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

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

日本九州大學Jason H. C. Yang和Kungen Teii等人通過使用等離子增強化學氣相沉積法制備了高質量的、具有較高體外生物相容性的c-BN膜。當在氫和氮等離子體中化學處理c-BN膜時，無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，導致c-BN膜變得超親水。在該超親水c-BN膜上，作者確認了成骨細胞的成功增殖和分化，并且通過生物礦化形成了礦物質沉積，其結果與對照樣品納米晶金剛石膜相當。該研究表明，c-BN在生物醫學應用中作為無細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”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。

【膜的制備與表征】

作者將射頻ICP-CVD設備用于沉積多晶c-BN薄膜。沉積后，作者將膜放入到反應器中，以通過各種氣體進行表面處理。作者選擇了H2和N2以不影響原始的薄膜性能。圖1a，b中顯示了使用感應耦合等離子體（ICP）和微波等離子體（MWP）進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，通過等離子體處理，薄膜的化學結構、結晶度和相的變化都可以忽略不計。圖1c顯示了使用H2氣體進行ICP處理之前和之后c-BN薄膜的原子力顯微鏡（AFM）圖像。結果表明該薄膜由c-BN島狀晶粒組成，為亞微米級至幾微米大小，其粗糙度分別約為193 nm和197 nm。由此可見，在任何條件下，通過等離子體處理，膜的形態和粗糙度也沒有顯示出明顯的變化。

圖1 膜的制備與表征

【潤濕性和表面自由能】

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處理導致兩種液體的接觸角急劇減小至幾乎為零度（遠低于可觀察到的極限值≈2°），從而使薄膜具有超親水性。同時，使用H2氣體（MWP-H2）和O2氣體（MWP-O2）進行的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）分量是通過歐文斯和溫特方法根據接觸角數據計算得出的。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

【細胞毒性測試】

如圖3所示，作者將在未處理和經等離子體處理的c-BN膜上培養未分化的小鼠成骨細胞（MC3T3-E1）。通過激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）和免疫熒光顯微鏡觀察細胞形態。結果表明，在超親水c-BN膜上證實了非常成功的細胞增殖和分化以及生物礦化的礦物質沉積物的形成。尤其是經過氫等離子輻照處理的薄膜表面具有更高的生物相容性，細胞數最多的ICP-H2樣品的Zeta電位絕對值最高。盡管表面負電性的程度及其與鈣陽離子吸引的相關性尚不確定，但結果表明成骨細胞可以在帶負電荷的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膜的化學穩定性和表面功能性。這種趨勢與該超親水c-BN薄膜具有出色生物相容性的結果基本一致。

圖3 膜的激光掃描共聚焦顯微鏡圖

總結：作者采用氫氣和氮氣的化學等離子體處理法，使得高結晶的c-BN薄膜的表面潤濕性得到了顯著提高。極性和非極性液體在經過等離子體處理的c-BN薄膜上的接觸角都可以降低到幾乎為零。對于超親水性c-BN薄膜，通過XPS觀察到表面結合的氟原子明顯減少，并且通過接觸角的變化證實了表面自由能的極性部分顯著增加。體外細胞毒性測試結果表明成骨細胞的增殖和分化非常成功，并且通過生物礦化形成了含磷和鈣的礦床，成骨細胞可以成功地在帶負電荷的c-BN膜表面上增殖。由此可見，超親水性的c-BN薄膜有望作為生物醫學應用的新型支架。