，利于細胞的粘附增殖。

　　鈦及其鈦合金是生物惰性金屬材料，植入體內(nèi)后容易被一層包囊纖維膜所包繞，難于和生物組織形成牢固的結(jié)合，并且鈦合金存在一些有害成分，會引起生物體的異變，因此提高鈦的生物應(yīng)用，需要對其進行表面處理。研究發(fā)現(xiàn)醫(yī)用純鈦的生物相容性與其表面潤濕性有著直接的關(guān)系，因而提高醫(yī)用純鈦表面的親水性就顯得尤為重要了。氧化鈦是一種光催化物質(zhì)，R Wang發(fā)現(xiàn)了TiO2表面經(jīng)光誘導(dǎo)能形成超親水性。藺增分別采用直流磁控濺射鍍膜和等離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備TiOx薄膜，發(fā)現(xiàn)其均能大大降低鈦表面接觸角。因此對鈦表面進行氧化是提高醫(yī)用鈦材料表面潤濕性的一個方向，并且等離子體氧化膜可以提高植入體在體內(nèi)耐蝕性和阻礙金屬離子的釋放。同時研究發(fā)現(xiàn)粗糙的表面能夠增加液滴與固體表面的接觸面積，增強了親水性，而且具有粗糙表面的鈦種植體與骨組織的結(jié)合面積及結(jié)合強度均大于光滑表面的鈦種植體。因此本試驗在噴砂酸蝕(Sandblasting and acid-etching，SLA)工藝處理獲得的鈦片試樣表面進行等離子體氧化，分析等離子體氧化后鈦試樣的表面形貌、化學(xué)組成、價鍵狀態(tài)、親水性和成骨細胞粘附增殖的情況。

　　1、試驗

　　1.1、鈦片試樣的制備

　　試驗所用鈦片試樣尺寸為14mm×14mm×3mm，材料為TA2(寶鈦股份有限公司)。將加工好的鈦片試樣用清洗劑進行手工清洗去除加工碎屑和殘留機械油污，并經(jīng)58μm(250目)、13μm(1000目)、6.5μm(2000目)SiC砂紙逐級打磨至表面呈現(xiàn)白色金屬光澤，然后依次在洗潔精、去離子水和無水乙醇中各超聲清洗5min，置于加熱箱中烘干，冷卻后裝入自封袋密封保存。

　　1.2、SLA法處理工藝

　　采用SLA工藝處理鈦試樣表面，以獲得微-納米的雙微觀孔洞結(jié)構(gòu)，具體的工藝流程參見文獻。工藝參數(shù)：噴砂材料為鈦砂，酸為60%H2SO4、10%HCl與去離子水按體積比1：1：2的混酸，酸蝕時間為20min，酸蝕溫度為100℃。下文將噴砂酸蝕處理后的鈦試樣統(tǒng)一稱為SLA鈦試樣。

　　1.3、等離子體氧化工藝

　　利用射頻等離子體增強化學(xué)氣相沉積(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)設(shè)備真空輝光放電產(chǎn)生的氧離子轟擊SLA鈦試樣表面，使其生成一層氧化薄膜。工藝過程為先用Ar等離子體清洗試樣表面30min，然后開始進行等離子體氧化，表1為等離子體氧化的參數(shù)。

表1　等離子體氧化的參數(shù)

　　1.4、試樣表面特性表征

　　試樣表面的形貌、細胞粘附用場發(fā)射電子掃面電鏡(SEM)(JSM-6500F，JEOL，Tokyo，Japan)進行表征；用美國ULVAC-PHI公司生產(chǎn)的PHI-5700型X射線光電子能譜儀(XPS)分析試樣表面化學(xué)元素和價鍵狀態(tài)。使用接觸角測量儀(SL200B，科諾工業(yè)有限公司)對試樣表面進行接觸角測量，采用θ/2法，測量范圍：0°<θ<180°，分辨率0.01°，測試精度±1°。試樣氧化完成并在真空室冷卻1h后進行測量，一個試樣表面測量5個不同點，取平均值。

　　1.5、試樣表面成骨細胞培養(yǎng)

　　將試樣分別放入到孔板中，將狀態(tài)良好的MC3T3-E1小鼠原成骨細胞以2×10⁴/mL的濃度接種于試樣表面。在50%CO2、95%濕度、37℃的環(huán)境下，細胞培養(yǎng)24h。每次取出試樣后用磷酸鹽緩沖液(Phosphate　Buffered　Saline，PBS)沖洗3次，并且要吸凈液體，然后用2.5%的戊二醛固定2h，經(jīng)過清洗、烘干以及噴金處理后，用SEM 觀察成骨細胞的生長形態(tài)。

　　3、結(jié)論

　　(1)在試驗參數(shù)下，試樣在PECVD設(shè)備中經(jīng)等離子體氧化處理后，在其表面形成了TiO2、Ti2O3和TiO薄膜，其中以TiO2為主，同時保留了由SLA處理而獲得的多孔嵌套結(jié)構(gòu)。

　　(2)在試驗參數(shù)下，SLA 處理后的鈦試樣經(jīng)等離子體氧化后，其可以獲得接觸角低于10°的超親水性表面，并且重復(fù)性較好。

　　(3)成骨細胞粘附增殖實驗表明，SLA 形成的多孔結(jié)構(gòu)有利于促進成骨細胞的粘附增殖；而進一步等離子體氧化處理后，鈦試樣表面成骨細胞的粘附增殖情況明顯優(yōu)于未經(jīng)等離子體氧化處理的噴砂處理試樣。