等離子體氧化技術的醫(yī)用鈦材料親水性表面制備分析

等離子體氧化技術的醫(yī)用鈦材料親水性表面制備分析采用真空射頻輝光放電技術對噴砂酸蝕工藝處理后的鈦表面開展等離子體氧化工藝的優(yōu)化研究，以用于牙種植體表面改性。以鈦表面的接觸角作為正交試驗的參考指標，對等離子體氧化工藝開展優(yōu)化。在試驗范圍內(nèi)，優(yōu)化的參數(shù)為：工作壓力為6.5Pa，O2/Ar=1(Ar=5sccm)，基板直流偏壓為400V，射頻功率為200W，氧化時間60min。利用掃描電子顯微鏡、接觸角測量儀及X射線光電子能譜儀研究了優(yōu)化后的氧化膜對鈦表面形貌、親水性的影響以及其化學組成和價鍵狀態(tài)。結果說明：優(yōu)化工藝處理后，鈦片表面保存了原有的多孔形貌，并獲得了平均接觸角低于10°的超親水性表面，但隨著暴露空氣時間的增加，其接觸角會增大；鈦表面出現(xiàn)Ti4+和Ti3+離子，其中二者的比例基本相同。

鈦及其鈦合金由于具有獨特的機械、生物、物理化學等特性而被廣泛作為生物植入材料，但其植入體內(nèi)后容易被一層包囊纖維膜所包繞，難于和生物組織形成牢固的結合，這也可能是種植體出現(xiàn)松動的原因之一。因此需要對其開展表面處理，以提高其生物應用。研究發(fā)現(xiàn)醫(yī)用純鈦的生物相容性與其表面潤濕性有著直接的關系。

因此提高種植體表面潤濕性是進一步提高其應用的一個可能方向。藺增采用直流磁控濺射制備TiOx薄膜，發(fā)現(xiàn)其能大大降低鈦表面接觸角。在生理條件下，Ti表面的物理化學特性主要由其表面形成的氧化膜TiO2x所決定，該氧化膜能與蛋白質(zhì)以及骨礦物質(zhì)相容。因此對鈦表面開展氧化是提高牙種植體表面潤濕性的一個方向。并且等離子體氧化膜可以提高植入體在體內(nèi)耐蝕性和阻礙金屬離子的釋放。

另外，研究發(fā)現(xiàn)粗糙的表面能夠增強材料表面的親水性，合適的多孔表面對于種植體臨床的成功應用至關重要，本課題組之前研究了噴砂酸蝕工藝的多孔表面制備技術，探索了利用等離子體氧化技術制備親水性表面及其對成骨細胞吸附的影響規(guī)律。

本文采用噴砂酸蝕(Sandblastingandacidetching，SLA)處理后的鈦試樣開展等離子體氧化的優(yōu)化。選擇不同的工藝參數(shù)開展試驗，在試驗范圍內(nèi)，得出最優(yōu)的工藝參數(shù)，并分析優(yōu)化后的鈦試樣表面的成分、價態(tài)以及接觸角。

1、材料與方法

1.1、鈦片試樣的獲取

試驗所用鈦片試樣尺寸為直徑16mm，厚度1.5mm，材料為TA4。試驗所用的鈦片試樣均已開展過噴砂酸蝕處理。等離子體氧化前，試樣依次在去離子水和無水乙醇中各超聲清洗5min，烘干冷卻后裝入自封袋密封保存。下文已噴砂酸蝕的鈦試樣統(tǒng)稱為SLA鈦試樣。

1.2、等離子體氧化工藝

利用射頻等離子體增強化學氣相沉積(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，PECVD)設備真空輝光放電產(chǎn)生的氧離子轟擊SLA鈦試樣表面，使其生成一層氧化薄膜。工藝過程為：先通Ar=10sccm的氣體，在射頻功率為300W下，保持工作壓力為6.5Pa開展等離子體清洗試樣表面30min，然后開始按照試驗設定的等離子體氧化的參數(shù)開展氧化。

1.3、試驗方案

將等離子體氧化的參數(shù)：氧化的工作壓力、氧氣與氬氣的比值(Ar設為5sccm)、基板的直流偏壓、射頻功率以及氧化的時間作為試驗的影響因素，它們分別取4個水平，采用正交表L16(45)開展試驗。

1.4、試樣表面特性表征

試樣表面的形貌用場發(fā)射電子掃面電鏡(SEM)(JSM-6500F，JEOL，Tokyo，Japan)開展表征。試樣表面化學元素和價鍵狀態(tài)用X射線光電子能譜儀分析，X光電子能譜的型號為美國ThermoVG公司生產(chǎn)的ESCALAB250多功能表面分析系統(tǒng)surfaceanalysissystem，以AlKα為X射線源(1486.6eV)，功率為150W，通能為50eV，分析室真空度為6.0×10-8mbar。

使用接觸角測量儀(SL200B，科諾工業(yè)公司)對試樣表面開展接觸角測量，采用θ/2法，測量范圍：0°<θ<180°，分辨率0.01°，測試精度±1°。試樣氧化完成后在真空室冷卻1小時并取出，并在空氣中放置4個小時開展測量，一個試樣表面測量3個不同點，取平均值。

3、結論

(1)等離子體氧化的工作壓力、基板直流偏壓、射頻功率以及氧化時間對SLA鈦試樣表面接觸角具有顯著性影響，氧氣和氬氣比值無顯著性影響。

(2)在試驗范圍內(nèi)，等離子體氧化提高SLA鈦表面潤濕性的優(yōu)化參數(shù)為：工作壓力為6.5Pa，O2/Ar=1(Ar=5sccm)，基板直流偏壓為400V，射頻功率為200W，氧化時間60min。

(3)在優(yōu)化參數(shù)下，試樣在PECVD設備中經(jīng)等離子體氧化處理后，在其表面形成了TiO2和Ti2O3薄膜，二者所含的比例