趙夢(mèng)陽(yáng)，黃紫洋

（福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院,福州 350007）

生物陶瓷因化學(xué)性能穩(wěn)定、生物相容性優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于骨組織替代植入材料.目前，在我國(guó)人口老齡化的加速演進(jìn)形勢(shì)下，加快研發(fā)生物陶瓷醫(yī)用材料和組織工程技術(shù)及骨替代產(chǎn)品，對(duì)提高人們的生活質(zhì)量起到積極的作用.羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）作為生物活性陶瓷材料，其制備已經(jīng)引起了化學(xué)、材料學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域研究者的極大興趣，具有廣闊的研究與應(yīng)用前景［1~7］.骨組織中HA的組成和結(jié)構(gòu)與天然HA礦物相近，是脊椎動(dòng)物骨骼和牙齒的主要無(wú)機(jī)鹽成分，HA具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性，可以促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖［3］，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力.然而由于HA初始斷裂值較低［4］，不具備抑菌性，這嚴(yán)重制約其應(yīng)用于承重部位骨骼損壞的修復(fù)與替代，因此開發(fā)新的加工技術(shù)，尋找添加劑以增強(qiáng)HA的力學(xué)性能和生物學(xué)性能顯得尤為突出［5~7］.

Cu和Sr是人體骨骼中重要的成骨元素［8，9］.研究表明，乙二胺四乙酸銅（II）二鈉鹽（Na2Cu-EDTA）和HA/TiO2結(jié)合的復(fù)合涂層能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐腐蝕性、抗菌能力和生物相容性［10］.通過水熱法合成摻雜Sr的HA微球能夠更好地促進(jìn)細(xì)胞的增殖和分化［11］，有利于骨組織的修復(fù).相關(guān)研究表明，一些金屬鹽或者其氧化物能夠產(chǎn)生活性氧物種（ROS）并釋放金屬離子，兩者的協(xié)同作用使材料具有一定的抑菌性［12］.殼聚糖（CS）是天然多糖甲殼素脫除部分乙?；漠a(chǎn)物，帶有正電荷基團(tuán)［13］，在電場(chǎng)作用下能沉積至陰極表面，同時(shí)殼聚糖可在650℃下受熱分解，已經(jīng)被用作HA生物陶瓷材料的造孔劑［14，15］.在進(jìn)行骨替代材料植入人體的手術(shù)過程中，經(jīng)常會(huì)不可避免地引起細(xì)菌感染，造成的并發(fā)癥威脅著患者術(shù)后的恢復(fù).因此，設(shè)計(jì)一種具有一定抑菌性的生物陶瓷復(fù)合涂層材料是一個(gè)亟待解決的問題.本文采用先區(qū)帶電泳分布，然后施予反向電場(chǎng)進(jìn)行電泳沉積的方法（ZE/EPD），在Ti基材表面電泳沉積制得HA/CS/CuO/SrCO3復(fù)合涂層，然后在700℃下煅燒，得到一種在徑向上具有一定梯度性質(zhì)的HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層.該梯度復(fù)合涂層克服了HA涂層與Ti基材熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，有效提高了HA復(fù)合涂層與Ti基材的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)由于在復(fù)合涂層中引入Cu和Sr兩種成骨微量元素，改善了HA復(fù)合涂層的抑菌性能.因此，所制得的HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層有望開發(fā)成為新一代人工骨替代植入生物陶瓷材料.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖（CS，B.R.級(jí)，脫乙酰度80.0%～95.0%）、氯化鈉、碳酸氫鈉、氯化鎂、氯化鈣、硫酸鈉和溴化鉀均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；正丁醇、三乙醇胺、無(wú)水乙醇、磷酸二氫鉀、氯化鉀、硫酸鈉和氫氧化鈉均為分析純，購(gòu)自西隴科學(xué)股份有限公司；N-2-羥乙基哌嗪-N′-2-乙磺酸（HEPES，純度99%）購(gòu)自阿拉丁試劑（上海）有限公司；碳酸鍶（SrCO3，純度99%）和氧化銅（CuO，純度99%），購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司；實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水；羥基磷灰石為實(shí)驗(yàn)室自制［16］.

Philis X'Pert MPD型X射線衍射儀（XRD，荷蘭Phillip公司）；Thermo Nicolet 5700型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，美國(guó)Nicolet公司）；Phenomenon LE型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，荷蘭Phenome?non公司）；LR5KPlus型勞埃德萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（英國(guó)Lloyd公司）；CHI660E型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）.

1.2 HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層的制備

參考文獻(xiàn)［17，18］的方法制備HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層.準(zhǔn)確稱量0.500 g HA，0.500 g CS，30.0 mg CuO，30.0 mg SrCO3并加入到50 mL正丁醇分散劑中，同時(shí)添加0.5 mL三乙醇胺作為乳化劑，超聲分散1 h，靜置陳化24 h以上，使用前再次超聲分散1 h，如Scheme 1（A）所示.將預(yù)處理過的鈦片作為正負(fù)極置于HA懸浮液中，相距3.0 cm，區(qū)帶電泳電壓36 V，電泳時(shí)間7 min，使懸浮液中各種帶電顆粒在直流電場(chǎng)的作用下在分散劑中形成區(qū)帶分布（ZE），如Scheme 1（B）所示.然后將正負(fù)極轉(zhuǎn)換施以反向電場(chǎng)進(jìn)行電泳沉積（EPD），即在原有的兩電極Ti片中插入新的Ti片作為陰極，原陰極Ti片作為陽(yáng)極，電泳沉積電壓36 V，電極間距2.0 cm，電泳沉積10 min，如Scheme 1（C）所示.電泳沉積后從懸浮液中取出陰極Ti片，分別用正丁醇以及無(wú)水乙醇浸洗后，自然晾干得到HA/CS/CuO/SrCO3復(fù)合涂層，然后在700℃下煅燒2 h獲得HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層，如Scheme 1（D）所示.同時(shí)采用相同的方法分別配制HA懸浮液、HA/CuO懸浮液、HA/SrCO3懸浮液和HA/CuO/SrCO3懸浮液，對(duì)以上未經(jīng)區(qū)帶電泳分布的懸浮液直接進(jìn)行電泳沉積，煅燒后分別制得相應(yīng)的HA涂層、HA/CuO涂層、HA/SrCO3涂層和HA/CuO/SrCO3涂層作為對(duì)比.

Scheme 1 Schematic diagram of the process for preparation of HA/CuO/SrCO3 composite coatings

1.3 HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層的表征

將煅燒前后的復(fù)合涂層從鈦片表面剝離所得的粉末，用KBr壓片制樣，采用FTIR對(duì)樣品進(jìn)行表征.利用XRD表征復(fù)合涂層粉末的物相，檢測(cè)條件為銅靶（λ=0.15418 nm），電壓為40 kV，記錄范圍2θ=10°~70°.采用FESEM對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行表面形貌的測(cè)試，同時(shí)使用FESEM附帶的能量色散光譜儀（EDS）對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行元素含量分析，工作電壓為15 kV.

1.4 HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層與Ti基材結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試

如Scheme 2所示，以HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層為例，將復(fù)合涂層用AB膠粘結(jié)在經(jīng)過除 油處理的實(shí)驗(yàn)室自制的不銹鋼鉤件上，粘合面積為1.00 cm×1.00 cm，固化15 d后，對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，拉伸速率為10 mm/min，預(yù)載荷為2.00 N，計(jì)算測(cè)得復(fù)合涂層與Ti基材的結(jié)合強(qiáng)度.同時(shí)測(cè)量其它條件下制得的復(fù)合涂層與Ti基材的結(jié)合強(qiáng)度.

Scheme 2 Schematic diagram of the bonding strength test for HA/CuO/SrCO3 composite coatings

1.5 HEPES模擬體液的配制

向1000 mL燒杯中加入700 mL二次蒸餾水，然后依次將6.670 g NaCl，5.955 g HEPES，2.268 g NaHCO3，0.305 g MgCl2·6H2O，0.279 g CaCl2，0.228 g K2HPO4·3H2O，0.224 g KCl和0.071 g Na2SO4緩慢加入二次蒸餾水中，期間不斷攪拌至完全溶解.用1.0 mol/L NaOH調(diào)節(jié)溶液pH至7.40，最后用1000 mL容量瓶定容，即為HEPES模擬體液（H-SBF），將其置于低溫暗處保存.

1.6 HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層的電化學(xué)性能測(cè)試

使用CHI660E型電化學(xué)工作站，采用三電極體系，以H-SBF作為電解液，用循環(huán)伏安（CV）法測(cè)試復(fù)合涂層在H-SBF中的CV曲線，用Tafel Plot法測(cè)試HA涂層、EPD法制備的復(fù)合涂層和ZE/EPD法制備的復(fù)合涂層3種復(fù)合涂層在H-SBF中的Tafel極化曲線.

1.7 HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層的體外生物活性測(cè)試

將煅燒后的復(fù)合涂層放入裝有H-SBF的50 mL燒杯中，并置于溫度為（37.0±0.1）℃的恒溫水浴鍋中分別培養(yǎng)8，16和24 d，每隔2 d更換一次H-SBF，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出，用二次蒸餾水緩慢洗滌，室溫下自然晾干后，再置于干燥器中備用.

1.8 HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層的抑菌性測(cè)試

分別采用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為探針，對(duì)HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層粉末進(jìn)行抑菌性測(cè)試.在三角燒瓶里依次加入0.1 g復(fù)合涂層粉末、100 mL無(wú)菌水、1 mL菌培養(yǎng)液，封口后置于恒溫培養(yǎng)振蕩器中振蕩24 h.取出100 μL在超凈工作臺(tái)上用LB（Luria-Bertani）固體培養(yǎng)基涂布，放入生化培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)18 h后取出，用平板計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)LB培養(yǎng)基上的菌落數(shù)目，計(jì)算復(fù)合涂層的抑菌率.每個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行3組平行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算平均抑菌率.實(shí)驗(yàn)同時(shí)以不加復(fù)合涂層粉末樣作為空白對(duì)照.

2 結(jié)果與討論

2.1 HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層的物相及化學(xué)組成

圖1為HA/CS/CuO/SrCO3復(fù)合涂層在700℃煅燒前后剝離粉末的XRD譜圖.可見，復(fù)合涂層粉末在2θ=25.9°，31.8°，32.2°，32.9°，34.0°，39.8°，46.7°，49.5°，50.5°，52.1°，53.1°，63.0°和64.1°處存在明顯的XRD衍射峰，與HA標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS No.09-0432）相吻合［19］.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電泳沉積過程中HA微粒沉積于Ti基材表面，摻雜的CuO和SrCO3兩種成骨微量元素化合物以及在700℃高溫煅燒使殼聚糖分解，對(duì)HA的晶型均未產(chǎn)生明顯的影響.

Fig.1 XRD patterns of HA/CS/CuO/SrCO3 coatings before(a)and after(b)sintering treatment

Table 1 Element contents of HA/CS/CuO/SrCO3 coatings before and after sintering treat?ment*

Fig.2 FTIR spectra of HA/CS/CuO/SrCO3 coatings before(a)and after(b)sintering treatment

表1給出了HA/CS/CuO/SrCO3復(fù)合涂層煅燒前后的EDS元素分析結(jié)果.可見，煅燒前后都檢測(cè)到了Cu和Sr元素，說(shuō)明CuO和SrCO3微粒已經(jīng)共沉積在Ti基材表面.通過FTIR對(duì)HA/CS/CuO/SrCO3涂層煅燒前后的剝離粉末進(jìn)行表征.如圖2所示，復(fù)合涂層煅燒后位于2920 cm?1處的亞甲基中C—H鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰以及位于1636 cm?1處的氨基N—H鍵的彎曲振動(dòng)吸收峰幾乎完全消失，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合涂層中的殼聚糖經(jīng)700℃高溫煅燒后氧化分解，佐證了殼聚糖適用于作為HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層的造孔劑［14，15］.

2.2 HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層截面的元素梯度分布

從HA/CuO/SrCO3復(fù)合涂層截面徑向上等距離選取7點(diǎn)，依次對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行EDS測(cè)試分析，并得到相應(yīng)的Ca，Cu和Sr元素的含量，取點(diǎn)位置關(guān)系如圖3所示.將7個(gè)點(diǎn)的3種元素含量的數(shù)據(jù)依位置關(guān)系，擬合得到3種元素的含量與其所處位置的線性回歸直線方程.如圖4所示，經(jīng)擬合得出復(fù)合涂層中徑向上Ca元素的線性方程為：y1=1.650x+9.029，Cu元素的線性方程為：y2=?0.210x+1.601，Sr元素的線性方程為：y3=?0.625x+4.976.由圖4可見，隨著距離Ti基材徑向上位置向外延伸，Ca元素的含量逐漸升高，Cu元素和Sr元素的含量逐漸降低，說(shuō)明Ca，Cu和Sr元素在復(fù)合涂層中呈現(xiàn)梯度分布，即HA的含量由復(fù)合涂層內(nèi)側(cè)向外側(cè)延伸逐漸增大，而CuO和SrCO3的含量由復(fù)合涂層內(nèi)側(cè)向外側(cè)延伸逐漸減少，因此可得通過ZE/EPD方法制得的復(fù)合涂層中HA，CuO和SrCO3在其徑向上具有一定的梯度分布性質(zhì).可能是由于在區(qū)帶電泳分布過程中，帶電微粒HA，CS，CuO和SrCO3在直流電場(chǎng)中的遷移速率受到顆粒本身的帶電量、粒徑和質(zhì)量不同等因素的影響，所以不同微粒在向負(fù)極遷移的過程中速率不同，最終在懸浮液中形成具有濃度梯度的區(qū)帶分布；接著在進(jìn)行電泳沉積過程中，由于帶電微粒在直流電場(chǎng)中定向遷移的速率不同和轉(zhuǎn)換正負(fù)極前后的行程差，導(dǎo)致HA，CuO和SrCO3在復(fù)合涂層徑向上產(chǎn)生梯度分布的現(xiàn)象［17，20］.

Fig.3 Location map of selected points of HA/CuO/SrCO3 coating in radial direction

Fig.4 Regression curves of the elemental contents of the HA/CuO/SrCO3 coating

2.3 HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層的表面形貌

圖5 為HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層煅燒前后涂層表面的SEM照片.由圖5（A）可見，HA/CS/CuO/SrCO3復(fù)合涂層的表面均勻致密，是由帶同種電荷的HA，CS，CuO和SrCO3顆粒在電場(chǎng)的作用下均勻地沉積至負(fù)極Ti基材表面的結(jié)果.由圖5（B）可見，復(fù)合涂層煅燒后的表面表面粗糙，凹凸不平，并且出現(xiàn)明顯的溝壑，這是由于殼聚糖在700℃下受熱氧化分解生成了CO2和H2O等氣體留下的.這些溝壑為新骨的生成提供了物質(zhì)交換通道［3］，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換［15］.

Fig.5 SEM images of HA/CS/CuO/SrCO3 gradient coatings before(A)and after(B)sintering treatment

2.4 HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度

圖6 為5種涂層與Ti基材的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果.可見，摻雜CuO和SrCO3后，可以一定程度提升涂層與Ti基材的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用ZE/EPD方法制得的梯度復(fù)合涂層與Ti基材的結(jié)合強(qiáng)度相比直接采用EPD方法所制得的無(wú)梯度分布復(fù)合涂層有顯著的提升.這是由于在Ti基材內(nèi)側(cè)，粗糙的襯底表面與CuO和SrCO3顆粒在700℃的高溫下形成了力學(xué)上的機(jī)械嵌合［21］，同時(shí)由于添加CuO和SrCO3顆粒在復(fù)合涂層中呈現(xiàn)梯度分布，緩解了復(fù)合涂層與Ti基材熱膨脹系數(shù)的不匹配［22］，這些因素協(xié)同作用致使梯度復(fù)合涂層與Ti基材結(jié)合強(qiáng)度有了顯著的提升.

2.5 HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層的耐腐蝕性

圖7為HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層在H-SBF中的CV曲線.可見，在測(cè)試電勢(shì)范圍（?1.5～1.5 V，vs.SCE）內(nèi)，梯度復(fù)合涂層的CV曲線未出現(xiàn)明顯的氧化還原峰，表明梯度復(fù)合涂層在H-SBF中的電化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，即該復(fù)合涂層的電化學(xué)性能相對(duì)較為穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，適用于作為人工植入材料.

Fig.6 Bonding strengths of five kinds of coatings with Ti substrate

Fig.7 CV curve of HA/CuO/SrCO3 gradient coating in H?SBF

Fig.8 Tafel polarization curves of three kinds of coatings in H?SBF

圖8給出了HA涂層、無(wú)梯度分布復(fù)合涂層和HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層3種涂層在H-SBF中的Tafel極化曲線.表2匯總了由圖8經(jīng)過CHI軟件分析計(jì)算得到的3種涂層的自腐蝕電位（Vcorr）和自腐蝕電流密度（Jcorr）.由圖8和表2可見，相對(duì)單組分HA涂層，無(wú)梯度分布復(fù)合涂層和梯度復(fù)合涂層的自腐蝕電位均發(fā)生了正移，分別正移了0.113和0.483 V，說(shuō)明梯度復(fù)合涂層的腐蝕傾向比其它2種涂層更難以發(fā)生.由表2還可見，梯度復(fù)合涂層的自腐蝕電流密度小于其它2種涂層，表明在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，梯度復(fù)合涂層的腐蝕速率小于其它2種涂層.以上電化學(xué)數(shù)據(jù)綜合表明，梯度復(fù)合涂層的耐腐蝕性優(yōu)于無(wú)梯度分布復(fù)合涂層，說(shuō)明HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層在H-SBF中的耐腐蝕性更佳，更適合用作骨替代植入材料.

Table 2 Self-corrosion potentials and self-corrosion current densities of three coatings in H-SBF

2.6 HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層的體外生物活性

圖9為HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層在H-SBF中恒溫（37.0±0.1）℃下分別培養(yǎng)0，8，16和24 d的XRD譜圖.可見，隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，復(fù)合涂層中HA衍射峰的強(qiáng)度逐漸減弱，但衍射峰的位置卻未發(fā)生變化.這是因?yàn)閺?fù)合涂層在H-SBF培養(yǎng)過程中，HA中的OH?和被取代，復(fù)合涂層表面的HA發(fā)生了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化為碳酸羥基磷灰石［Ca10?x（PO4）6?x（CO3）x（OH）2?x，0≤x≤2，CHA］［23］，從而增加了HA晶格的無(wú)序性，降低了HA的結(jié)晶度［24］，最終導(dǎo)致HA衍射峰強(qiáng)度的減弱.

Fig.9 XRD patterns of HA/CuO/SrCO3 gradient coating cultured in H?SBF for 0 d(a),8 d(b),16 d(c)and 24 d(d)

Fig.10 FTIR spectra of HA/CuO/SrCO3 gradient coating cultured in H?SBF for 0 d(a),8 d(b),16 d(c)and 24 d(d)

圖10 為HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層在H-SBF中培養(yǎng)0，8，16和24 d的FTIR譜圖.可見，位于3439 cm?1處的O—H伸縮振動(dòng)吸收峰隨培養(yǎng)天數(shù)的增加出現(xiàn)了弱化現(xiàn)象，位于569，604，964，1046和1094 cm?1處的伸縮振動(dòng)吸收峰隨培養(yǎng)天數(shù)的增加進(jìn)一步變寬和減弱.可能是由于培養(yǎng)過程中HA中的和OH?與H-SBF中的進(jìn)行離子交換而形成CHA，導(dǎo)致梯度復(fù)合涂層中磷酸鹽的對(duì)稱性降低.這一過程有助于梯度復(fù)合涂層吸收形成骨組織的血清蛋白，若將其作為植入材料，其必為骨組織的生長(zhǎng)過程提供必要條件［25，26］.

圖11（A）~（C）分別為HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層在（37.0±0.1）℃的H-SBF中培養(yǎng)8，16和24 d后復(fù)合涂層表面的SEM照片.可見，表面凹凸不平的梯度復(fù)合涂層在H-SBF中培養(yǎng)8 d后，復(fù)合涂層雖然表面大部分區(qū)域形成鱗片狀或團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，但涂層表面依然以粗糙、微團(tuán)?；皽羡值男问酱嬖?當(dāng)梯度復(fù)合涂層在H-SBF中培養(yǎng)至16 d后，可以觀察到圓形鱗片狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)消失了，整個(gè)復(fù)合涂層表面被花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)的物質(zhì)取代.當(dāng)培養(yǎng)至24 d后，可以明顯看到涂層表面出現(xiàn)了蠕蟲狀團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的物質(zhì).這一系列的現(xiàn)象可能是由于在H-SBF培養(yǎng)過程中，復(fù)合涂層中HA的OH?和被H-SBF溶液中的取代，在復(fù)合涂層表面形成了團(tuán)粒狀的CHA，且CHA的大小隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而增長(zhǎng).由于溝壑附近有利于物質(zhì)交換，CHA優(yōu)先在梯度復(fù)合涂層溝壑處生成，從而為CHA的沉積提供質(zhì)點(diǎn)，而CHA可以促進(jìn)前成骨細(xì)胞增殖［27］，因此可以說(shuō)明梯度復(fù)合涂層具有一定的體外生物活性，為植入體內(nèi)的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

Fig.11 SEM images of HA/CuO/SrCO3 gradient coatings cultured in H?SBF for 8 d(A),16 d(B)and 24 d(C)

2.7 HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層的抑菌性

Fig.12 Experiments of bacteriostatic rate of HA/CuO/SrCO3 coatings powder

將HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層從Ti基材表面剝離后，分別以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為探針，檢測(cè)復(fù)合涂層粉末對(duì)細(xì)菌的抑制作用，抑菌性測(cè)試結(jié)果如圖12所示.圖12（A）和（B）為梯度復(fù)合涂層粉末對(duì)大腸桿菌的抑菌率結(jié)果，圖12（C）和（D）為梯度復(fù)合涂層粉末對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率結(jié)果，圖12（A）和（C）為加入粉末的實(shí)驗(yàn)組，圖12（B）和（D）為不加粉末的空白對(duì)照組.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，梯度復(fù)合涂層粉末對(duì)大腸桿菌的抑菌率為81.82%，對(duì)金黃色葡萄菌的抑菌率為71.86%，如圖13所示.由于HA本身不具備抑菌性，所以復(fù)合涂層粉末的抑菌性主要來(lái)自于CuO［28］.根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，CuO的抑菌機(jī)制主要是由于其能夠誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生活性氧物種（ROS）自由基［29］，改變了細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，從而使從CuO釋放出的少量Cu2+更容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，與細(xì)菌蛋白質(zhì)結(jié)合致使細(xì)菌失活［30］，兩者的協(xié)同作用使得摻雜CuO的復(fù)合涂層具有對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性［31］.

Fig.13 Inhibition rates of HA/CuO/SrCO3 composite coating powder against Escherichia coli and Staphylococcus aureus

3 結(jié) 論

通過區(qū)帶電泳分布后在反向電場(chǎng)作用下電泳沉積（ZE/EPD）制得HA/CS/CuO/SrCO3復(fù)合涂層，經(jīng)700℃煅燒2 h后獲得HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層.EDS測(cè)試表明，Ca，Cu和Sr元素的含量在梯度復(fù)合涂層徑向上呈現(xiàn)梯度分布，說(shuō)明采用ZE/EPD法制得的梯度復(fù)合涂層在其徑向上，HA，CuO和SrCO3的含量具有一定的梯度性質(zhì)；材料力學(xué)性能測(cè)試表明，梯度復(fù)合涂層與Ti基材的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)33.0 MPa；電化學(xué)測(cè)試表明，梯度復(fù)合涂層在H-SBF中電化學(xué)穩(wěn)定性較高，其自腐蝕電位為0.275 V（vs.SCE），自腐蝕電流密度為1.29 nA/cm2；通過XRD，F(xiàn)TIR和FESEM表征，佐證了梯度復(fù)合涂層在H-SBF中培養(yǎng)24 d后其表面HA發(fā)生碳磷灰石化；梯度復(fù)合涂層粉體對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌率分別為81.82%與71.86%.HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層比直接采用電泳沉積制得的HA/CuO/SrCO3無(wú)梯度分布復(fù)合涂層具有更高的結(jié)合強(qiáng)度、較強(qiáng)的耐腐蝕能力、較優(yōu)異的體外生物活性和抗菌活性.該HA/CuO/SrCO3梯度復(fù)合涂層有望開發(fā)成為骨替代材料用于治療骨缺損，能夠有效地防止細(xì)菌感染，誘導(dǎo)新骨生成，促進(jìn)骨缺損處的骨增長(zhǎng)和骨分化，使患者得以更快地恢復(fù).