羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)是人体的主要骨盐成分，具有良好的生物相容性^[1,2,3]，能和具有优异力学性能钛合金(TC4)形成性能互补，制备出具有二者优点的人工骨材料。目前制备HA/TC4钙磷复合涂层的方法很多，其中模仿自然界生理磷灰石的矿化机制，在人体组织液成分十分接近的矿化液中自然沉积磷灰石无机盐晶体的仿生矿化法具有不可企及的优点^[4]。组织矿化液中培养得到的钙磷涂层往往存在表面微裂纹、表面组织相貌不稳定、不均匀等缺陷，涂层植入人体后，在长期使用条件下会出现表面剥落、溶解和侵蚀导致失效，这是由于HA钙磷涂层为一种多孔材料，从仿生矿化液中取出的涂层微孔内残留了大量的水分和溶液，在进行干燥时，外部温度的升高会导致通孔内水分由表及里不断蒸发，造成涂层发生收缩变形，当该收缩变形大于涂层抗拉强度时，干裂纹就会由外及里产生，同时封闭孔内水分受热膨胀，会与涂层之间产生负压，当该负压引起的涂层变形大于涂层抗拉强度时，干裂纹就会由内向外产生。

郭智文^[5]等在不同温度热氧化、碱处理后的Ti-6Al-4V合金上仿生沉积一层羟基磷灰石陶瓷膜，提高氧化温度可使陶瓷层表面的裂纹先减少后增加，最终在750℃时陶瓷层表面的裂纹最少。刘鹏^[6]等以NiTi合金作为增韧相加入到HA粉末中，NiTi合金消耗外加应力做功，以及诱发马氏体相变，通过相变消耗能量，从而进一步降低了涂层产生断裂以及引起裂纹的可能性。Rabiei^[7]等用双重离子束辅助沉积法在钛表面沉积多元HA薄膜，并进行热处理，力学性能测试表明HA陶瓷膜平均硬度可达6.4 GPa，杨氏模量132 GPa。阮建明^[8]等通过加入生物玻璃形成三元系HA-BG-Ti的复杂强键结合，使得复合材料界面结合十分紧密。蔡彦丽^[9]等对仿生制备的HA/Ti复合涂层进行了热处理，从而提高了HA涂层的结晶度，涂层与基体的结合强度也有所提高。

目前国内外大多采用增加中间相和强热强电激发的方法改善HA涂层表面性能，这种工艺条件下HA涂层的生物活性容易被破坏，且能量输入难以有效控制。文中采用仿生矿化法自然沉积得到HA钙磷涂层，划分多个干燥温度梯度降低表面裂纹扩张，同时控制干燥和沉积两个关键工艺过程的实施次数和间隔时间，利用XRD分析涂层物相，SEM和EDS分析涂层表面裂纹、表面形貌、钙磷比，通过涂层力学性能测试综合讨论多次干燥和多次沉积对涂层表面的影响。

1 材料与方法 1.1 HA涂层的制备

选取金相砂纸磨光的10 mm×10 mm×1 mm TC4钛合金基板，分别用无水乙醇、蒸馏水在HT-200BQ型超声波清洗机中清洗30 min(功率密度40%，温度为20 ℃)。清洗后放入DZF-6050型真空干燥箱中37 ℃下恒温干燥2 h。

用质量分数18%的盐酸和48%的硫酸混合，在温度为60 ℃的HH-2型恒温水浴锅中处理基板表面30 min，之后再用蒸馏水超声波清洗30 min，真空干燥3 h，再用10 mol/L的NaOH溶液对表面进行活化^[10]处理，18 h后清洗干燥。

配置初始pH为7.4的SBF沉积液，在4 ℃下恒温浸泡24 h以获得晶种，首先转移至37 ℃下浸泡获得涂层^[11,12]，然后在37 ℃下的恒温水浴锅中清洗样品，完成后迅速用滤纸吸干表面水分放入干燥箱中。

1.2 试验分组

试验分A、B和C 3种，如表 1所示。3种试样的浸泡总时间均为24 h，浸泡温度均恒定在37 ℃。样品A在前述沉积液中37 ℃恒温浸泡24 h后干燥；样品B在37 ℃恒温浸泡12 h后干燥1次，再浸泡12 h后干燥第2次；样品C每隔8 h取出干燥一次，重复3次。干燥分为20、27、32和37 ℃这4个温度梯度，各梯度保温时间为2 h，干燥的终止温度选定为室温37 ℃，以避免干燥完成后由外界环境与样品之间的温差引起的温度变化进一步产生裂纹。

上述3种试样在沉积液中浸泡24 h，真空干燥后转入标准模拟体液(SBF)中浸泡培养，培养5 d后干燥，3种试样分别标记为A₁、B₁、C₁。

1.4 测试和分析方法

采用D/max2200PC型X射线衍射分析仪对单次沉积前后的涂层表面进行分析，JSM-6390A型扫描电子显微镜观察3种试样和SBF浸泡后的A₁、B₁、C₁试样，并用上述设备自带的能谱分析仪测试3种样品的钙磷比。利用数显千分测量规测量3种试样的沉积厚度，在试样表面选择不同位置的3个点测量后计算平均值，记录数据。利用TLD电子试验机测定涂层与基体的结合强度。拉伸时采用环氧树脂拉将试样粘结在拉伸偶之间，压紧试样，放入干燥箱中固化后取出，拉伸构件放入杯套中夹紧后进行缓慢拉伸，拉伸速率1 mm/s，伸棒直径25 mm，最大负荷50 000 N，为减小误差，每组选取3个拉伸试样，记录拉伸结果，计算其平均值。

2 结果与讨论 2.1 XRD衍射分析

对前处理后和单次沉积后的A组试样进行XRD衍射分析，结果如图 1所示。其中曲线1为经过前处理后的钛合金基板XRD衍射图谱，曲线2为样品A获得涂层后的样品的XRD衍射图谱。由曲线2对比羟基磷灰石标准XRD衍射PDF图片知，在2θ为26°和32°附近出现强度较弱的HA特征峰，已有厚度较薄的HA涂层生成，这是由于培养时间较短且沉积液未更换所致，多次沉积得到的衍射图与曲线2大致重合，干燥和沉积后会造成涂层沉积厚度的变化，对其物相组成没有较大影响。

图 1 试样A的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of sample A

图选项

样品A进行1次沉积和1次干燥，如图 2(a)所示，其表面裂纹尺寸超过100 μm，有明显的干缩现象产生。样品B在两次沉积和两次干燥后，如图 2(b)所示，表面裂纹尺寸控制在9～26 μm，相较于A组样品两次沉积的涂层厚度较薄，干燥时涂层内水分易蒸发，因此产生的干缩力较小。同样，图 2(c)所示的样品C涂层显得非常致密，涂层中已经没有明显的裂纹，只存在宽度约为5～13 μm，长度约为71～269 μm的长条状物质。仿生沉积HA钙磷涂层在一定的湿度环境中制取和保存HA钙磷涂层，不会导致涂层较大的收缩变形，干燥时划分多个温度梯度，不会使表面裂纹急剧扩张，保持浸泡温度恒定为37 ℃不会使涂层内部封闭孔膨胀而对其表面造成较大破坏，同时多次沉积和干燥可以使内部水分更加缓慢而充分的蒸发，可以有效地降低裂纹尺寸,防止裂纹的进一步扩展。

图 2 多次沉积样品的表面裂纹Fig. 2 Surface cracks of the repeatedly deposited samples

图选项

观察不同倍数放大的上述涂层，样品A的磷灰石晶体呈细球状均匀分布，如图 3(a₁)(a₂)所示。样品B表面存在一些尺寸不一且不规则分布的块状结晶物，如图 3(b₁)所示，结晶物厚度较大，与基底物质存在明显的界面，其晶体形貌也与A涂层的磷灰石颗粒相似，基底物质也呈现出高低起伏的凹坑形貌，如图 3(b₂)所示。样品C表面致密均匀地分布着一些条状结晶物，在高倍的SEM下，发现条状物上存在尺寸较大的磷灰石颗粒，而靠近中间涂层上的磷灰石颗粒尺寸更细，分布更为均匀，如图 3(c₂)。

分析得知，多次沉积和多次干燥过程中，B和C组温度的频繁变化增加了温度变化的梯度，加之沉积液长时间的使用未更换，造成溶液pH值发生变化，从而引起沉积过程的差异，由此可见，多次沉积造成温度和pH值等参数的浮动，减少了裂纹尺寸和数目，涂层的均匀性得到改善。

图 3 多次沉积样品的表面微观形貌Fig. 3 Surface morphologies of the repeatedly deposited samples

图选项

研究证明，仿生法制备的HA钙磷涂层的Ca/P比越高，涂层中HA晶体结晶度越高^[13,14]。对样品表面取面进行能谱分析，各组取面的位置见图 3(a₁)(b₁)(c₁)。能谱分析时，去掉除Ca和P以外的其他元素。计算Ca和P的摩尔比时，分别取Ca和P的相对分子量为40.08和30.97，计算结果如表 2所示。3次沉积后的HA涂层Ca/P达到5.81，这是因为碱处理后带有负电荷的TC4基板不断诱导Ca²⁺沉积，多次沉积过程使Ca²⁺不受区域结合的限制，Ca²⁺沉积量显著增加，多次沉积致使涂层Ca/P比上升，HA结晶度得到提高。

涂层厚度是衡量涂层性能和结合强度的一个重要标准，厚度小于30 μm容易在体内溶解，厚度大于100 μm会使涂层结合强度不足^[15]。对3组试样测量沉积厚度、表面孔隙率、结合强度，结果如表 3。由测试结果可以看出，多次沉积会使沉积层的厚度增加，在对TC4基板进行酸碱处理后，带负电荷的物质和碱离子相互作用形成碱性钛凝胶层。

将碱处理后的TC4金属基体置于沉积液中，碱性钛凝胶层往周围溶液中释放碱离子，并与周围溶液中的H₃O⁺离子发生交换作用，导致凝胶层附近局部溶液的pH值升高，pH值的升高引起离子活性增加，溶液中Ca²⁺、PO^3-₄和OH-发生反应(1)，形成HA涂层，干燥结束的涂层已和基体形成化学结合，再次放入沉积液中未能及时形成结合的区域会继续吸收OH^-离子促进Ca²⁺的沉积，相较于A组涂层，C组沉积厚度的增加量较小，由化学反应的可逆性可以得到，当OH^-过度消耗得不到补充时，会使反应(1)逆向进行，造成涂层的溶解，通过观测pH值的变化速率可以得到：涂层在沉积16 h后，Ca²⁺的沉积速率会下降，涂层沉积厚度的增加量减小。

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由表 3可见，3次沉积和干燥后涂层与基体的结合强度有小幅度增加。沉积和干燥的过程中，HA涂层表面一般伴随着先膨胀再收缩的过程。沉积过程中在库仑力作用下吸收沉积液和空气中的水分和离子，体积膨胀；干燥过程将涂层内外的水分蒸发出来，体积收缩。相较于单次沉积和干燥，3次干燥后涂层内部水分的蒸发更为彻底，这样更不容易产生封闭孔，HA颗粒更好的聚集，使得涂层致密性提高，从而结合力提高。同时，观察涂层表面形貌可以得到，3次干燥后HA涂层的表面裂纹减少，这些也促使涂层表面的结合强度提高，但C组的结合强度相较于单次沉积的A组只增加了2.5%，这是由于沉积时间短，HA涂层材料未能在TC4基板上充分生长，涂层厚度增加不明显，造成了力学性能上差异不明显。

将SBF中培养5 d的A₁、B₁、C₁组取出干燥后，在6 000倍的SEM下观察磷灰石晶体生长状况(如图 4)。

图 4 SBF培养后样品的表面微观形貌Fig. 4 Surface morphologies of the samples after fostering in SBF

图选项

3组试样在培养5 d后表面均产生了白色的HA晶体，这说明利用仿生沉积法在TC4钛合金表面制备的HA钙磷涂层具备良好的诱导成骨的能力。观察发现A₁、B₁、C₁组表面涂层的致密性依次提高，这是由于C组涂层均匀性最好，生长出涂层的C₁组表面HA晶体紧密排列，因此，多次沉积获得的基础涂层生物活性最佳。 3 结 论

(1) 多次沉积和多次干燥不会改变涂层表面的物相组成，但使涂层质量得到一定改善。3次沉积和干燥可以减少HA钙磷涂层表面裂纹的数目，同时尺寸也控制在宽5～13 μm、长71～269 μm范围内，且涂层在高倍电镜下观察最为均匀。

(2) 3次沉积和干燥后的涂层试样钙磷比显著增加至5.81，说明多次沉积会导致HA结晶度上升。

(3) 多次沉积使得涂层厚度增加，涂层的拉伸试验测试结合强度在12.11~12.41 MPa，多次沉积和干燥后涂层的结合力略有提高。

(4) 3组试样在SBF中均能诱导类骨羟基磷灰石的生成，表现出良好的生物活性。多次沉积获得的基础涂层生物活性最好。