立方氮化硼生物涂层首秀

来源：高分子科学前沿

在人口逐渐老龄化的社会中，人们对具有优异的材料-生物组织界面稳定性的医疗假体植入设备的需求不断增长。这些植入装置需要在生物环境中服役并保持其稳定性。由于腐蚀和磨损等原因，未镀膜的金属植入装置在长期使用中通常表现出较差的生物相容性，而当前通用的生物相容性涂层则很容易磨损且耐热性低，因此稳定性较差。

立方氮化硼（c-BN）具有闪锌矿晶体结构，是硬度仅次于金刚石的材料。与金刚石相比，c-BN的主要优点是其高化学惰性，即使在高温条件下也具有高抗氧化性。在过去的30年中，由于c-BN的超高硬度和大带隙能，其在机械和电子领域受到了很多的关注。然而，要想形成c-BN膜将不可避免地承受高能离子冲击，因此很难形成高质量的c-BN气相沉积膜。因此，目前尚未有研究尝试将c-BN应用于生物涂层，导致其在生物学领域上的潜力一直被忽略了。

日本九州大学Jason H. C. Yang和Kungen Teii等人通过使用等离子增强化学气相沉积法制备了高质量的、具有较高体外生物相容性的c-BN膜。当在氢和氮等离子体中化学处理c-BN膜时，无论是否受到低能离子的影响，由于去除了末端c-BN表面的氟原子，使其表面自由能的极性部分显着增加，导致c-BN膜变得超亲水。在该超亲水c-BN膜上，作者确认了成骨细胞的成功增殖和分化，并且通过生物矿化形成了矿物质沉积，其结果与对照样品纳米晶金刚石膜相当。该研究表明，c-BN在生物医学应用中作为无细胞毒性的超硬涂层材料具有很高的潜力。该研究以题为“BiocompatibleCubic Boron Nitride: A Noncytotoxic Ultrahard Material”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【膜的制备与表征】

作者将射频ICP-CVD设备用于沉积多晶c-BN薄膜。沉积后，作者将膜放入到反应器中，以通过各种气体进行表面处理。作者选择了H2和N2以不影响原始的薄膜性能。图1a，b中显示了使用感应耦合等离子体（ICP）和微波等离子体（MWP）进行等离子体处理之前和之后的多晶c-BN薄膜的傅立叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）图。FTIR和XRD图谱表明，在任何条件下，通过等离子体处理，薄膜的化学结构、结晶度和相的变化都可以忽略不计。图1c显示了使用H2气体进行ICP处理之前和之后c-BN薄膜的原子力显微镜（AFM）图像。结果表明该薄膜由c-BN岛状晶粒组成，为亚微米级至几微米大小，其粗糙度分别约为193 nm和197 nm。由此可见，在任何条件下，通过等离子体处理，膜的形态和粗糙度也没有显示出明显的变化。

图1 膜的制备与表征

【润湿性和表面自由能】

图2显示了等离子处理前后c-BN膜上去离子水和1-溴萘滴的接触角，及其在不同位置测得的值的分布。选用的两种液体的极性和表面自由能差异很大。处理前，沉积的膜是疏水的，其水接触角较高，大约50°。使用H2气体（ICP‐H2）和N2气体（ICP‐N2）的ICP处理以及使用N2气体（MWP‐N2）的MWP处理导致两种液体的接触角急剧减小至几乎为零度（远低于可观察到的极限值≈2°），从而使薄膜具有超亲水性。同时，使用H2气体（MWP-H2）和O2气体（MWP-O2）进行的MWP处理显示，水接触角仅适度降低至26°和34°。薄膜的表观表面自由能（γ=γd+γp）的色散（γd）和极性（γp）分量是通过欧文斯和温特方法根据接触角数据计算得出的。所有膜的γd值都保持在44 mJ m-2左右的较高水平，而γp的值从刚沉积膜的17 mJm-2显着增加到超亲水膜的34 mJ m-2。

图2 膜的接触角和表面自由能

【细胞毒性测试】

如图3所示，作者将在未处理和经等离子体处理的c-BN膜上培养未分化的小鼠成骨细胞（MC3T3-E1）。通过激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）和免疫荧光显微镜观察细胞形态。结果表明，在超亲水c-BN膜上证实了非常成功的细胞增殖和分化以及生物矿化的矿物质沉积物的形成。尤其是经过氢等离子辐照处理的薄膜表面具有更高的生物相容性，细胞数最多的ICP-H2样品的Zeta电位绝对值最高。尽管表面负电性的程度及其与钙阳离子吸引的相关性尚不确定，但结果表明成骨细胞可以在带负电荷的c-BN薄膜表面上增殖，其生物相容性可能是得益于超亲水c-BN膜的化学稳定性和表面功能性。这种趋势与该超亲水c-BN薄膜具有出色生物相容性的结果基本一致。

图3 膜的激光扫描共聚焦显微镜图

总结：作者采用氢气和氮气的化学等离子体处理法，使得高结晶的c-BN薄膜的表面润湿性得到了显着提高。极性和非极性液体在经过等离子体处理的c-BN薄膜上的接触角都可以降低到几乎为零。对于超亲水性c-BN薄膜，通过XPS观察到表面结合的氟原子明显减少，并且通过接触角的变化证实了表面自由能的极性部分显着增加。体外细胞毒性测试结果表明成骨细胞的增殖和分化非常成功，并且通过生物矿化形成了含磷和钙的矿床，成骨细胞可以成功地在带负电荷的c-BN膜表面上增殖。由此可见，超亲水性的c-BN薄膜有望作为生物医学应用的新型支架。