射頻等離子體對(duì)純鈦表面的氨基化改性

2014-07-27 童興野四川大學(xué)無機(jī)材料系

　　采用射頻輝光等離子體技術(shù)，以氮?dú)馀c氨氣的混合氣體為氣體源對(duì)純鈦進(jìn)行處理。采用X 射線光電子能譜對(duì)改性的樣品表面成分進(jìn)行分析，并討論氨基化機(jī)理; 采用表面接觸角測(cè)試儀研究了處理時(shí)間、放置時(shí)間及保存方式對(duì)材料表面親水性的影響。結(jié)果表明: 經(jīng)過氮?dú)馀c氨氣的混合氣體等離子體改性后，材料表面存在氨基和氮鈦化合物，處理90 min 后，表面氨基含量高; 改性后材料表面親水性增加，但隨放置時(shí)間的增加親水性變差，在5 h 內(nèi)，改性鈦片保存在氮?dú)鈿夥罩杏欣谟H水性的保持。

　　鈦及鈦合金具有低密度、低彈性模量、良好的耐蝕性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于生物植入體。但鈦植入體還存在缺乏骨誘導(dǎo)作用、與周圍組織結(jié)合強(qiáng)度低及愈合時(shí)間長(zhǎng)等問題，運(yùn)用等離子體噴射、等離子體注入和化學(xué)處理來提高材料的生物活性越來越受到重視。氨基是生物體內(nèi)最主要的有機(jī)官能團(tuán)之一，氨基引入材料表面可為某些生物大分子進(jìn)行表面固定提供活性位點(diǎn)，它是金屬材料生物化和智能化的重要基礎(chǔ)，Haw-Ming Huang 等采用烯丙胺等離子體處理鈦片，接上氨基后，再使用戊二醛交聯(lián)接入白蛋白，結(jié)果表明改性鈦片可促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和阻止血栓的形成。真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認(rèn)為通過低溫等離子體可以在純鈦的表面引入以化學(xué)鍵合的方式結(jié)合的氨基，比較穩(wěn)定，趙靜輝采用庚胺射頻輝光放電等離子體對(duì)純鈦進(jìn)行表面改性，結(jié)果表明鈦表面存在鍵合較為穩(wěn)定的氨基。種植體表面親水性是影響種植體骨結(jié)合以及細(xì)胞黏附的重要因素之一，因此保持材料表面親水性非常重要。

　　本實(shí)驗(yàn)采用射頻等離子體技術(shù)，以N2和NH3混合氣體為氣體源對(duì)純鈦表面進(jìn)行氨基化改性，在純鈦表面引入氨基，提高材料表面的生物活性，并討論氨基化機(jī)理。同時(shí)研究了處理時(shí)間、放置時(shí)間和保存方式對(duì)改性鈦片親水性的影響。

試樣的制備

　　將厚度為1 mm 的TA2 型純鈦線切割成8 mm× 8 mm 的試樣，用500、600、800 和1000 目的金相砂紙逐級(jí)進(jìn)行打磨，然后依次用清潔劑、丙酮、乙醇和二次去離子水清洗并烘干。采用JQ-B-50 型電容耦合等離子體設(shè)備對(duì)純鈦進(jìn)行氨基化改性，頻率為13. 56 MHz，輸出功率為380 W，氣體源為N2和NH3的混合氣體，N2和NH3的流量分別為80 和200 mL /min( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) ，處理時(shí)間為15 ～ 150 min。

樣品表面特性表征

　　采用XSAM800 型多功能X 射線光電子能譜分析儀( XPS) 對(duì)鈦片表面的氮元素進(jìn)行定性和定量分析，以AlKαX 射線為激發(fā)源，功率為12 kV × 14mA，結(jié)合能的測(cè)定以Ag1s( 367. 9 eV) 來標(biāo)定，真空度約為4 × 10 - 6 Pa。采用JC2000C1 型接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)樣品表面的接觸角進(jìn)行測(cè)量，二次去離子水的液滴量為1 μL，每組測(cè)試3 點(diǎn)取平均值。采用IRPrestige21型紅外光譜分析儀確定表面是否存在氨基。

結(jié)果與討論

改性表面成分分析

　　圖1 為射頻等離子體處理不同時(shí)間后的XPS的N1s 的單譜，圖2 為不同處理時(shí)間的XPS 的N1s單譜擬合后的氮化鈦、-NH2以及表面總氮的峰面積柱狀圖。TiN 和TiNy的N1s 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合能約為397. 0eV，Ti-NH2的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合能約為400. 0 eV。高斯擬合后的譜圖1( a) ( b) 和( d) 表明，處理30，60 和120min 的純鈦表面有兩個(gè)峰，分別為Ti-NH2峰和TiN或TiNy峰。由此可得，經(jīng)過氮?dú)馀c氨氣的混合氣體等離子體改性后，材料表面存在氨基和氮鈦化合物。但是由圖1( c) 和( e) 可知，處理90 和150 min 的純鈦表面幾乎只探測(cè)到氨基。

樣品在不同處理時(shí)間下的XPS 的N1s 單譜圖