四川大学华西口腔院：种植体涂层断面和涂基结合界面的新型检测方法

Alisa 6年前 (2018-10-07) 5014浏览

【引言】

口腔种植修复已成为世界范围内众多缺失牙患者的首选。而钛金属种植体因具有优异的生物相容性、机械强度和骨整合能力而在临床中广泛使用。为进一步提高钛种植体的骨整合能力，对其进行表面改性或涂层处理是有效的途径。对钛种植体涂层进行系统的理化性质检测是一项重要的研究内容，也是FDA、CFDA对拟上市的种植体系统的型式检验要求。其中，对涂层的断面或涂基结合界面的检测是其中一项重要的检测项目。传统的制备涂层断面试样的方法主要包括包埋打磨法和聚焦离子束法（Focused ion beam, FIB），但其分别存在一些固有的缺点。本研究开发了一种新型的方法用于种植体涂层断面和涂基结合界面的检测。

本研究所采用的种植体是瑞典Nobelbiocare公司在2000年推出的TiUnite表面种植体。它是在一种经电化学阳极氧化处理而制备的具有火山口样表面多孔状的含磷氧化钛涂层，作为一种具有中等粗糙度的阳极氧化表面的钛种植体, 是迄今被广泛研究的临床种植体表面之一。据文献，目前在超过465篇出版物中发表了382项关于评估22600多个患者的89500多个TiUnite种植体的且术后平均随访时间长达11.2年的临床研究文献。TiUnite涂层和基底的结合强度很好，在临床使用中未报道有涂层剥落现象，然而现有研究对其涂层内部及涂基结合界面的认识仍较为有限。

【成果简介】

本研究创造性地将TiUnite种植体置于一种含氟离子的电解液中，进行阳极氧化处理（命名为TNT法）。发现经过处理后可以无损地将TiUnite涂层与钛金属基底剥离开来。利用剥离下来的涂层片段可以方便制备涂层断面和底部的SEM或TEM样品，此外，还可以观测钛基底的表面形貌。结果发现，TiUnite涂层具有一种由涂层底部的凸起和钛基底表面的凹坑嵌合而成的榫卯样的特殊界面结合结构，这可能是其具有优异的涂基结合力的内在原因。

该技术为钛基种植体表面涂层的检测提供了一种全新的方法，具有传统的包埋打磨法和聚焦离子束法所不具备的独特优势，有望成为钛种植体涂层检测以及钛金属表面涂层研究的一种新的技术手段。

四川大学华西口腔医（学）院的万震、张锐涛为共同第一作者，谢利副研究员及田卫东教授作为通讯作者，在表面科学及涂层领域的SCI期刊Surface & Coatings Technology（最新影响因子2.9）上发表，论文题目为“A further insight into coating-substrate interface of TiUnite implant by a novel coating detachment method”。

【图文导读】

通过SEM检测可见TiUnite种植体表面呈火山口样的多孔状形貌，EDX检测结果表明涂层含Ti、O、P三种元素（如图1）。

图1. TiUnite种植体的SEM和EDX检测结果。（图片来自Surface and Coatings Technology）

通过在电解液（NH4F (5 wt%)+甘油(60 vol%)+乙二醇(20 vol%)+H2O (20 vol%)中阳极氧化处理2h可使TiUnite涂层从种植体基体剥离，体视显微镜下观察可见某些区域涂层已经剥脱，基底暴露，用导电胶转移的涂层片段呈白色（如图2）。

图2. 阳极氧化装置示意图及体视显微镜下TiUnite涂层剥离前后钛种植体及涂层片段的图像。（图片来自Surface and Coatings Technology）

通过对TNT处理后的TiUnite种植体表面行SEM观察可以更加清晰地看到这一现象，为便于观察，TiUnite涂层用PS软件进行了淡黄色处理。从图中可观察到暴露的钛基底含有大量的凹坑结构，还可看到残留的一小簇TiO2纳米管。

图3. TiUnite种植体经TNT法处理后种植体表面暴露的钛基底的SEM图像。（图片来自Surface and Coatings Technology）

通过对剥离的TiUnite涂层的断面样品行不同角度的扫描电镜观察可见涂层底部具有大量的的山丘样凸起结构，凸起结构的直径与图3中观察到的暴露的钛基底的凹坑的直径一致，因此，我们可认为涂层底部的凸起结构和钛基底表面的凹坑结构嵌合而成了榫卯样的特殊界面结构。

图4 通过TNT法制备的TiUnite涂层断面不同倾斜角度的SEM图像。（图片来自Surface and Coatings Technology）

对TNT法制备的TiUnite涂层的断面和底部行EDX检测。结果表明都只含有Ti、O、P三种元素，这与TNT法处理前的表面EDX检测相一致，证实了涂层在TNT法剥离过程中未残留其他化学元素。不过，O元素的含量有所增加，可能与阳极氧化过程的氧元素渗入有关（如图5）。

图5  TNT法剥离的TiUnite涂层EDX检测结果。（图片来自Surface and Coatings Technology）

图6给出了TNT法剥离TiUnite涂层的原理示意图。经过TNT处理会在TiUnite涂层和钛金属基底之间生成一层TiO2纳米管层，从而将结合牢固的TiUnite涂层与基底分离开来（如图6）。

图6. TNT法剥离TiUnite涂层原理示意图。（图片来自Surface and Coatings Technology）

本研究开发的TNT法可获得更加丰富、全面的涂层信息，且可直观地观察到基底和涂层间的界面；一次处理，可以观察多个位点，花费更少，对设备要求更低；FIB法会在涂层界面残留Ga离子，而TNT法不会残留新的化学元素（如表1）。

表1. TNT法与FIB法的比较。（图片来自Surface and Coatings Technology）

参考文献[简]

  1. Wan, R. Zhang, L. Xie, S. Liu, H. Wu, Y. Tian, W. Tian,A further insight into coating-substrate interface of TiUnite implant by a novel coating detachment method,Surf. Coat. Tech. 353 (2018)58-65.
  2. Xie, W. Guo, F. Huo, X. Tong, Y. Wang, Z. Wan, W. Tian, A new method fornon-destructive stripping of coatings on titanium substrates, Surf. Coat. Tech. 294 (2016) 1-7. 
  3. Karl, T. Albrektsson, Clinical performance of dental implants with amoderately rough (TiUnite) surface: a meta-analysis of prospective clinical studies, Int. J. Oral. Maxillofac. Implants. 32 (2017) 717-734. 

 

本文由材料人编辑部新能源前线组编译供稿，材料牛整理编辑。

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