在人口逐漸老齡化的社會(huì)中，人們對(duì)具有優(yōu)異的材料-生物組織界面穩(wěn)定性的醫(yī)療假體植入設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)。這些植入裝置需要在生物環(huán)境中服役并保持其穩(wěn)定性。由于腐蝕和磨損等原因，未鍍膜的金屬植入裝置在長(zhǎng)期使用中通常表現(xiàn)出較差的生物相容性，而當(dāng)前通用的生物相容性涂層則很容易磨損且耐熱性低，因此穩(wěn)定性較差。

立方氮化硼（c-BN）具有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，是硬度僅次于金剛石的材料。與金剛石相比，c-BN的主要優(yōu)點(diǎn)是其高化學(xué)惰性，即使在高溫條件下也具有高抗氧化性。在過(guò)去的30年中，由于c-BN的超高硬度和大帶隙能，其在機(jī)械和電子領(lǐng)域受到了很多的關(guān)注。然而，要想形成c-BN膜將不可避免地承受高能離子沖擊，因此很難形成高質(zhì)量的c-BN氣相沉積膜。因此，目前尚未有研究嘗試將c-BN應(yīng)用于生物涂層，導(dǎo)致其在生物學(xué)領(lǐng)域上的潛力一直被忽略了。

日本九州大學(xué)Jason H. C. Yang和Kungen Teii等人通過(guò)使用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備了高質(zhì)量的、具有較高體外生物相容性的c-BN膜。當(dāng)在氫和氮等離子體中化學(xué)處理c-BN膜時(shí)，無(wú)論是否受到低能離子的影響，由于去除了末端c-BN表面的氟原子，使其表面自由能的極性部分顯著增加，導(dǎo)致c-BN膜變得超親水。在該超親水c-BN膜上，作者確認(rèn)了成骨細(xì)胞的成功增殖和分化，并且通過(guò)生物礦化形成了礦物質(zhì)沉積，其結(jié)果與對(duì)照樣品納米晶金剛石膜相當(dāng)。該研究表明，c-BN在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中作為無(wú)細(xì)胞毒性的超硬涂層材料具有很高的潛力。該研究以題為“BiocompatibleCubic Boron Nitride: A Noncytotoxic Ultrahard Material”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【膜的制備與表征】

作者將射頻ICP-CVD設(shè)備用于沉積多晶c-BN薄膜。沉積后，作者將膜放入到反應(yīng)器中，以通過(guò)各種氣體進(jìn)行表面處理。作者選擇了H2和N2以不影響原始的薄膜性能。圖1a，b中顯示了使用感應(yīng)耦合等離子體（ICP）和微波等離子體（MWP）進(jìn)行等離子體處理之前和之后的多晶c-BN薄膜的傅立葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線衍射（XRD）圖。FTIR和XRD圖譜表明，在任何條件下，通過(guò)等離子體處理，薄膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和相的變化都可以忽略不計(jì)。圖1c顯示了使用H2氣體進(jìn)行ICP處理之前和之后c-BN薄膜的原子力顯微鏡（AFM）圖像。結(jié)果表明該薄膜由c-BN島狀晶粒組成，為亞微米級(jí)至幾微米大小，其粗糙度分別約為193 nm和197 nm。由此可見(jiàn)，在任何條件下，通過(guò)等離子體處理，膜的形態(tài)和粗糙度也沒(méi)有顯示出明顯的變化。

圖1 膜的制備與表征

【潤(rùn)濕性和表面自由能】

圖2顯示了等離子處理前后c-BN膜上去離子水和1-溴萘滴的接觸角，及其在不同位置測(cè)得的值的分布。選用的兩種液體的極性和表面自由能差異很大。處理前，沉積的膜是疏水的，其水接觸角較高，大約50°。使用H2氣體（ICP‐H2）和N2氣體（ICP‐N2）的ICP處理以及使用N2氣體（MWP‐N2）的MWP處理導(dǎo)致兩種液體的接觸角急劇減小至幾乎為零度（遠(yuǎn)低于可觀察到的極限值≈2°），從而使薄膜具有超親水性。同時(shí)，使用H2氣體（MWP-H2）和O2氣體（MWP-O2）進(jìn)行的MWP處理顯示，水接觸角僅適度降低至26°和34°。薄膜的表觀表面自由能（γ=γd+γp）的色散（γd）和極性（γp）分量是通過(guò)歐文斯和溫特方法根據(jù)接觸角數(shù)據(jù)計(jì)算得出的。所有膜的γd值都保持在44 mJ m-2左右的較高水平，而γp的值從剛沉積膜的17 mJm-2顯著增加到超親水膜的34 mJ m-2。

圖2 膜的接觸角和表面自由能

【細(xì)胞毒性測(cè)試】

如圖3所示，作者將在未處理和經(jīng)等離子體處理的c-BN膜上培養(yǎng)未分化的小鼠成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）。通過(guò)激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）和免疫熒光顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài)。結(jié)果表明，在超親水c-BN膜上證實(shí)了非常成功的細(xì)胞增殖和分化以及生物礦化的礦物質(zhì)沉積物的形成。尤其是經(jīng)過(guò)氫等離子輻照處理的薄膜表面具有更高的生物相容性，細(xì)胞數(shù)最多的ICP-H2樣品的Zeta電位絕對(duì)值最高。盡管表面負(fù)電性的程度及其與鈣陽(yáng)離子吸引的相關(guān)性尚不確定，但結(jié)果表明成骨細(xì)胞可以在帶負(fù)電荷的c-BN薄膜表面上增殖，其生物相容性可能是得益于超親水c-BN膜的化學(xué)穩(wěn)定性和表面功能性。這種趨勢(shì)與該超親水c-BN薄膜具有出色生物相容性的結(jié)果基本一致。

圖3 膜的激光掃描共聚焦顯微鏡圖

總結(jié)：作者采用氫氣和氮?dú)獾幕瘜W(xué)等離子體處理法，使得高結(jié)晶的c-BN薄膜的表面潤(rùn)濕性得到了顯著提高。極性和非極性液體在經(jīng)過(guò)等離子體處理的c-BN薄膜上的接觸角都可以降低到幾乎為零。對(duì)于超親水性c-BN薄膜，通過(guò)XPS觀察到表面結(jié)合的氟原子明顯減少，并且通過(guò)接觸角的變化證實(shí)了表面自由能的極性部分顯著增加。體外細(xì)胞毒性測(cè)試結(jié)果表明成骨細(xì)胞的增殖和分化非常成功，并且通過(guò)生物礦化形成了含磷和鈣的礦床，成骨細(xì)胞可以成功地在帶負(fù)電荷的c-BN膜表面上增殖。由此可見(jiàn)，超親水性的c-BN薄膜有望作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的新型支架。