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• 镍钛形状记忆合金具有优越的形状记忆功能和超弹性，在形变状态下通过卸载给予牙齿特定的矫治力，是目前临床中最常用的口腔正畸材料之一^[1]。然而临床应用中发现，其在使用后期力学性能通常降低，影响了治疗效果。这主要由于镍钛形状记忆合金作为一种金属材料，在口腔环境中不可避免地发生了腐蚀现象^[2]。腐蚀不仅降低合金的强度，还会引起金属离子释放、局部色素沉淀等机体不良反应^[3~5]。近年来，研究者们致力于口腔合金材料表面改性技术的研究，通过在镍钛合金表面制备涂层，以提高其在口腔中的抗腐蚀性能^[6]。

  表面涂层法通常是最有效、最常用的金属防护方法，它是通过在金属表面覆盖一层保护膜，避免环境中的腐蚀介质与金属直接接触，以此来降低金属发生化学或电化学反应的机率。但传统涂层中相当一部分含有铬酸盐、铅和锌等重金属毒性物质，存在一定的环境污染风险和安全隐患，而且不利于社会和经济的可持续发展^[7~9]。

  石墨烯是具有单层片状结构的二维材料，具有优异的屏蔽性能且环境友好，能阻隔水分子、氧气和离子等腐蚀因素到达金属表面。此外，其具有优异的电学、热学和力学性能，被认为是最理想的防腐蚀涂层^[10~13]。

  本文通过化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)法在镍钛合金表面成功地原位生长出石墨烯薄膜，在人工唾液的环境下探究石墨烯对镍钛合金的腐蚀速率、细胞毒性和金属释放的影响。结果表明，石墨烯薄膜在金属基体和腐蚀介质之间可以起到物理屏蔽作用，可极大降低金属基体发生腐蚀的速率，对镍钛合金具有较强的保护能力。

  1   实验部分

  1.1   仪器与试剂

  采用Labram HR800拉曼光谱仪(法国Jobin Yvon公司)和PHI 5000 Versa Probe电子能谱测试仪(XPS，日本UIVAC-PHI公司)对所制备材料进行表面结构表征。采用JSM-6510扫描电镜(SEM，日本电气株式会社)对所制备材料的形貌进行表征。通过180-80电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP，日本Hitachi公司)测定人工唾液中合金组分的释放量。

  镍钛形状记忆合金购自有研亿金新材料股份有限公司，其他所用试剂均为市售分析纯级试剂。

  1.2   镍钛形状记忆合金预处理

  将0.5g镍钛形状记忆合金浸泡在蒸馏水稀释10倍的100mL王水溶液中，超声30min再静置1h；将镍钛合金取出，经蒸馏水清洗后放入100mL无水乙醇中，并超声30min；最后取出镍钛合金，再用蒸馏水清洗除去合金表面的残留物，备用。

  1.3   石墨烯改性镍钛形状记忆合金的制备

  石墨烯改性镍钛形状记忆合金的制备是基于常规的CVD法，并且以乙醇作为石墨烯生长的碳源。将预处理后的镍钛合金置于石英管中在氢气和氩气(H₂/Ar=40：200, cm³/min)的氛围下以10℃/min速率加热至1000℃并保持10min。通入乙醇10min后，在氢气和氩气气氛下使样品温度快速降至室温，最后将所得样品浸入3mol/L盐酸溶液中，除去表面杂质。以苯胺作为石墨烯生长的碳源和氮源，重复以上操作，得到氮掺杂石墨烯改性镍钛形状记忆合金。

  1.4   腐蚀速率测定

  1.5   人工唾液元素分析

  用ICP分析仪测定浸泡了一段时间镍钛合金的人工唾液中金属离子的浓度，分析浸泡试验后材料表面元素释放量。

  1.6   细胞毒性测试

  以浸泡合金材料的人工唾液为介质，研究其对细胞的毒性情况。MTT (四唑盐)比色法，是一种检测细胞存活和生长的方法。其检测原理为活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性MTT还原为水不溶性的蓝紫色结晶甲NFD66并沉积在细胞中，而死细胞无此功能。二甲基亚砜(DMSO)能溶解细胞中的甲NFD66，用酶联免疫检测仪测定其光吸收值，可间接反映活细胞数量。子宫癌细胞Hela (104 cells/150μL)首先在含有细胞培养基(DMEM)介质的保温箱(37℃，5% CO₂)中培养24h。然后将培养液换成100μL含有人工唾液的DMEM介质，再培养24h。之后将20μL 5mg/mL MTT溶液加入细胞培养液中，4h后用150μL DMSO替换MTT溶液并且室温震荡5min。在490nm处检测细胞培养液的吸光度(OD)，细胞活性(Cell viability)根据以下公式得到：

  Cell viability (%)=(OD_treated/OD_control)×100%

  其中，OD_treated代表含有浸泡改性前后材料的人工唾液的细胞培养液，OD_control代表不含浸泡改性前后材料的人工唾液的细胞培养液。

  1.4.1   人工唾液的配制

  取1000mL蒸馏水，加入1.3g KCl、0.1g NaCl、0.05g MgCl₂·6H₂O、0.1g CaCl₂·2H₂O、2.5×10^-5g NaF、0.027g KH₂PO₄、0.035g K₂HPO₄，并用H₃PO₄调整pH至1。

  1.4.2   腐蚀速率测定

  本试验采用浸泡试验测定腐蚀速率。将合金样品浸泡于人工唾液中，分析不同时间合金材料的质量减少情况。计算公式为v=M/(S·h)。其中，v为腐蚀速率(mg/(m²·d))，M为测试材料减少的质量(mg)，S为材料表面积(m²)，h为浸泡时间(d)。

  2   结果与讨论

  由SEM来观察修饰石墨烯前后镍钛合金的形貌。图 1A显示，未改性前合金的表面比较平滑，其上面没有附着任何物质；而由图 1B和1C可以很明显的看出，改性后合金的表面出现了片层的石墨烯结构，说明合金表面已经修饰上了石墨烯。从XPS结果(图 1D)来看，C1s、N1s和O1s的出现进一步说明了石墨烯和氮掺杂石墨烯已成功修饰到了合金表面。

  图 1  未改性镍钛合金(A)，石墨烯修饰镍钛合金(B)，氮掺杂石墨烯修饰镍钛合金(C)的SEM图和(D)改性后的镍钛合金的电子能谱图 Figure 1.  SEM images of unmodified Ni Ti alloy (A), graphene modified Ni Ti alloy (B), nitrogen doped graphene modified Ni Ti alloy (C); (D) XPS of modified Ni Ti alloy

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  将修饰在镍钛合金上的黑色粉末轻轻刮下，对其进行拉曼光谱测试。如图 2所示，所测样品在1585和1353 cm^-1均表现出较强的特征峰，分别表示为D峰(sp³缺陷碳特征峰)和G峰(sp²碳振动特征峰)。这也更进一步说明，CVD所制备的石墨烯已修饰到了镍钛合金表面。

  图 2  石墨烯和氮掺杂石墨烯的拉曼光谱图 Figure 2.  Raman spectra of graphene and nitrogen doped graphene

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  采用化学浸泡试验，对照分析石墨烯改性前后镍钛合金腐蚀速率的变化见表 1。未处理合金的腐蚀速率为0.99mg/(m²·d)，而酸处理合金的腐蚀速率为1.41mg/(m²·d)。石墨烯改性后其腐蚀速率降为0.44mg/(m²·d)，而氮掺杂石墨烯改性合金的腐蚀速率更是降低到0.41mg/(m²·d)。表明修饰石墨烯后使镍钛合金的腐蚀速率显著减慢。这主要是由于CVD法制备石墨烯片层过程中，石墨烯与镍钛合金结合比较紧密，镍钛金属与碳原子间的界面作用力较强，石墨烯在其表面具有较为稳定的结构。这使得石墨烯在金属基体和腐蚀介质之间起到了物理屏蔽作用，降低了金属基体发生腐蚀的速率。

  表 1  修饰石墨烯前后镍钛合金腐蚀速率 Table 1.  The corrosion rates of Ni Ti alloy before and after modified by graphene

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  样品	腐蚀速率/[mg/(m2·d)]
  未处理合金	0.99
  酸处理合金	1.41
  石墨烯修饰镍钛合金	0.44
  N掺杂石墨烯修饰镍钛合金	0.41

  采用ICP技术，分析人工唾液环境中镍钛合金的离子释放量，能够反映相同时间内腐蚀速率的不同，结果见表 2。由表 2可见，镍钛合金表面经过石墨烯修饰后，其在人工唾液中的离子浓度均呈下降趋势，说明改性后，各主要组成元素的离子释放速率减慢，即腐蚀速率下降。同时，经石墨烯修饰后，镍钛合金主要组成元素在浸泡试验中的释放速率减慢，即基体材料的腐蚀速率减慢。腐蚀速率能反映材料的耐蚀性能，腐蚀速率慢，说明材料的耐蚀性能强；反之，则材料的耐蚀性能差。因此，本实验结果表明，修饰石墨烯后能减缓镍钛合金的腐蚀速率，提高镍钛合金的耐蚀性能。此外，氮掺杂可以有效地调节石墨烯的电子结构，改变石墨烯表面物理化学性质，在弥补石墨烯表面缺陷的同时提高其稳定性，从而更近一步阻隔氧气、水分子等腐蚀因子到达石墨烯/金属基体界面。

  表 2  浸泡不同镍钛合金的人工唾液中含有镍钛离子浓度(mg/L) Table 2.  Nickel titanium ion concentration (mg/L) in artificial saliva soaking different nickel titanium alloys

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  离子	未处理合金	酸处理合金	石墨烯修饰镍钛合金	N掺杂石墨烯修饰镍钛合金
  Ni	0.28	0.30	0. 18	0.10
  Ti	0.13	0.16	0.10	0.08

  生物相容性是生物材料最重要的性能指标，是能否进入临床研究的关键环节。为了检测口腔合金材料的生物相容性，细胞毒性实验因其操作简便、快速，结果精确、客观等优点，常常是材料初选时的必测项目，MTT细胞毒性试验用于口腔合金材料能客观地反映出被测试材料对细胞的损害程度。本实验用人工唾液来模拟口腔环境，采用MTT实验方法对石墨烯修饰镍钛形状记忆合金进行细胞毒性实验，检测改性前后人工唾液对细胞的毒害性。从图 3可以观察到，浸泡过不同合金的人工唾液没有明显减弱细胞的活性，说明这些人工唾液均没有细胞毒害性。

  图 3  不同镍钛合金的细胞毒性测试结果 Figure 3.  Cell toxicity test results of different Ni Ti alloys

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  3   结论

  利用化学气相沉积法在镍钛形状记忆合金表面原位生长出石墨烯，石墨烯薄膜在金属基体和腐蚀介质之间产生屏蔽作用，减慢了合金基体发生腐蚀的速率(腐蚀速率从1.41mg/(m²·d)降低至0.41mg/(m²·d))，提升了镍钛合金的抗腐蚀能力。

• 1. [1]

     L G Machado, M A Savi. Braz. J. Med. Biol. Res., 2003, 36(6):683-691.

  2. [2]

     K Ide, M Hattori, M Yoshinari et al. Dent. Mater. J., 2003, 22(3):359-370. doi: 10.4012/dmj.22.359

  3. [3]

     A Wichelhaus, M Geserick, B Schmitz et al. J. Dent. Res., 2003, 82:B340.

  4. [4]

     H M Shim, K T Oh, J Y Woo et al. J. Biomed. Mater. Res. B, 2005, 73(2):252-259.

  5. [5]

     B Siargos, T G Bradley, M Darabara et al. Angle Orthod., 2007, 77(2):355-360. doi: 10.2319/0003-3219(2007)077[0355:GCOMIM]2.0.CO; 2

  6. [6]

     M Iijima, K End, T Yuasa et al. Angle Orthod., 2006, 76(4):705-711.

  7. [7]

     J Zhao, B Deng, M Lv et al. Adv. Healthc. Mater., 2013, 2(9):1259-1266. doi: 10.1002/adhm.201200437

  8. [8]

     N T Kirkland, T Schiller, N Medhekar et al. Corros. Sci., 2012, 56(3):1-4.

  9. [9]

     D Prasai, J C Tuberquia, R R Harl et al. ACS Nano, 2012, 6(2):1102-1108. doi: 10.1021/nn203507y

  10. [10]

      W Zhang, S Lee, K L Mcnear et al. Sci. Rep., 2014, 4:4097.

  11. [11]

      N W Pu, G N Shi, Y M Liu et al. J. Power Sources, 2015, 282:248-256. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.055

  12. [12]

      Z Zhang, W Zhang, D Li et al. Int. J. Mol. Sci., 2015, 16(1):2239-2251. doi: 10.3390/ijms16012239

  13. [13]

      W Sun, L Wang, T Wu et al. Chem. Mater., 2015, 27(7):2367-2373. doi: 10.1021/cm5043099

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  图 1  未改性镍钛合金(A)，石墨烯修饰镍钛合金(B)，氮掺杂石墨烯修饰镍钛合金(C)的SEM图和(D)改性后的镍钛合金的电子能谱图

  Figure 1  SEM images of unmodified Ni Ti alloy (A), graphene modified Ni Ti alloy (B), nitrogen doped graphene modified Ni Ti alloy (C); (D) XPS of modified Ni Ti alloy

  (a) N掺杂石墨烯修饰镍钛合金；(b)石墨烯修饰镍钛合金

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  图 2  石墨烯和氮掺杂石墨烯的拉曼光谱图

  Figure 2  Raman spectra of graphene and nitrogen doped graphene

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  图 3  不同镍钛合金的细胞毒性测试结果

  Figure 3  Cell toxicity test results of different Ni Ti alloys

  A：空白样；B：未处理合金；C：酸处理合金；D：石墨烯修饰镍钛合金；E：氮掺杂石墨烯修饰镍钛合金

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  表 1  修饰石墨烯前后镍钛合金腐蚀速率

  Table 1.  The corrosion rates of Ni Ti alloy before and after modified by graphene

  样品	腐蚀速率/[mg/(m2·d)]
  未处理合金	0.99
  酸处理合金	1.41
  石墨烯修饰镍钛合金	0.44
  N掺杂石墨烯修饰镍钛合金	0.41

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  表 2  浸泡不同镍钛合金的人工唾液中含有镍钛离子浓度(mg/L)

  Table 2.  Nickel titanium ion concentration (mg/L) in artificial saliva soaking different nickel titanium alloys

  离子	未处理合金	酸处理合金	石墨烯修饰镍钛合金	N掺杂石墨烯修饰镍钛合金
  Ni	0.28	0.30	0. 18	0.10
  Ti	0.13	0.16	0.10	0.08

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