黃少斌 王萬明 肖杰

350025福州，福建醫(yī)科大學(xué)?？偱R床醫(yī)學(xué)院（黃少斌）；350025福州，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院骨二科（王萬明、肖杰）

骨科鈦板表面TiO2納米管陣列的制備和結(jié)構(gòu)表征

黃少斌 王萬明 肖杰

350025福州，福建醫(yī)科大學(xué)?？偱R床醫(yī)學(xué)院（黃少斌）；350025福州，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院骨二科（王萬明、肖杰）

目的在骨科鈦板表面制備TiO2納米管陣列，并對其表征，為骨科內(nèi)植物表面修飾或涂層提供載體，也為防治骨科內(nèi)植物感染尋求一新途徑。方法利用陽極氧化法，以甘油體系為電解液，骨科臨床鈦板為陽極，鉑電極為陰極，通過調(diào)整一定的參數(shù)，在骨科鈦板表面制備TiO2納米管陣列，并對其表征。利用X射線光電子能譜儀（XPS）分析納米管元素組成，并通過X射線衍射儀（XRD）觀察其在300℃高溫下形態(tài)是否變化。結(jié)果以甘油體系為電解液，使用陽極氧化法24 h可在骨科臨床鈦板表面制備出管徑為100～200 nm、管長在3 μm以內(nèi)的TiO2納米管陣列。宏觀直視下可見骨科鈦板表面由銀白色變?yōu)樯钏{(lán)色。XPS分析骨科鈦板表面的TiO2納米管陣列主要由Ti元素（75.88%）、O元素（20.16%）和F元素（3.96%）組成。此外，經(jīng)馬弗爐加溫至300℃的TiO2納米管陣列形態(tài)穩(wěn)定。結(jié)論利用陽極氧化法可制備出表面均勻的TiO2納米管陣列。該陣列形態(tài)穩(wěn)定，內(nèi)部中空狀，底部封閉，具有較大的比表面積，且可耐受高溫，可為骨科內(nèi)植物表面修飾或涂層提供載體。

骨科鈦板；制備；納米管陣列；結(jié)構(gòu)表征

Fund program:Fujian Province Science and Technology Project(2013Y5007);National Natural Science Foundation of Fujian(2014J01369)

0 引言

在骨外科學(xué)眾多術(shù)后并發(fā)癥中，內(nèi)植物感染仍是臨床醫(yī)生最懼怕的問題[1]。相關(guān)文獻(xiàn)指出，骨科內(nèi)植物感染是因為浮游致病菌在植入物表面黏附或種植，進(jìn)而形成細(xì)菌生物膜[2]。細(xì)菌在植入物表面的黏附是細(xì)菌生物膜構(gòu)成的首要環(huán)節(jié)，也是植入物感染的主力要素[3]。經(jīng)過對骨科植入物表面進(jìn)行修飾或改性，就可有效抑制致病菌在其表面黏附或種植。工業(yè)上對鈦板表面的改性包括化學(xué)熱處理、表面涂層和非金屬涂層技術(shù)等[4]。通過這些方法可在植入物表面形成帶抗生素（萬古霉素、慶大霉素等）、抗菌活性物質(zhì)（無機(jī)金屬如銀、銅、鋅等，殼聚糖或衍生物）、消毒類抗菌劑（雙氧水、洗必泰、氯二甲苯酚）和抗黏附聚合物的涂層，但這些涂層在體外實驗及臨床應(yīng)用中并未達(dá)到預(yù)期效果[5]。

近年來，在骨科常用的內(nèi)植物表面制備TiO2納米管陣列是國內(nèi)外研究的熱點。納米管是一種徑向、軸向尺寸為納米級別，底部封閉的無縫隙管狀結(jié)構(gòu)。TiO2納米管陣列具有比表面積大、排列整齊的多孔結(jié)構(gòu)，且底端封閉，可作為吸附藥物及其他物質(zhì)的良好載體，同時還可通過調(diào)控納米管的各項參數(shù)來實現(xiàn)特異性藥物釋放[6]。Hu等[7]通過電沉積方法將銀離子復(fù)合至TiO2納米管陣列表面，發(fā)現(xiàn)其對銅綠假單胞桿菌的抗菌活性明顯增強(qiáng)，且未發(fā)現(xiàn)其對成骨細(xì)胞的增殖及分化有不利影響。Shirai等[8]通過在骨科內(nèi)植物表面構(gòu)建TiO2納米管陣列作為碘的藥物緩釋系統(tǒng)，治療臨床上的植入物感染。張巍等[9]利用氫氟酸為電解液在骨科鈦板表面構(gòu)建TiO2納米管陣列，并通過浸泡法在其表面置入抗生素（萬古霉素、妥布霉素等），發(fā)現(xiàn)其可明顯減少金黃色葡萄球菌的黏附。因此，本研究嘗試在骨科鈦板表面制備TiO2納米管并對其表征，為骨科內(nèi)植物表面修飾或涂層提供載體及研發(fā)新的抗感染植入物提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

氫氟酸（北京新順通化學(xué)試劑有限公司），無水乙醇（江蘇成越試劑有限公司），丙酮（南京化工有限公司），硝酸（天津化學(xué)試劑廠），雙蒸水（安徽建龍試劑有限公司），甘油（合肥生物化學(xué)試劑公司），骨科鈦板（廈門大博醫(yī)療器械有限公司）。

TNDCSVC7-20KVA穩(wěn)壓電源（廣東天德醫(yī)療器械有限公司），CDF-101D集熱式恒溫磁力攪拌器（廣東順源醫(yī)療器械廠），JP-010T超聲清洗器（山東廣運(yùn)醫(yī)療器械有限公司），JSM-7610F掃描電鏡（德國FTA公司），ESCALAB250 X射線衍射儀（X-ray diffractomer,XRD）（日本日立公司），Xpertpro MPD X射線光電子能譜儀（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）（荷蘭Philips公司）。

1.2 方法

1.2.1 鈦板的預(yù)處理

將骨科臨床使用的鈦板（4.5 cm×1.0 cm×0.6 cm），以每4個孔為距離裁剪，工作面積為1.0 cm×1.0 cm，依次分別使用1000#、3000#、5000#磨砂的金相紙反復(fù)打磨，直至在普通掃描電鏡下觀察可見其表面平整、無凹陷和劃痕。然后，將打磨過的鈦板放入氫氟酸及硝酸的混合液（體積比為1∶3）浸泡30 s，除去原有的雜質(zhì)及氧化層，再依次用無水乙醇、丙酮、雙蒸水進(jìn)行超聲清洗20 min后，取出烘干備用。

1.2.2 鈦板表面TiO2納米管陣列的制備

采用甘油體系[10]，將10 ml去離子水加入90 ml甘油溶液里，用其，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%NH4F的甘油體系，并置于攪拌器內(nèi)攪拌5 min后取出。將配置好的電解液置入集熱式恒溫磁力攪拌器，以預(yù)處理過的鈦板為陽極，鉑電極為陰極。兩電極分別卡入容器上方的硅膠板內(nèi)，其中鈦板與穩(wěn)壓電源的陽極連接，鉑片與穩(wěn)壓電源的陰極連接。電解液均沒過兩電極工作范圍，電極間隔為2cm。調(diào)整溫度為20℃，轉(zhuǎn)速為130次/min，電壓為40 V。陽極氧化24 h后，將鈦板取出，用大量去離子水沖洗，再用超聲清洗器震蕩10 min，取出烘干備用。

1.2.3 鈦板表面TiO2納米管陣列的表征

將樣品裁剪成1 cm×0.5 cm置于掃描電鏡下觀察形態(tài)，正位測量其管徑，側(cè)位測量其管長。測量完畢后，將該鈦板置入馬弗爐加熱至300℃后取出，通過XRD觀察其在300℃高溫下形態(tài)是否變化。最后用刀片刮下樣品表面氧化層，碾碎成粉末，用XPS分析其元素組成。

2 結(jié)果

2.1 宏觀直視下鈦板表面顏色變化

將2塊裁剪過的骨科臨床鈦板，經(jīng)不同型號的金相紙反復(fù)拋光、打磨及放入混合液浸泡后，將其中一塊于甘油體系內(nèi)陽極氧化24 h，取出晾干后，肉眼觀察鈦板表面顏色變化。圖1A顯示經(jīng)預(yù)處理后的鈦板，去除了表面雜質(zhì)及原有氧化層，為銀白色；圖1B為經(jīng)陽極氧化24 h的鈦板，表面為均一的深藍(lán)色，氧化層較厚，無裂隙。

2.2 掃描電鏡下鈦板表面TiO2納米管陣列的形態(tài)學(xué)觀察

將預(yù)處理后及陽極氧化24 h的鈦板分別置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：預(yù)處理后的鈦板表面光滑，未見納米管陣列，有少量散在雜質(zhì)（圖2A）；陽極氧化24 h的鈦板從正位可見大片狀納米管陣列形成，成蜂巢樣，局部均勻，管徑約為100 nm且納米管緊密相連（圖2B）；側(cè)位可見納米管呈樹叢樣形態(tài)，緊密相連，管長約為3 μm（圖2C）。

2.3 X射線衍射儀分析

將氧化24 h的TiO2納米管陣列經(jīng)馬弗爐加溫至300℃后，行XRD分析，結(jié)果如圖3所示：紫線為未經(jīng)加熱的TiO2納米管基底鈦的衍射峰，提示為無定型狀態(tài)；紅線為經(jīng)馬弗爐加溫至300℃時的銳鈦礦型衍射峰，提示TiO2納米管由無定型狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦型晶型。銳鈦礦型是TiO2在自然界存在的晶體結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐高溫。進(jìn)一步表明鈦板表面的TiO2納米管陣列不會因高溫而發(fā)生形態(tài)改變，為臨床高溫消毒提供理論依據(jù)。

2.4 X射線光電子能譜儀分析

分別刮取鈦板表面氧化層行XPS分析，由圖4可知：預(yù)處理后的鈦板表面主要為Ti元素（98.2%）及少量的O元素（1.8%），這意味著經(jīng)過浸泡的樣品表面仍有微量氧化層；陽極氧化24 h形成的鈦板表面TiO2納米管的元素組成主要為O元素（20.16%）、Ti元素（75.88%）及少量的F元素（3.96%），表明鈦板表面的深藍(lán)色氧化層由TiO2納米管陣列構(gòu)成。

3 討論與結(jié)論

納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料；納米管是“納米材料”的一種存在形式，納米管是一種徑向、軸向尺寸為納米級別，底部封閉的無縫隙管狀結(jié)構(gòu)[11]。Chung等[12]嘗試把慶大霉素或替考拉寧置于聚DL-乳酸（PDLLA）克氏針上，在5×106CFU/ml的金黃色葡萄球菌懸液中吸附的細(xì)菌數(shù)量較裸露的不銹鋼或鈦合金克氏針明顯減少（P＜0.01）。但該類方法并不能從根本上解決致病菌在鈦板表面的黏附和種植。在國外，通過在鈦板表面構(gòu)建納米管陣列作為載體，治療內(nèi)植物感染取得了很好的效果。Su等[13]把慶大霉素通過凍干法復(fù)合在TiO2納米管陣列內(nèi)，在體外實驗中明顯抑制了細(xì)菌的黏附及種植，且對成骨前體細(xì)胞（MCT3T）的黏附、增殖和分化均無影響。表明TiO2納米管陣列是一個良好的載體，符合藥物釋放涂層的要求。

圖2 掃描電鏡下鈦板表面TiO2納米管陣列的形態(tài)（×10 000）

圖4X射線光電子能譜儀分析曲線圖

本研究運(yùn)用陽極氧化的原理，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，制備了TiO2納米管，該法具有操作簡單、投資成本少、制出的納米管均勻等優(yōu)點。工業(yè)上制備納米管的方法較多，其中模板合成法和水熱合成法也是制備TiO2納米管的可行方法[14]。相比之下，陽極氧化法具有特定的優(yōu)勢，是目前較為流行且推行的制備TiO2納米管的主要方法。該法以鈦金屬或其他金屬為陽極，鉑電極為陰極（石墨或其他惰性金屬也可），兩電極之間間隔2 cm以上，通過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，可形成納米管。

本研究通過以甘油體系為電解液，采用陽極氧化法制備TiO2納米管陣列。該體系制出的納米管表面均勻，形態(tài)穩(wěn)定，管徑約100 nm，管長約3 μm。張巍等[9]采用氫氟酸為電解液，氧化電壓為20 V，制得的TiO2納米管管徑在50～100 nm，管長約2 μm。Shirai等[8]將在鈦板表面制得的厚度為2～5 μm的管狀結(jié)構(gòu)充當(dāng)載碘的載體。目前，對于何種管長、管徑的納米管適合充當(dāng)載體并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這可能與裝載物的體積大小直接相關(guān)。相對來說本研究制得的TiO2納米管具有較大的比表面積，適合作為藥物釋放緩釋的載體。此外，電解液的成分構(gòu)成和濃度主導(dǎo)著TiO2納米管的形成及形態(tài)。

目前工藝上比較流行的是利用鈦片作為陽極材料的鈦基，但本研究利用的是骨科臨床使用的鈦板。與鈦片相比，鈦板更厚（為鈦片的3～4倍）、更堅硬、表面更平滑。相關(guān)文獻(xiàn)報道，不同材料的陽極金屬，其元素組成及表面是否平整、清潔均會影響納米管的形態(tài)及結(jié)構(gòu)，甚至影響納米管陣列的元素構(gòu)成[15]。故本研究最首要的就是對鈦板進(jìn)行拋光、鈍化，直至在普通掃描電鏡下觀察到其表面平整、無凹陷和劃痕。

一個完整、形態(tài)規(guī)則、表面均勻的TiO2納米管的制作，電解液的成分和電解質(zhì)的濃度均是相關(guān)因素，但納米管的管徑和管長主要通過調(diào)控電壓（V）、溫度（T）及氧化時間（t）等工藝參數(shù)。本研究使用持續(xù)穩(wěn)壓電源提供氧化電壓，范圍可調(diào)控在0～60 V。相關(guān)研究指出，氧化電壓過低，TiO2納米管不能形成，而只能構(gòu)成膜狀，電鏡下表現(xiàn)為多孔凹陷的平面；氧化電壓過高，TiO2納米管形成困難或不能形成，電鏡下表現(xiàn)為海綿狀的不規(guī)則平面[16]。在相同的氧化時間里，隨著電壓的變動，納米管的長度也呈正向增長。當(dāng)然電壓的波動對納米管的形態(tài)變化還跟電解液的性質(zhì)有著密切關(guān)系，Lin等[17]發(fā)現(xiàn)隨著電壓的變化，在以水為電解液的氫氟酸體系里，納米管的管長呈正比變化，但在無機(jī)電解液的體系里，納米管的長度變化不大，因此本研究采取40 V電壓作為甘油體系的氧化電壓。TiO2納米管的形成是電化學(xué)生長和溶解協(xié)同的結(jié)果，這兩種化學(xué)變化主要受溫度調(diào)控。隨著溫度升高到一定程度，電解液里的F-對陽極鈦金屬的腐蝕起主要作用，強(qiáng)于表面的電化學(xué)生長變化，這樣就無法形成納米管。當(dāng)然若溫度太低，將導(dǎo)致形成的納米管管口內(nèi)徑偏大、管徑短（＜10 nm），且在臨床實驗中，低溫條件下的實驗操作困難。目前，制備TiO2納米管的溫度一般控制在10～25℃，易于調(diào)控。

綜上所述，鈦板表面TiO2納米管的制備是一個極其復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，也是一個各項工藝參數(shù)及各種相關(guān)因素科學(xué)結(jié)合的過程，其形態(tài)結(jié)構(gòu)（管徑、管長）是多項因素左右的結(jié)果[18]，需調(diào)節(jié)好各項參數(shù)，才能制出完整、形態(tài)規(guī)則、表面均勻的TiO2納米管。目前制得的納米管管徑、管長、壁厚只是一個粗略的范圍，尚無法做出事先設(shè)計好的形態(tài)結(jié)構(gòu)，這個仍需進(jìn)一步探索實驗。

利益沖突無

（圖1、3見插頁3-6）

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Preparation and structural characterization of TiO2nanotube arrays on surface of orthopaedic titanium plate

Huang Shaobin,Wang Wanming,Xiao Jie
Fujian Medical University Fuzhou General Clinical Medical College,Fuzhou 350025,China(Huang SB);Department of Orthopedics,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Region,Fuzhou 350025,China(Wang WM,Xiao J)

ObjectiveThe TiO2nanotube arrays,fabricated on the surface of orthopedics,was characterized, to provide carrier for orthopedics plant surface modification or coating,and seek a new way for the prevention and treatment of orthopedics plant infection.MethodsBy adjusting certain parameters,TiO2nanotube arrays were fabricated on orthopedic titanium plate surface using the method of anodic oxidation,with glycerol system as electrolyte,orthopedics titanium plate as anode,and platinum electrode as cathode.TiO2nanotube arrays were characterized.The element composition of TiO2nanotube arrays was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS),and the morphological changes of TiO2nanotube arrays was observed at high temperature(300℃)by X-ray diffractomer(XRD).ResultsWith glycerol system as electrolyte,TiO2nanotube array with diameter of about 100 to 200 nm and the length less than 3 μm can be fabricated on orthopedic titanium plate surface using anodic oxidation of 24 h.The surface of orthopedic titanium plate was changed from silver white to deep blue in the macroscopic view. The TiO2nanotube array on orthopedics titanium plate surface was mainly composed of Ti element(75.88%),O element(20.16%),and F element(3.96%)by XPS analysis.TiO2nanotube arrays morphology was stable when it was heated to 300℃by muffle furnace.Conclusions The method of anodic oxidation can be applied to manufacture TiO2nanotubes array on titanium plate surface.The array with stable morphology,the inner hollow shape,the bottom sealing,and a large specific surface area,can withstand high temperature,which can provide carrier for orthopedics plant surface modification or coating.

Orthopaedic titanium plate;Preparation;Nanotube arrays;Structural characterization

王萬明，Email：aashaohuang@163.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．03．007

福建省科技計劃項目（2013Y5007）；福建省自然科學(xué)基金（2014J01369）Corresponding author:Wang Wanming,Email:aashaohuang@163.com

2016-03-31）