氮硅锆-羟磷灰石涂层应用于纯钛种植体的实验研究

 氮硅锆-羟磷灰石涂层应用于纯钛种植体的实验研究

  【摘要】  目的 对比研究采用不同涂层的纯钛种植体表面骨结合力及耐腐蚀性。方法 采用等离子喷涂技术在纯钛表面制备氮硅锆-羟磷灰石（ZrSiN-HA）复合涂层并植入实验动物下颌骨。利用扫描电镜（SEM）观察分析复合涂层的表面形貌，电子万能材料实验机对比检测ZrSiN-HA组、氮硅锆（ZrSiN）组、羟磷灰石（HA）组与纯钛种植体组涂层的骨结合力并观测各组断裂区域的形貌，电化学腐蚀测试系统对比检测4组涂层的耐腐蚀性。结果 种植体表面喷涂ZrSiN-HA后较单纯喷涂HA的表面更加致密，结晶化明显；ZrSiN-HA涂层与其他涂层比较骨结合力最高，耐腐蚀性能最强。结论 ZrSiN-HA涂层的应用有利于种植体的长期固位，对齿科修复体具有一定的应用价值。

  【关键词】  纯钛； 种植； 涂层； 骨结合； 等离子喷涂
  目前研究金属基/生物活性涂层齿科种植体的重点集中于2个界面问题：一是口腔中复杂的环境对涂层表面的腐蚀；二是涂层与骨组织的界面。在临床工作中常见种植体由于涂层材料发生降解与剥脱而发生松动，最终修复失败，这主要是涂层难以耐受唾液中电解质变化而导致的[1-2]。氮硅锆-羟磷灰石（nitrogen silicon zirconium-hydroxylapatite，ZrSiN-HA）复合材料综合了金属材料和生物活性陶瓷材料各自的优越性，既具有金属的强度和韧性，又具有表面生物相容性，是一种较为理想的种植体材料，具有良好的表面生物活性、适当的强度、合适的热膨胀系数、良好的孔隙度，为改善生物活性材料的力学性能开辟了新的思路，从而有利于种植体的长期固位[3]。本研究采用等离子喷涂法制备ZrSiN-HA复合涂层，并对其表面形貌进行分析，在体外模拟人工唾液环境下进行电化学腐蚀对比观察涂层的耐腐蚀行为，对种植体－骨界面进行组织学观察、扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）观察和能谱分析，探讨复合涂层的生物学行为，为材料表面涂层处理方法的进一步研究奠定基础。

    1  材料和方法

    1.1  材料和设备
  
    羟磷灰石（hydroxyapatite，HA）（桂林红星生物科技有限公司），XL-30ESEM-TMP环境扫描电镜（Philips-FEI公司，荷兰），X射线光电子能谱仪（美国物理电子公司），扫描电镜（Philips公司，荷兰）。

    1.2  试件的制备及其表面形貌观察
  
    在抛光纯钛试件（直径为3 mm、长为6 mm，内有直径为2 mm、长为3 mm螺纹型空洞的圆柱体）上用等离子喷涂设备喷涂HA。然后在电弧200 V、电源功率200 W下，使用送粉器输入锆粉、硅粉，工作气体为氮气、氩气混合气体，镀制氮硅锆（nitrogensilicon zirconium，ZrSiN）涂层在HA表面。
  
    采用XL-30ESEM-TMP环境扫描电镜（加速电压均为20 kV）观察喷涂后的4组试件（ZrSiN-HA、单纯喷涂ZrSiN、单纯喷涂HA、纯钛种植体）涂层的表面形貌，并应用X射线光电子能谱仪对晶体结构进行分析。

    1.3  种植体的植入与骨性结合力检测
  
    选取由第四军医大学动物实验中心提供的3岁杂种犬2只，体重为18 kg。将喷涂后的4组试件经丙酮、乙醇超声清洗去油、去蛋白，密封高压蒸汽消毒灭菌后植入杂种犬下颌牙槽骨中，12周后处死实验犬，取含种植体的颌骨组织固定。金刚砂片分切至约1 cm厚（包含1个种植体）的骨组织块，投入液态塑料包埋液中，使包埋液充分渗入到标本内，再置于甲醛溶液固定1周，然后乙醇顺序脱水后倒入新配置的包埋液，放置于37 ℃恒温水浴箱内72 h，使包埋液完全聚合固化。取出标本包埋块，截去多余的包埋材料，切片，染色，观察[4]。
  
    电子万能实验机上进行拉出实验，将自制的螺旋夹具一侧旋入种植体内的螺纹内，另一侧固定于电子万能实验机上，使拉力方向与种植体长轴一致，拉出速度为0.5 mm/min，记录种植体从颌骨内脱离瞬间的最大载荷，计算均值。取出的标本在中性磷酸缓冲液配制的3%戊二醛4 ℃下固定24 h后，用扫描电镜观察种植体-骨组织断裂面。

    1.4  耐腐蚀性检测
  
    按ISO/TR10271[5]标准制备人工唾液，将盛有500 mL人工唾液的电解池放入37 ℃恒温水箱中，用NaOH调整pH值至5。在三电解池内将4组涂层试件分别用夹具夹住，使暴露的测试面积为10 mm2，浸泡在人工唾液中。将各电极按要求放入电解池。输入动电位扫描调整参数，其中初始电位为-250 mV（相对于自腐蚀电位），最终电位为+3 Ｖ（相对于参比电极），扫描速度为1 mV/s，与软件建立联系，初始延迟结束后进行动电位极化扫描，记录结果，绘制4组涂层试件动电位扫描的阳极极化曲线。

    2  结果

    2.1  涂层表面形貌观察结果
  
    喷涂ZrSiN前后HA表面形貌的观察结果见图1。由图1可见，喷涂ZrSiN前HA表面疏松多孔，喷涂ZrSiN后结构变致密，可提高涂层与金属基底的结合强度。ZrSiN-HA涂层X射线光电子能谱（X-ray pho-toelectron spectrometer，XPS）检测结果表明ZrSiN涂层中的Zr以ZrN形式存在，Si以Si3N4或者Si-N化合物形式存在。
  
    图 1  喷涂ZrSiN前（左）、后（右）HA表面形貌观察结果   SEM× 5 000(略)
  
    Fig 1  Surface morphology of HA before（left） and after（right） spr-aying with ZrSiN   SEM   × 5 000

    2.2  骨性结合力
  
    植入12周后，SEM显示ZrSiN-HA组新生骨组织与涂层结合部位的接触增加，骨组织与种植体密切接触，高倍镜下有新生骨组织长入涂层凹陷处，形成良好的骨性结合，新骨生成量和矿化程度明显增加，骨结合量明显多于单纯喷涂ZrSiN、单纯喷涂HA以及纯钛种植体组（图2）。ZrSiN-HA组断裂面新生骨与宿主骨己无明显界限，种植体-骨界面已为骨性结合，界面处可见成熟的骨组织及类骨质，界面骨质有形成板状骨的趋势，但无哈佛氏系统，界面结合较好（图2）。对ZrSiN-HA组进行能谱分析，结果发现含有大量的Ca和P，其表面形貌与涂层形貌不一样，说明这种物质是与种植体结合的骨组织，种植体与骨的断裂大多发生在骨组织内部。种植材料植入后种植体涂层材料中的Ca-P向表面迁移，体液中的Ca-P也沉积在种植材料表面形成一层羟碳磷灰石层，用来作为结合面，而后宿主术区中成骨细胞、胶原纤维、黏多糖和羟碳磷灰石形成化学键合，最终形成骨。4种涂层骨结合力的检测结果见图3。由图3可见，ZrSiN-HA组骨性结合力最高（P＜0.05），证明良好的骨结合可明显提高种植体耐受脱位力的能力。

    图 3  12周时4种涂层骨结合力比较
  
    Fig 3  Compare four kinds of coatings by bonding strength of bones at 12 weeks

    2.3  腐蚀实验
  
    4组种植体涂层下动电位阳极氧化曲线及自腐蚀电位（Ecorr）/过钝化电位（Ebrk）结果见图4和表1。ZrSiN-HA的自腐蚀电位明显高于其他处理方式（P<0.01），且未见明显的过钝化电位。

    图 4  4组涂层的动电位极化曲线
  
    Fig 4  Graph of potentiodynamic polarization of four kinds of coatings

    3  讨论
  
    等离子喷涂技术是一种比较灵活的表面涂层制备技术，利用它可以控制涂层的孔隙率、表面形态、粗糙度、化学成分和结晶度等影响涂层化学、物理和力学性能的参数，制备速度快且工艺条件成熟。其工作原理为：手指状钨阴极和喷嘴状铜阳极之间产生的电弧，将通过阴、阳极之间的气体电离形成高速高能的等离子气流，向这种高能等离子气流中加入粉末材料，在极短的时间内粉末被熔化、加速并最终沉积到基体材料表面形成涂层[6]。Ti-Si-N薄膜中的Si以Si3N4非晶形式存在，TiN纳米晶体形式存在并分布于非晶Si3N4基体中[7-8]。结合有关对ZrSiN涂层的研究可以推断，ZrSiN涂层也是一种ZrN晶体与非晶Si3N4的复合结构，为细小ZrN纳米晶分布在非晶SiNx中，ZrSiN中硅可以形成非晶相SiNx，可以更有效阻挡O向Ti基体的扩散，防止形成疏松多孔的氧化钛层，从而提高涂层与金属基底的结合强度。ZrN的晶粒也更细化，ZrN晶体含量减少，Si的添加在一定程度上促进Zr-N的非晶化。非晶态的化合物因为无晶粒间界，所以有很好的扩散阻挡作用，因此非晶态的ZrN结构的扩散阻挡作用强于晶态的ZrN[9-10]。本研究结果发现采用等离子喷涂法镀制的ZrSiN-HA复合涂层增强了单纯HA涂层的结构，形成非晶化的阻挡层可以提高涂层与金属基底的结合强度。

    生物活性陶瓷能增强骨祖母细胞的增殖和分化，这一作用可能与其能使生长因子表达增加有关[11]。生物活性陶瓷同时表现出骨引导性和骨形成性，它不仅仅提供一个有生物相容性的骨形成界