酸蚀刻对钛医药材料纳米形态表面特性及活化能的影响

引言

由于商业纯钛(CP Ti)具有抗腐蚀性，并且具有合适的机械性能以及生物相容性，因此，目前一直被用作牙科植入材料。为了在临床手术中获得高水平的成功，CP Ti的表面质量和形貌是影响植入手术结果的比较关键的因素之一，近年来，它已成为主流和商业可用的植入产品。

英思特通过对金属使用不同的表面处理方法——盐酸蚀刻来进行表面改性。这种方法不会在金属表面产生孔隙，尽管HCl/H2SO4蚀刻产生了零星的孔，但这些孔并不明显。

表面改性技术与钛或钛合金相结合，可以保持钛或钛合金原有的耐腐蚀性和抗拉强度，从而提高种植体的临床效益。然而，关于蚀刻配方、浓度、温度和时间的详细参数的现有研究是有限的，并且已经提出的Ti金属蚀刻方法是实质上不同的。

实验与讨论

英思特使用圆形CP钛和钛合金盘用于验证表面特性，并用于本研究中的蚀刻实验。在线放电加工后，进行喷砂和磁力研磨以清洁磁盘表面。实验过程如图1所示。对CP Ti和Ti合金样品进行喷砂以使表面变粗糙，然后使用超声波振荡进行清洗。应用各种蚀刻机制来形成具有微米至纳米尺寸的孔的均匀表面。我们通过分析结果以研究工艺参数对粗糙度、表面形态。

图1：实验程序

为了了解各种酸对Ti/Ti-6Al-4V ELI的腐蚀速率，本文测量了10 min的失重，以获得不同温度和使用不同酸蚀剂时Ti/Ti-6Al-4V ELI的腐蚀速率，如图2图3所示。HF在室温下10分钟的蚀刻速率为9.28毫克/分钟。HCl对Ti-6Al-4V的蚀刻速率在室温下为0.078毫克/分钟，在BT下为0.834毫克/分钟，而H2SO4在BT下对Ti-6Al-4V的蚀刻速率在室温下为0.009毫克/分钟，在BT下为0.162毫克/分钟。

HCl在沸腾时对Ti的蚀刻速率在室温下为0.26毫克/分钟，在BT下为0.659毫克/分钟，而H2SO4在BT下对Ti的蚀刻速率在室温下为0.005毫克/分钟，在BT下为0.06毫克/分钟。在室温下，HCl和H2SO4的蚀刻速率非常慢。

我们通过使用HF对Ti的氧化物层进行预处理，从而不会导致增加Ti的蚀刻速率，显示出如果在喷砂后不久进行蚀刻过程，则在Ti上不会形成明显的TiO2层，因为TiO2可以溶解在HF、浓盐酸和热的浓H2SO4中。因此，这可能是由于TiO2在HCl中的抗蚀刻能力差造成的。

图2：Ti/Ti-6Al-4V ELI在不同腐蚀液中室温腐蚀后的重量损失比较

图3：不同蚀刻剂溶液对Ti/Ti-6Al-4V ELI的减重效果的比较 

结论

本研究英思特成功探索了表面处理的工艺参数，如蚀刻速率、酸浓度、反应温度和反应时间，其较佳值可用于获得适合骨细胞生长的均匀纳米孔。我们测定了Ti/Ti-6Al-4V ELI在不同温度下用H2SO4或HCl腐蚀后的活化能。HCl或H2SO4在室温下的Ti/Ti-6Al-4V ELI蚀刻速率低，而HF表现出较快的蚀刻速率9.28毫克/分钟。喷砂后，酸蚀刻在短时间内发生，不需要在HF中蚀刻氧化层。

英思特通过对结果的分析表明，在沸腾的H2SO4或HCl中蚀刻Ti金属有助于纳米多孔结构的形成。由于Ti-6Al-4V是α + β晶相材料，其刻蚀速率不同，表面粗糙度的可变性更大。当在BT下用H2SO4腐蚀时，Ti-6Al-4V的活化能为88.96 kJ/mol。该研究还表明，与使用H2SO4时相比，使用浓液压酸的蚀刻对Ti产生了更好的表面改性效果。