316L不锈钢具有价格低廉、力学性能良好及易于成型等优点，作为生物医用植入材料，在牙齿矫正、整形外科、血管支架等方面得到了广泛的应用[1]。
然而，不锈钢作为血管支架材料植入后，由于血液中存在Na+，K+，Cl-等离子，导致316L不锈钢材料表面产生点蚀，造成材料力学性能的降低；同时，溶出的镍离子和铬离子又会诱发血小板激活，从而引起血栓[2]。
近年来，对316L不锈钢材料进行表面改性成为了研究热点，黄楠等人[3]采用离子注入和等离子体离子注入沉积等表面改性技术在N型硅衬底上制备了Ti-O薄膜，研究了薄膜的微观结构、物理性能和血液相容性，结果表明：TiO2-x薄膜血液相容性优于低温热解碳，良好的血液相容性与TiO2-x薄膜的半导体性质有关；刘强等人[4]采用溶胶-凝胶法，系统研究了加入磁性粉末的TiO2薄膜的生物相容性，加入磁粉后，提高了材料的血液相容性。此外，通过在不锈钢表面制备ZrO[5]2和SiO[6]2等陶瓷薄膜也能明显改善材料的耐腐蚀性。
在316L不锈钢表面制备薄膜的方法很多，概括来讲，有气相沉积法(物理气相沉积和化学气相沉积)和溶液法(水热法、水浴法、溶胶-凝胶法等)。其中，溶胶-凝胶法具有制备设备简单，组份易控制，易于在复杂结构的衬底上成膜等优点[7]。文中采用溶胶-凝胶法，在316L不锈钢材料表面上制备TiO2薄膜，并研究退火温度对薄膜微观结构、耐腐蚀性及血液相容性的影响。 1 材料与方法 1.1 TiO2薄膜的制备
以钛酸四丁酯为原料，乙醇为溶胶，浓硝酸为催化剂，初始溶液组份为n[Ti(C4H9O)4]∶n[C2H5OH]∶n[H2O]∶ n[HNO3]=1∶30∶1∶0.5。 试验中，将一定量的钛酸四丁酯溶于所需乙醇总量的一半，搅拌1 h；再将浓硝酸和水溶于另一半乙醇，并加入到搅拌中的钛酸四丁酯溶液中，继续搅拌1 h，得到均匀、透明的前驱体溶液，陈化24 h，待用。
采用电火花线切割将厚度为1.2 mm的316L不锈钢切割成15 mm ×15 mm×1.2 mm的不锈钢片作为薄膜沉积的衬底。将切割下的不锈钢片分别用360、600、800、1 000、1 200、1 500和2 000号的碳化硅砂纸进行表面抛光，然后用0.5 μm的金刚石抛光液进行机械抛光，抛光后的316L不锈钢片无明显的划痕。在超声波清洗器中，依次采用丙酮、无水乙醇、去离子水将不锈钢衬底进行清洗，烘干后用于薄膜的沉积及测试。
利用TiO2溶胶制备干凝胶粉末，并将凝胶粉末在400、500和600 ℃退火，用于晶相分析。采用自制提拉仪，提拉速度为7 cm/min，在不锈钢衬底上涂覆TiO2溶胶，然后在干燥箱中200 ℃进行热处理，为了减少热处理中的微裂纹及薄膜中的缺陷，重复上述工艺3次，达到一定厚度后(200 nm左右)，在石英管式炉中进行退火1 h，退火温度为400、500和600 ℃。 1.2 TiO2薄膜的表征
采用X射线衍射仪表征了不同退火温度下TiO2粉末的微观结构。采用环境扫描电子显微镜观察薄膜表面形貌。电化学测试采用动电位极化测试，电解池采用标准的三电极体系：样品为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，用环氧树脂对样品进行封样，暴露面积为10 mm×10 mm，在磷酸盐缓冲盐水(Phosphate buffered saline，PBS)模拟体液中测试了样品的腐蚀行为，模拟体液成分如表 1所示[8]，测试时，电压扫描速度为0.5 mV/s。采用接触角测试仪测试了不同退火温度的TiO2薄膜与不同溶液的接触角，基于接触角，分析了材料的亲/疏水性，并计算薄膜的表面能及薄膜与血液的界面张力。
| Chemicals | NaCl | KCl | KH2PO4 | Na2HPO4 |
| Concentration/(g·L-1) | 8 | 0.20 | 0.24 | 1.44 |
为研究退火温度对TiO2晶体的影响，在400、500和600 ℃下退火1 h的TiO2干凝胶粉末的XRD图谱如图 1所示。从图 1中可以看出，400 ℃退火1 h的TiO2干凝胶粉末已晶化为锐钛矿结构。500 ℃退火后，晶化更为完善，锐钛矿结构的衍射峰明显，根据JCPDS卡，将相应的衍射峰指数标注在图中。当温度升高到600 ℃时，TiO2为金红石相(衍射峰指数标注在图中)。XRD结果表明，随着温度的升高，TiO2由锐钛矿转变到金红石相。
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| 图 1 不同退火温度下TiO2粉末的XRD图谱Fig 1 XRD patterns of the TiO2 powders annealed at different temperature |
图 2给出了316L不锈钢衬底上不同退火温度下TiO2薄膜的表面形貌。结合XRD图谱可知： 400 ℃退火的薄膜已形成了细小的晶粒，随着退火温度的升高，薄膜生长更为完善，结构更致密，试验结果表明： 退火后的TiO2薄膜表面平整，没有明显的裂纹和孔洞。
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| 图 2 不同退火温度下TiO2薄膜的表面形貌Fig 2 Surface morphologies of the TiO2 film annealed at different temperature |
为了研究316L不锈钢衬底上不同退火温度的TiO2薄膜的耐腐蚀性，在PBS模拟体液中测试了样品的动电位极化曲线，如图 3所示。 400 ℃和500 ℃退火的TiO2薄膜的极化曲线类似，分别对应的自腐蚀电流密度为4.04 μA/cm2和6.33 μA/cm2，而316L不锈钢基底的自腐蚀电流为8.56 μA/cm2，说明TiO2薄膜对316L不锈钢有一定的保护作用。600 ℃退火的TiO2薄膜自腐蚀电流密度为13.60 μA/cm2，且击穿电位低，对316L不锈钢没有保护作用。
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| 图 3 不同退火温度下TiO2薄膜的动电位极化曲线Fig 3 Potentiodynamic polarization plots of the TiO2 films annealed at different temperature |
对于薄膜-衬底系统而言，影响薄膜耐腐蚀性好坏的主要因素是薄膜的致密性和薄膜与基底的结合力。600 ℃退火的TiO2薄膜样品腐蚀电流密度较大，可能是与涂层中存在缺陷，多次热处理导致的在薄膜厚度方向存在较大的残余应力，以及薄膜与基底的结合力较小等因素有关。H. Cheraghi[9]等人在研究316L衬底上溶胶-凝胶法制备的TiO2-NiO纳米复合薄膜时，也观察到了类似的试验现象。 2.3 润湿性及血液相容性
316L不锈钢衬底和不同退火温度下TiO2薄膜的接触角如表 2所示。沉积TiO2薄膜后，衬底的亲/疏水性发生了改变，400 ℃退火的TiO2薄膜接触角为76.9°，具有亲水性，而随着退火温度的升高，接触角逐渐增大，500 ℃退火的TiO2薄膜接触角为80.1°，而600 ℃退火的TiO2薄膜接触角为102.1°，具有疏水性。接触角的变化与薄膜的表面能有关，表面能越低，接触角越大，薄膜疏水性越强。
| Materials | Contact angle/(°) | |
| Distilled Water | Glycol | |
| 316L SS | 96.3±0.22 | 74.2±0.11 |
| TiO2(400 ℃) | 76.9±0.07 | 59.9±1.06 |
| TiO2(500 ℃) | 80.1±0.31 | 63.4±0.89 |
| TiO2(600 ℃) | 102.1±0.00 | 82.5±2.64 |
理论研究表明[10,11,12]，材料的表面自由能、材料与血液组份的界面张力、表面电荷以及微相结构与蛋白质的吸附密切相关。基于不同测试液体的接触角，计算了退火温度对TiO2薄膜的表面能和薄膜与血液成份的界面张力的影响，从而研究材料的血液相容性。
对于固液界面系统，接触角与固体和液体的表面能的关系为：
式中，θ 为固液界面接触角，γds、γps、γdLV、γpLV分别为固体和液体表面能的色散和极性分量值。
将试验测试中得到的不同液体的接触角数值，以及测试液体的表面能参数[3]代入公式(1)中，通过计算，得到试样表面能及其色散分量和极性分量，如表 3所示。
| Materials | γs/(mJ·m-2) | γds/(mJ·m-2) | γps/(mJ·m-2) |
| 316L SS | 21.10 | 17.86 | 3.24 |
| TiO2(400 ℃) | 27.98 | 12.27 | 15.71 |
| TiO2(500 ℃) | 39.10 | 25.43 | 13.67 |
| TiO2(600 ℃) | 16.80 | 14.39 | 2.41 |
材料与血液的界面张力由下式计算得到：
式中，γsbc为材料与血液的界面张力，γpbc，γdbc为血液成份表面张力的极性和色散分量，其中，γpbc，γdbc均为常数，可以从文献中查得，具体数据见表 4。
根据表 4中血液组份的表面能参数值，利用公式(2)计算316L不锈钢改性前后与血液成份的界面张力，计算结果如图 4所示。从图 4中可以看出，400 °C和500 °C退火的TiO2薄膜样品与血液成份之间的界面张力相差不大，远小于316L不锈钢和600 °C退火的TiO2薄膜样品。
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| 图 4 316L不锈钢衬底及薄膜与血液成份间的界面张力Fig 4 Interface tension of 316L substrate and thin films with blood component |
薄膜材料的表面能及其与血液组份的界面张力对血栓形成初期的蛋白质吸附和变性影响较大。生物材料表面能越低，材料对蛋白质的吸附越少；材料与血液成份之间的界面张力越小，材料与血液的交互反应就越少，引起血小板凝聚的可能性就越小[3]。结合退火对TiO2相结构的影响可知，高温退火的TiO2薄膜(金红石 相) 与血液之间的界面张力较大，而锐钛矿相的TiO2薄膜与血液间界面张力较小，具有良好的血液相容性。
3 结 论采用溶胶-凝胶法在316L不锈钢衬底上制备了TiO2薄膜，研究了退火温度对TiO2微观结构的影响，讨论了改性前后316L不锈钢的耐腐蚀性及血液相容性，主要结论如下：
(1) 400 ℃和500 ℃退火的TiO2晶化为完整的锐钛矿结构，600 ℃退火转化为金红石相，提高退火温度改善了薄膜的微观结构。
(2) 退火温度影响TiO2薄膜的亲/疏水性，锐钛矿结构表现为亲水性，而金红石相为疏水性。
(3) 在模拟体液中，锐钛矿结构的TiO2薄膜的自腐蚀电流较小，具有良好的耐腐蚀性。
(4) 400 ℃和500 ℃退火的TiO2薄膜(锐钛矿相)与血液成份的界面张力小于600 ℃退火的TiO2薄膜(金红石相)，表明锐钛矿结构的TiO2薄膜具有较好的血液相容性。
| [1] | Fu T, Wen C S, Lu J, et al. Sol-gel derived TiO2 coating on plasma nitrided 316L stainless steel [J]. Vacuum, 2012, 86(9): 1402-7. |
| 点击浏览原文 | |
| [2] | Kster R, Vieluf D, Kiehn M, et al. Nickel and molybdenum contact allergies in patients with coronary in-stent restenosis [J]. Lancet, 2000, 356(9245): 1895-901. |
| 点击浏览原文 | |
| [3] | Huang N, Yang P, Leng Y X, et al. Hemocompatibility of titanium oxide films [J]. Biomaterials, 2003, 24(13): 2177-87. |
| 点击浏览原文 | |
| [4] | 刘强. 基于优化血液相容性的生物医用金属材料表面设计与改性 [D]. 苏州: 江苏大学, 2010. |
| 点击浏览原文 | |
| [5] | Nagarajan S, Rajendran N. Sol-gel derived porous zirconium dioxide coated on 316L SS for orthopedic applications [J]. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2009, 52(2): 188-196. |
| 点击浏览原文 | |
| [6] | Vijayalakshmi U, Rajeswari S. Development of silica glass coatings on 316L SS and evaluation of its corrosion resistance behavior in ringers solution [J]. Metallurgical and Materials Transactions, 2012, 43(12): 4907-19. |
| 点击浏览原文 | |
| [7] | Balamurugan A, Kannan S, Rajeswari S. Evaluation of TiO2 coatings obtained using the sol-gel technique on surgical grade type 316L stainless steel in simulated body fluid [J]. Materials Letters, 2005, 59 (24/25): 3138-43. |
| 点击浏览原文 | |
| [8] | Pan C J, Tang J J, Weng Y J, et al. Preparation and characterization of rapamycin-loaded PLGA coating stent [J]. Journal of Material Science: Material in Medicine, 2007, 18(11): 2193-200. |
| 点击浏览原文 | |
| [9] | Cheraghi H, Shahmiri M, Sadeghian Z. Corrosion behavior of TiO2-NiO nanocomposite thin films on AISI 316L stainless steel prepared by sol-gel method [J]. Thin Solid Films, 2012, 522(11): 289-296. |
| [10] | Kaelble D H, Moacanin J. A surface energy analysis of bioadhesion [J]. Polymer, 1977, 18(5): 475-482. |
| 点击浏览原文 | |
| [11] | Ruckenstein E, Gourisankar S V. A surface energetic criterion of blood compatibility of foreign surface [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1984, 101(2): 436-451. |
| 点击浏览原文 | |
| [12] | Kawamoto N, Mori H, Terano M, et al. Blood compatibility of polypropylene surfaces in relation to the crystalline-amorphous microstructure [J]. Journal of Biomaterial Science: Polymer Edition, 1997, 8(11): 859-877. |
| 点击浏览原文 | |
| [13] | Chen J Y, Leng Y X, Tian X B, et al. Antithrombogenic investigation of surface energy and optical bandgap and hemocompatibility mechanism of Ti(Ta+5)O2 thin films [J]. Biomaterials, 2002, 23(12): 2545-52. |
| 点击浏览原文 | |
| [14] | Agathopoulos S, Nikolopoulos P. Wettability and interfacial interactions in bioceramic-body-liquid system [J]. Journal of Biomedical Material Research, 1995, 29(4): 421-429. |
| 点击浏览原文 |