【应用】齿科种植体的表面自由能测量

【应用】齿科种植体的表面自由能测量

关键词: 种植体，表面自由能，皮升液体弹射系统，任意液体

齿科种植体表面处理因其在优化种植体润湿行为方面的重要应用而受到越来越多的关注。研究表明，通过增加植入体的表面自由能，可以改善成骨细胞的初始附着，从而在植入后帮助增进新骨的生成。因此出现了各种表面处理方法，其中等离子处理被广泛应用于牙科实验室。表面自由能是验证种植体表面预处理或清洁过程是否成功的重要参数。此外，表面自由能的理论有助于评估植入物的润湿行为和粘附性能，以便进一步加工处理。然而，对测量区域非常小的样品（见图1）表面自由能测量存在很大的挑战，我们需要产生合适体积的小液滴，使其不会触及到被测表面的边缘之外。为了解决这个问题，德国德飞 dataphysics公司采用皮升液体弹射系统（PDDS），用于弹射超微小液滴（最小体积30皮升，液体种类不限），安装在OCA200全自动接触面角测量仪上，因该皮升弹射系统具备弹射任何液体的特点，很适合齿科种植体表面能的测量和分析。

图1，小液滴滴在两螺纹之间

技术和方法：

光学接触角测量仪OCA 200（图2）可实现微观和宏观样品的测量。配备高性能相机，即使是超微小高挥发性的液滴依然可以捕捉并完成测量。此外，软件准确控制的电动样品台能够高速高精度定位微观结构样品，从而实现快速自动化程序测量。尤其OCA200与皮升弹射系统PDDS相结合时（图3），可以实现更小的样品结构上的接触角测量和全自动分析，如冠状动脉支架的网状结构或单丝纤维表面测量（纤维直径最小3微米）。

图2，光学接触角测量仪OCA200，德国dataphysics仪器公司

使用OCA 200-PDDS产生足够小的单一小液滴，实现种植体螺纹间隙的接触角测量，如下图。

固体的表面自由能（SFE）是通过被测固体与至少两种不同的液体的接触角值计算得到的，这些液体的表面张力值包括它们的色散分量和极性分量已在软件中提供了标准的文献值，故是已知的。将液体色散分量和极性分量带入到合适的计算模型，即可求出固体和液体之间的界面张力σ_SL。我们熟知的Owens, Wendt, Rabel and Kaelble （OWRK-model）计算模型经常用于表面自由能计算，它考虑了液体表面张力σ_L和固体表面能σ_S的色散部分和极性部分的几何平均值（方程1）如下：

将该表达式代入Young方程，固体表面自由能的极性部分和色散部分可以从回归线中确定。

综上所述，全自动接触角测量仪OCA 200配置PDDS皮升弹射系统，采用WORK计算模型，对于微小固体表面如齿科种植体的表面自由能计算是一个非常理想的测量和计算方法。

实验：

在本文中，我们采用一个陶瓷种植体和两个金属种植体作为测量样本。将包装材料分别从种植体上取下，在此过程中尽量避免触碰样品，保持样品的原有表面信息，不做任何进一步清洁等处理，对其进行表面自由能分析。

    上述提到，表面自由能是通过至少两种已知张力等物理量的液体与固体样品的接触角值直接计算得到。DataPhysics 通常推荐几个常用液体，如：二碘甲烷，乙二醇，硫二甘醇和水作为表面自由能的标准测试液体。但在本实验中，由于使用PDDS皮升弹射单元，硫二甘醇的粘度太大，不易生成皮升小液滴。另外，表面自由能测量中，要求在任何情况下，确保所选的测试液不与被分析的固体材质表面发生化学反应是很重要的。因此，本实验选择了水和二碘甲烷作为测试液体。

被测样品被垂直方向固定在OCA 200-PDDS测量系统的样品台上（图3所示）。

图3, dataphysics公司PDDS皮升弹射系统

 为了确保微小液滴恰好落到被测区域而得到准确的接触角数值，需要PDDS弹射出小于种植体螺纹间隙的合适体积的小液滴，PDDS具有单一液滴自动连续弹射功能，每次在种植体的螺纹中间部位放置一个小液滴。为保证结果的准确性和重现性，每种测试液体都测量3个区域点。 使用dataphysics 公司专用SCA 21软件可自动拟合计算，得到三次测量的接触角（CA）平均值和固体表面自由能数值（SFE）。

 然后，使用Relyon Plasma公司的手持式 piezobrush®PZ3（陶瓷:标准模块，金属:近场模块）等离子体设备，温度小于50°C的低温大气压等离子体处理种植体表面。按照上述相同的方法测量处理后的种植体表面接触角和表面自由能。

实验结果：

 润湿性对各种表面处理后的评价都是非常重要的。为了深入了解种植体表面处理前后润湿性差异，本实验分别测量了水和二碘甲烷与种植体表面的接触角，并计算了种植体的表面自由能。从图4可以看出，处理后的种植体表面接触角值均低于未处理的种植体表面，说明处理后的种植体表面与测试液体的润湿性增加。

图4. 处理前后的种植体表面接触角

用图4的接触角值，根据OWRK （方程1）计算了所有种植体的表面自由能。如图5所示，处理前后表面自由能及其色散分量和极性分量结果。

图5. 处理前后的种植体表面表面自由能值，及其色散力和极性力的分量

与未处理表面相比，处理后种植体表面的自由能SFE和极性分量均增加，其中金属种植体1和陶瓷种植体表面自由能（SFE）增加明显。众所周知，更高的表面自由能意味着更强的极性分量和更清洁的表面。因此，等离子体处理后，可以去除很多肉眼不可见的非常细微的有机杂质，意味着种植体表面被激活，有利于对种植体进一步表面处理加工。

结论

Dataphysics公司光学接触角测量仪OCA 200与皮升弹射系统PDDS相结合，提供了一种简单快速并且可靠的方法测量类似齿科嵌入物等微小固体的表面自由能。

该技术拓展了微观结构样品表面自由能的测量方法，对改进或评价涂层、清洁、或粘接等工业处理具有重要意义。