一種新型仿生化形貌二氧化鈦涂層種植體制備研究

閆 虹，彭園園，劉傳宏，曹 燦

1.北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 口腔科，遼寧 沈陽(yáng) 110016;2.遼寧省軍區(qū)沈陽(yáng)第五離職干部休養(yǎng)所 門(mén)診部，遼寧 沈陽(yáng) 110005；3.遼寧省軍區(qū)沈陽(yáng)第一離職干休所 門(mén)診部，遼寧 沈陽(yáng) 110000

口腔種植技術(shù)已成為牙列缺損或缺失的重要修復(fù)方法之一，但是種植體植入后松動(dòng)、脫落仍然困擾種植體的廣泛應(yīng)用。種植體表面結(jié)構(gòu)的生物活性不理想，無(wú)法有效形成種植體骨結(jié)合是造成上述問(wèn)題的重要原因之一。仿生化結(jié)構(gòu)具有潛在更好的生物學(xué)活性。種植體表面仿生化形貌涂層對(duì)于預(yù)防種植體松動(dòng)、脫落，延長(zhǎng)其使用壽命具有重要意義。骨組織是由納米級(jí)別的骨膠原(100 nm)和羥基磷灰石晶體(10 nm)為單元組裝起來(lái)的。從仿生學(xué)角度出發(fā)，100 nm和10 nm復(fù)合的納米結(jié)構(gòu)具有更好的生物活性。已有陽(yáng)極氧化技術(shù)通過(guò)種植體表面電化學(xué)處理形成了100 nm尺寸納米管陣列樣形貌，并在成骨過(guò)程中發(fā)揮重要作用[1-4]，但10 nm結(jié)合100 nm的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)報(bào)道少見(jiàn)。本研究旨在以陽(yáng)極氧化技術(shù)為基礎(chǔ)，探索出一種新型種植體表面仿生化形貌二氧化鈦(titanium dioxide，TiO2)涂層的制備手段?，F(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 主要材料、儀器及設(shè)備 正方形純鈦試樣(10 mm×10 mm×1 mm，西北有色金屬研究院)；碳化硅砂紙400、800、1 200、2 000目(韓國(guó)鷹牌)；乙二醇，甲醇，乙醇，丙酮(天津富宇精細(xì)化工有限公司)；去離子水(北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院藥劑科)；氟化銨(天津天力化學(xué)試劑有限公司)。穩(wěn)流穩(wěn)壓直流電源(TPR6405D，LongWei，香港)；磁力攪拌器(江蘇金壇儀器設(shè)備廠)；超聲波清洗機(jī)(UC-50，Whaledent，德國(guó))；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800，Hitachi，日本)；三維形貌分析儀(ST400，Nanovea，美國(guó))。

1.2 研究方法 采用含0.5 wt%氟化銨、5.0 vol%甲醇、5.0 vol%水的乙二醇溶液為電解液配方，以純鈦為陽(yáng)極、鉑為陰極，經(jīng)40 V電壓陽(yáng)極氧化反應(yīng)1 h，形成100 nm管徑的TiO2納米管陣列涂層。制備好TiO2納米管陣列涂層，經(jīng)過(guò)丙酮、乙醇、去離子水順次清洗10 min，室溫(24℃±2℃)下自然干燥，得到TiO2陽(yáng)極氧化陣列種植體TiO2nanotube arrays，記作TNA組。TiO2nanotube arrays置于含去離子水溶液5 ml的24孔板中浸泡72 h后得到新型多重TiO2納米管陣列涂層Multi-level TiO2nano-arrays，記作ML-TNA組。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡掃描TNA組和ML-TNA組的表面形貌，采用三維形貌分析儀測(cè)量表面粗糙度及相關(guān)形貌參數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 掃描電子顯微鏡下納米管形貌圖 經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理后，TNA組納米管直徑為80～100 nm，管壁厚5～8 nm，管與管之間存在5～20 nm間隙，管長(zhǎng)約為3 μm。ML-TNA組形貌表面被大量新生成的顆粒結(jié)構(gòu)充滿，聚集的納米顆粒為針刺樣結(jié)構(gòu)，這些納米刺依托下部納米管結(jié)構(gòu)覆蓋于表面，側(cè)面可觀察到大量的納米刺結(jié)構(gòu)充滿了納米管與管之間的間隙；形貌以100 nm直徑納米管陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，集合10～20 nm大小的納米刺。見(jiàn)圖1。變化過(guò)程示意模擬見(jiàn)圖2。

圖1 TNA組和ML-TNA組掃描電子顯微鏡圖(a，c.TNA組納米管陣列管口及管壁側(cè)視圖；b，d.ML-TNA組新型多重納米管陣列管口及管壁側(cè)視圖)

2.2 TNA組和ML-TNA組形貌表面粗糙度比較 ML-TNA組面粗糙度Sa值高于TNA組(1.160 μm比0.660 μm)，線粗糙度Ra值也高于TNA組(0.345 μm比0.309 μm)。見(jiàn)圖3。

圖3 TNA組和ML-TNA組形貌表面粗糙度比較

3 討論

口腔種植修復(fù)被廣泛應(yīng)用于解決牙列缺損及缺失等臨床問(wèn)題，但種植體修復(fù)仍存在因生物活性差而松動(dòng)、脫落等弊端，為解決上述問(wèn)題，臨床醫(yī)師關(guān)注于微觀形貌特征改良以提高其生物學(xué)活性[5-7]。以陽(yáng)極氧化為基礎(chǔ)得到的納米管陣列形貌對(duì)表面干細(xì)胞具有積極的生物學(xué)影響，這種影響包括促進(jìn)早期細(xì)胞黏附、促進(jìn)骨髓干細(xì)胞向成骨細(xì)胞方向分化等[1-4]。

為了深入改造TiO2納米管陣列，本研究應(yīng)用去離子水浸泡TiO2納米管陣列種植體，水環(huán)境下，大量的10 nm大小納米刺樣結(jié)構(gòu)覆蓋于納米管表面。已有研究表明，陽(yáng)極氧化生成無(wú)定型態(tài)TiO2，改型形貌殘留氟化物，氟化物的存在使不穩(wěn)定的無(wú)定型態(tài)TiO2發(fā)生溶解再結(jié)晶，從而生成較為穩(wěn)定的銳鈦態(tài)TiO2，新型納米刺的生成可能與該變化存在關(guān)聯(lián)[8]。本研究結(jié)果顯示：ML-TNA組形貌表面被大量新生成的顆粒結(jié)構(gòu)充滿，聚集的納米顆粒為針刺樣結(jié)構(gòu)，這些納米刺依托下部納米管結(jié)構(gòu)覆蓋于表面，側(cè)面可觀察到大量的納米刺結(jié)構(gòu)充滿了納米管與管之間的間隙，徹底改變了納米管原有的形貌特征；ML-TNA組面粗糙度Sa值和線粗糙度Ra值均高于TNA組，即新型形貌改變了原有陽(yáng)極氧化納米管陣列的表面粗糙度。粗糙度的改變被認(rèn)為可以對(duì)細(xì)胞黏附等早期生物學(xué)行為產(chǎn)生重要影響[9-10]。本研究在已有的陽(yáng)極氧化TiO2納米管陣列基礎(chǔ)上，通過(guò)水環(huán)境浸泡的方式，合成出了一種嶄新的種植體形貌—“多重納米”的納米管復(fù)合納米刺形貌。有文獻(xiàn)報(bào)道，骨組織早期礦化結(jié)晶顆粒直徑在10 nm，骨膠原直徑在100 nm[11-13]，與本研究合成的100 nm復(fù)合10 nm的多重納米形貌及骨組織內(nèi)梯度環(huán)境具有相似性。還有研究表明，仿生修飾對(duì)于骨結(jié)合過(guò)程具有明顯的促進(jìn)作用[14]。

綜上所述，本研究合成了一種更具仿生微觀形貌的新型種植體表面仿生化形貌TiO2涂層，其為多重納米結(jié)構(gòu)，可從仿生角度更好地模擬骨組織結(jié)構(gòu)，有望為種植體表面改性提供新的思路和方法。