Osteoconductivity和TiO的亲水性₂钛基体上涂层由不同的氧化过程

文摘

形成TiO的各种技术₂Ti涂层都被追究的改善osteoconductivity钛植入体。然而,目前尚不清楚这个osteoconductivity氧化过程如何影响。在这项研究中,TiO₂涂料是准备使用以下三个过程:阳极氧化在0.1 H₃阿宝₄或0.1 M氢氧化钠水溶液;在673 K的热氧化2 h在空气中;和一个两步阳极氧化过程的热氧化紧随其后。氧化物涂料进行评估使用SEM, XRD, XPS。TiO的水接触角₂涂层表面性质测定。这些样本的osteoconductivity评估通过测量的重合度形成硬组织植入(定义为样品值)后14 d植入老鼠的胫骨。锐钛矿是由阳极氧化和金红石热氧化,但TiO的区别₂晶体结构没有影响osteoconductivity。阳极氧化膜TiO₂亲水涂料,但热氧化TiO₂亲水涂料是低于阳极氧化TiO₂涂料,因为他们缺乏表面哦组。TiO的₂使用阳极氧化涂层过程没有热氧化了有效改善osteoconductivity Ti样本。

1。介绍

钛已广泛应用于牙科和骨科植入物由于其良好的生物相容性和高耐蚀性[1,2]。然而,Ti本身并不总是显示了良好的性能,形成困难在活体组织在其表面。因此,适当的表面处理来提高成骨能力,代表了羟基磷灰石(HAp)涂料3- - - - - -10),研究了很长一段时间。类似于偶然,TiO₂作为一种综合分析物质也很重要,因为它已被证明与生活中表现出很强的物理化学固定骨头,即使它不是自然的一个组成部分骨(11]。有许多创建TiO涂层工艺₂电影在Ti基质,如热氧化(12),化学方法(13- - - - - -15),物理气相沉积(16,17),和阳极氧化18- - - - - -21]。这些过程分为hydroprocesses pyroprocesses。阳极氧化是一种广泛使用的hydroprocess;它表现在各种水解决方案是一个任意的外加电压。另一方面,热氧化是pyroprocesses之一,表现在各种高温大气。过程都被用于生物活性TiO做准备₂涂料在Ti (20.,22- - - - - -25]。

此前,TiO的各种参数₂涂层,如晶体结构、表面粗糙度和膜厚度,据报道影响的osteoconductivity涂料(20.,27,28]。尽管这些参数可以改变同时改变氧化条件时,他们没有控制比较TiO的表面性质₂涂料用不同的氧化过程在以前的作品,这使它不清楚什么样的表面性质对硬组织形成的影响在活的有机体内测试。因此,在这项研究中,我们准备TiO₂涂层表面结构对Ti控制使用阳极氧化和/或热氧化和调查osteoconductivity化学氧化过程的影响。

2。材料和方法

2.1。制备钛基板

工业纯钛(Cp-Ti)磁盘(氧化、面积= 1.13厘米²)和盘子(热氧化,面积= 1厘米²)被用作基质准备涂料表面分析、和棒(阳极氧化和热氧化、尺寸=ϕ2×5毫米)在活的有机体内测试。Cp-Ti磁盘满是环氧树脂,除了面临与水溶液接触。所有的基板被砂纸打磨抛光使用Al紧随其后₂O₃粒子(颗粒大小= 0.05μ米)。抛光后,基板清洁,然后用乙醇脱脂。

2.2。TiO₂涂料

以下三种方法被用来TiO形式₂钛基体上涂层。制备条件的选择在每种情况下,使所有的氧化物涂层有相同的膜厚度的影响排除该变量的osteoconductivity涂料形成的。

2.2.1。阳极氧化水解决方案

钛衬底和Pt线圈是设置为阳极和阴极,分别和参考电极是不习惯。阳极氧化电压从0提高V到100 V 0.1 H₃阿宝₄水溶液和80 V 0.1 M氢氧化钠水溶液0.1 V的速度⁻¹。水溶液搅拌,保持在一个恒定的温度(298 K)在阳极氧化水浴。这个氧化过程来标示为“AZ治疗”在下面描述。

2.2.2。热氧化

钛基板被加热到673 K 4 K的速度最小⁻¹电阻炉在空气中,并保持温度为2 h。在炉底物被冷却,在相同的气氛。这种氧化过程表示为“治疗”。

2.2.3。两步阳极氧化和热氧化的过程

在第一步中,基板阳极氧化电压的增加从0 V到70 V 0.1 H₃阿宝₄水溶液或50 V 0.1 M氢氧化钠水溶液0.1 V的速度⁻¹。阳极氧化膜样品然后被加热到673 K 4 K的速度最小⁻¹电阻炉在空气中,并保持温度为2 h。在炉底物被冷却,在相同的气氛。这两步氧化法来标示为“阿兹截下以治疗。”

2.3。分析涂料

所有的样品都是使用高压蒸汽消毒单位在394 K一段20分钟。表面形态是使用扫描电子显微镜(SEM)观察。涂膜被确定使用薄膜x射线衍射(XRD)和x射线光电子能谱(XPS)。表面粗糙度测量使用共焦激光扫描显微镜分析面积150μm×112μm。表面粗糙度的算术均值(Ra),因为这个值不是由任何地方扭曲的疤痕的样本。蒸馏水(WCA)的接触角测定三个不同的点为每个示例使用一个2μ后24 h L滴蒸馏水的高压灭菌、平均值是用作WCA价值。

2.4。在活的有机体内测试

在活的有机体内测试执行的所有AZ-treated, TO-treated, AZ-TO-treated、精美样本。因为我们的实验过程在活的有机体内研究几乎是以前的报告中描述的一样(8),这里只简要描述。手术前,所有的植入物在蒸馏水清洗和沉浸在葡萄糖酸氯已定的解决方案。12个男性的雄性sd大鼠中(查尔斯河日本公司,日本)被用于我们的实验程序。样本植入老鼠的胫骨干骨后端。稍微超大孔没有通过的后侧骨,创建使用低速旋转钻机。随后,植入物插入这些漏洞,然后皮下组织和皮肤被关闭和消毒。

老鼠牺牲后14 d,与周围组织和植入物被检索。样品在10%的中性缓冲福尔马林溶液固定,在一系列分级的乙醇脱水,嵌入在甲基丙烯酸甲酯。纵向聚合后,每个植入块被切割成20μ米厚片。这些部分被用甲苯胺蓝染色。

线性的和骨与植入物表面接触测量,表示为一个百分比在整个移植长度(骨植入重合度,在松质骨和皮质骨的部分8]。统计上显著差异的骨植入重合度分析了使用Tukey-Kramer方法(29日]。被认为是具有统计学意义的差异的水平。这种动物研究是在实验室进行认证AAALAC国际(评估和认证实验动物保健协会国际)。

3所示。结果与讨论

3.1。评价氧化涂层

这些样品的表面形貌和表面粗糙度在图所示1。图2显示AZ治疗后样品的x射线衍射模式(a) 0.1 H₃阿宝₄水溶液100 V, 0.1 (b)氢氧化钠水溶液80 V,在673 K (c)治疗2 h在空气中,和阿兹截下以治疗(阳极氧化(d) h₃阿宝₄和(e)氢氧化钠水溶液)。图3显示了XPS谱(o1群(一),(B) P2p,和(C) Na1s)每个样本。

表面保持好(Ra /μm < 0.1)在任何氧化过程(数据1(一)- - - - - -1 (e))。所有的氧化形成的涂层有相同的膜厚度死亡。120海里(30.]。然而,氧化物涂层的晶体结构不同取决于氧化过程;anatase-type TiO₂是由阿兹治疗(数据2(一),2(b)),但rutile-type TiO₂治疗(图2(e))。每个包含AZ-treated样本或Na⁺来自水的氧化涂层解决方案(数据3(a)和(B)3(B) (c)),因为我们以前的报告中描述(27]。锐钛矿也由阿兹截下以治疗,这是相同的晶体结构AZ-treated涂料(数字2(b)2(d)),没有发现在涂料使用XRD金红石,尽管热氧化。

XPS分析表明不同o1群光谱根据氧化过程。当deconvoluting o1群谱的精美样本一样在前一个工作31日),光谱分为三个主要的峰值(530.1,531.5,和532.5 eV)来自O^{2 -}、哦组和吸附水(图3(A) (f)),它源自于薄的钛衬底上的自然氧化层。这些组件也呈现在阳极氧化(数据3()(),3(一)(c))。然而,哦组从热氧化后的表面(数据丢失3(A) (b),3(一)(d),3(一)(e)),以同样的方式作为一个以前的报告由赵et al。24]。相反,大量的水分子吸附在表面的热氧化样品。缺席的情况下或Na⁺AZ-TO-treated样本(数据3(B) (B)3(B) (d)),检测到anodized-only样本(数据3(a)和(B)3(C) (C)),支持这个想法,热氧化过程中氧化层向外生长,如前所述,Kumar et al。32]。样例H的阳极氧化膜₃阿宝₄水溶液被认为是表面羟基,但是相应的峰值不能分开的顶峰在大约531.5 eV(图的结合能3(一)(A))。虽然不是在这个图,发现了烃污染物在所有的样品在同一表面吸附的水平。

氧化样品的表面亲水性是不同的根据他们的氧化过程。列在图1从71度,WCA值下降很大程度上。不到40度(f)。(一),(c)) AZ治疗后,不管水解决方案用于阳极氧化的类型。阳极氧化过程中没有明显改变大量的羟基和吸附烃表面。它已经表明,溶质离子(和钠⁺)包含在阳极氧化涂层不有助于减少WCA [28]。另一方面,所有的热氧化(即样本。,TO-treated示例(图1 (e))和AZ-TO-treated样本(数据1 (b),1 (d))高WCA值类似于精美样本。自从TO-treated样本和AZ-TO-treated样本几乎相同的WCA值尽管TiO形成的不同晶体结构₂,认为TiO的晶体结构₂,无论是锐钛矿和金红石,没有强烈的对亲水性的影响。此外,吸附量的增加水分子在热处理样品没有导致WCA的减少值。基于这些结果,认为是合理的表面没有哦组负责高WCA的价值观——AZ-TO-treated样本。换句话说,阳极氧化可以提高亲水性的精美样本形成TiO的结果₂电影有表面哦组,但热氧化并不改善表面的亲水性,因为缺乏TiO哦组₂电影。

3.2。在活的有机体内评价

图4显示了骨植入接触比率,样品的骨密质部分(A)和(B)部分松质骨松质骨部分,值接近近30%与任何涂层过程;这个值同意与硬组织的比例在健康大鼠松质骨。根据这一点,很难判断氧化过程的影响值在松质骨植入后的早期阶段。另一方面,在骨密质部分(A),值明显不同的氧化过程硬组织的形成速度缓慢。因此,我们将专注于皮质骨在下面讨论。

的样本的值取决于氧化过程之间存在着显著的差异。AZ-treated样本(数据4(一)(A)和4(一)(c))往往更高值比精美样本(图4(一)(f))。相比之下,热氧化样品的值(b), (d), (e)低的精美样本。低值意味着AZ-TO-treated样本的AZ-treated样本值显著降低额外的热氧化后,不管水解决方案用于治疗阿兹的类型(数据4(A) (b)4(一)(d))。这些结果表明,热氧化归因于减少TiO的osteoconductivity₂涂料、而且TiO的不同的晶体结构₂不影响osteoconductivity。此外,所有的热氧化样本相似,WCA值从60(度)到70(度)和值从10%到20%不等。这些值之间的关系和WCA报告在我们之前的研究(图5)[28]。这意味着,表面亲水性的变化是不同的osteoconductivity TiO的原因₂涂料准备不同的氧化过程。因此,它被认为表面性质,如WCA和OH, osteoconductivity强烈影响,而非涂层物质,晶体结构和涂层工艺。TiO₂只使用阳极氧化涂层过程,而不是热氧化提高了Ti的osteoconductivity有效样本。

4所示。结论

在这项研究中,我们准备TiO₂涂层表面结构对Ti控制使用阳极氧化和/或热氧化和调查osteoconductivity化学氧化过程的影响。下面的结果。(1)锐钛矿是由氧化、热氧化和金红石,但是TiO的区别₂他们的osteoconductivity晶体结构没有影响。(2)阳极氧化膜TiO₂亲水涂料,但热氧化TiO₂亲水涂料是低于anodized-only TiO₂涂料由于缺乏表面哦组。(3)TiO的₂涂层过程只使用阳极氧化,不包括热氧化,有效改善osteoconductivity Ti样本。

确认

这项工作是部分支持的补助金jsp家伙(2310401号),和全球COE计划(COE的教育和研究微纳机电一体化)从日本促进社会科学(jsp)和科研补助金(C) (21560719)。

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