一种在钛合金上制备Ag/ZnO/HA纳米复合涂层的方法与流程

本发明涉及材料科学与纳米材料技术领域，具体涉及一种通过激光熔覆技术在钛合金上制备具有持久抗菌性及良好生物相容性的ag/zno/ha纳米复合涂层的方法。

背景技术：

激光用于制备合金及涂层的技术是上世纪90年代兴起的一种技术手段。其优点在于能将熔点较高的不同种类的无机金属类物质牢固的结合在一起。经过近些年的发展，发展出包括激光脉冲沉积、激光熔覆等手段，其中，激光熔覆以其较为简单的操作及对原材料要求较低而颇受青睐。通过对激光仪器的电流，脉宽，频率等参数的设置，从而实现对涂层熔覆厚度，结合强度，涂层图案化较为精准的控制。由于激光配套设备能够实行编程运行，智能化的水平大大满足对材料快速，微观结构调控的力度。

由于中国逐步迈入人口老龄化的社会，老年人发生骨折的几率较大，社会对骨植入体材料的需求逐年攀升。而当前的许多植入体材料自身不具备抗菌及生物相容性，导致术后发生细菌感染，出现植入体排异反应的情况时有发生。二次植入不仅给病人带来经济上的负担，而且会对患者的身心造成更大的痛苦与折磨。同时，抗生素的大量使用会使人体感染的细菌出现耐药性，当人体只能依靠抗生素进行治疗的时候而没有有效的抗生素可用。因此，通过制备无机抗菌粒子已成为近些年的研究热点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明通过在钛合金上激光熔覆一种银/氧化锌/羟基磷灰石(ag/zno/ha)纳米复合涂层，使改进后的钛合金具有持久抗菌性及良好生物相容性；在制备ag/zno/ha纳米复合涂层过程中，本发明先运用化学还原法制备具优异抗菌性的纳米银颗粒，再利用激光熔覆技术制备牢固的ag/zno/ha纳米复合涂层，ag具有优异抗菌性，zno具有一定的抗菌性及成骨性，ha具有优异的生物相容性和成骨性，涂层中的每一组分发挥各自功能并起到协同杀菌及生物相容的效果。

本发明第一方面提供了一种在钛合金上制备ag/zno/ha纳米复合涂层的方法，步骤包括：

s1、将羟基磷灰石与溶于氨水中的agno3混合后，向体系中滴加n2h4使agno3中的银离子被还原成纳米银单质；

s2、向步骤s1所得溶液中加入氧化锌纳米颗粒，抽滤、研磨，然后配置为悬浮液，在抛光好的钛合金材料上滴加所述悬浮液，干燥后形成预制涂层样品；

s3、将步骤s2所得预制涂层样品置于激光熔覆平台上，在氩气氛围中进行激光熔覆。

本发明第二方面提供了采用上述在钛合金上制备ag/zno/ha纳米复合涂层的方法制备得到的产品。

本发明的有益效果是：

(1)利用激光熔覆技术可以简单快速的制备无机复合涂层；

(2)相比于一般的植入体只解决生物相容性的问题，ag/zno/ha涂层同时具有良好的抗菌，成骨，生物相容等综合性能；

(3)由于ag与zno具有较大差异的熔点，因此在激光熔覆后的银和锌的释放速率不同步，使涂层具有兼顾长短期的持久杀菌能力，而一般载药或其它手段都无法具有长期稳定的抗菌效果；

(4)相比于使用抗生素抗菌，激光熔覆的ag/zno/ha不会产生耐药性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中未结合涂层的激光熔覆的sem图。

图2为实施例2中经过激光熔覆ag/zno/ha纳米复合涂层的sem图。

图3为实施例3中涂层浸泡在sbf溶液中锌离子缓释曲线图。

图4为实施例3中涂层浸泡在sbf溶液中银离子缓释曲线图。

图5为实施例4中ag/zno/ha纳米复合涂层表面的大肠杆菌的sem图。

图6为实施例5中ag/zno/ha纳米复合涂层表面的金黄色葡萄球菌的sem图。

图7为实施例6中ag/zno/ha纳米复合涂层的碱性磷酸酶活性(alp)测试图。

具体实施方式

本发明提供了一种在钛合金上制备ag/zno/ha纳米复合涂层的方法，步骤包括：

s1、将羟基磷灰石与溶于氨水中的agno3混合后，向体系中滴加n2h4使agno3中的银离子被还原成纳米银单质；

s2、向步骤s1所得溶液中加入氧化锌纳米颗粒，抽滤、研磨，然后配置为悬浮液，在抛光好的钛合金材料上滴加所述悬浮液，干燥后形成预制涂层样品；

s3、将步骤s2所得预制涂层样品置于激光熔覆平台上，在氩气氛围中进行激光熔覆。

优选的，所述钛合金材料为ti6al4v。

纳米单质银颗粒具有优异的抗菌性能，它能通过诱导细菌细胞质产生活性氧，使细胞膜内外形成氧压力，从而使细菌细胞壁，细胞膜破裂凋亡，同时它能让细菌在分裂使损害其dna链，从而影响分裂来达到抗菌的效果。纳米zno颗粒与纳米单质银一样，具有同样的纳米尺寸效应，能够产生一定的活性氧抗菌，同时氧化锌中的锌离子是组织细胞生长所需的一种元素，能促进骨组织的生长恢复。ha是与自然骨成分特别接近的一种物质，它具有优异的生物活性，生物相容性，促进骨修复，诱导新骨生成的能力。钛合金有较多的类别，ti6al4v作为其中的一种，它具有较高的强度被广泛使用，并被大量用于医用植入体中。ti6al4v具有较高的熔点，能很好的作为熔覆有功能涂层的基底材料。涂层中的每一组分发挥各自功能并起到协同杀菌及生物相容的效果。

优选的，步骤s1中，将羟基磷灰石与去离子水混合、超声后搅拌，再与溶于氨水中的agno3混合。

优选的，步骤s1中，向体系中滴加n2h4至混合溶液由白色突变为咖啡色时，停止滴加n2h4，此时agno3中的银离子被还原成纳米银单质。通过颜色的明显变化来直观准确的判断agno3中银离子还原情况，更加方便有效，易于操作。

更加优选的，所述羟基磷灰石、agno3、氧化锌纳米颗粒的添加量为，以质量比计，使ag：zno：ha＝0～10：0～10：90。

使用化学方法将agno3溶液中的银离子还原成纳米银单质，纳米尺寸较小(20nm左右)，尺寸分布较均匀。相较于紫外还原，本发明的步骤s1中使用n2h4能将agno3溶液中的银离子全部还原，而紫外还原不能定量，不易检测还原的纳米银单质的质量，而且紫外还原需要添加成核剂，本发明采用的纳米银颗粒制备方法能得到具优异抗菌性的纳米银颗粒。

优选的，步骤s2中，配置为8～12mg/ml悬浮液。进一步的，所述滴加在ti6al4v基底上的悬浮液为50ul。

优选的，步骤s2中，所述抽滤步骤后用乙醇和去离子水各清洗至少三次，清洗完毕后再次抽滤并于55～65℃下干燥0.8～1.2h，然后进行研磨。

更加优选的，所述抽滤采用0.22um的微孔滤膜。

优选的，在本发明的一个实施例中，步骤s3中，激光熔覆过程使用的是型号为jhm-1gy-300b的激光器，所述激光熔覆条件参数为电流i＝50～300a，脉宽w＝1～100ms,频率f＝10～50hz，光束直径d＝0.1～1mm，运行速率v＝1～20mm/s。

通过对ti6al4v上的ag/zno/ha预置涂层在特定条件下进行激光熔覆，使ag/zno/ha纳米复合涂层牢固的与基底结合。由于氧化锌的熔点有1975℃，远高于纳米银单质961.78℃的熔点，熔覆时形成的涂层中，纳米银单质较多的分布在涂层的底部并与基底过度结合，氧化锌的大多分布在涂层表面。元素在涂层中的这种分布及结合方式使其释放速率及时间段不同，将材料植入到体内后，前期主要依靠锌元素的释放来抗菌，而植入后期，银元素起着主要的抗菌作用。一般的植入体感染会发生在术后三个月内，激光熔覆的ag/zno/ha纳米复合涂层有效的解决了持续抗菌的长久性问题。

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

本实施例直接对钛合金进行了激光熔覆处理，步骤包括：

(1)步骤一：将ti6al4v用240目的砂纸进行抛光打磨，使ti6al4v得一面呈现镜面状。接着用乙醇清洗超声3遍，然后再用去离子水进行清洗并干燥。

(2)步骤二：激光熔覆过程使用的是型号为jhm-1gy-300b的激光器。打开激光二维平台设置熔覆参数，将电流设置为i＝100a，脉宽w＝2ms,频率f＝20hz，光束直径d＝0.6mm，运行速率v＝5mm/s.将样品放置于激光熔覆平台上，通过程序调节平台x轴和y轴，使样品处于激光发射器的起点。打开氩气瓶使样品处于氩气氛围中，分别开启控制平台上的“驱动”，“程控”，“程序”系统进行激光熔覆。

对上述方法得到的产品进行扫描电镜检测，得到的sem图如图1所示，检测结果表明：无涂层的ti6al4v样经激光处理后形成较明显的熔池峰状，这是基底表面被高能量快速熔化冷却的效果。

实施例2

本实施例提供了一种在钛合金上制备ag/zno/ha纳米复合涂层的方法，步骤包括：

(1)步骤一：称取135mg羟基磷灰石(ha)放入装有10ml去离子水的烧杯，超声30min后进行磁力搅拌。称取11.81mg硝酸银晶体(agno3)放入另一烧杯中，并加入10ml氨水将其溶解，待agno3完全溶解于氨水后将溶液缓慢倒入装有ha溶液的烧杯中，继续搅拌。随后往搅拌的混合溶液里缓慢滴加水合肼(n2h4),直到混合溶液由白色突变为咖啡色时，停止滴加n2h4，此时agno3中的银离子被还原成纳米银单质。

(2)步骤二：在上述咖啡色溶液中加入7.5mg氧化锌纳米颗粒(zno)，用有机滤膜进行抽滤，并用乙醇和去离子水各清洗3遍。抽滤完成后放入60℃干燥箱中干燥1h，随后用研钵研磨，配成10mg/ml的悬浮液，在抛光好的ti6al4v上滴加50ul悬浮液，放入60℃干燥箱中干燥1h形成预制涂层。

(3)步骤三：激光熔覆过程使用的是型号为jhm-1gy-300b的激光器。打开激光二维平台设置熔覆参数，将电流设置为i＝100a，脉宽w＝2ms,频率f＝20hz，光束直径d＝0.6mm，运行速率v＝5mm/s.将样品放置于激光熔覆平台上，通过程序调节平台x轴和y轴，使样品处于激光发射器的起点。打开氩气瓶使样品处于氩气氛围中，分别开启控制平台上的“驱动”，“程控”，“程序”系统进行激光熔覆。

对上述方法得到的产品进行扫描电镜检测，得到的sem图如图2所示，检测结果表明：ag/zno/ha比例为(7:3:90)的涂层样经过激光熔覆处理后，表面形成微纳米级球状结构，涂层这种粗糙度会改变物质的亲疏水性质，细菌细胞粘附情况。大的比表面积会使细菌更充分接触到抗菌纳米物质。

实施例3

本实施例提供了一种在钛合金上制备ag/zno/ha纳米复合涂层的方法，并对该方法得到的带有涂层的钛合金进行了锌离子和银离子的释放浓度的测试，具体步骤包括：

(1)步骤一：称取羟基磷灰石(ha)放入装有10ml去离子水的烧杯，超声30min后进行磁力搅拌。称取硝酸银晶体(agno3)放入另一烧杯中，并加入10ml氨水将其溶解，待agno3完全溶解于氨水后将溶液缓慢倒入装有ha溶液的烧杯中，继续搅拌。随后往搅拌的混合溶液里缓慢滴加水合肼(n2h4),直到混合溶液由白色突变为咖啡色时，停止滴加n2h4，此时agno3中的银离子被还原成纳米银单质。

(2)步骤二：在上述咖啡色溶液中加入氧化锌纳米颗粒(zno)，用有机滤膜进行抽滤，并用乙醇和去离子水各清洗3遍。抽滤完成后放入60℃干燥箱中干燥1h，随后用研钵研磨，配成10mg/ml的悬浮液，在抛光好的ti6al4v上滴加50ul悬浮液，放入60℃干燥箱中干燥1h形成预制涂层。

(3)步骤三：激光熔覆过程使用的是型号为jhm-1gy-300b的激光器。打开激光二维平台设置熔覆参数，将电流设置为i＝100a，脉宽w＝2ms,频率f＝20hz，光束直径d＝0.6mm，运行速率v＝5mm/s.将样品放置于激光熔覆平台上，通过程序调节平台x轴和y轴，使样品处于激光发射器的起点。打开氩气瓶使样品处于氩气氛围中，分别开启控制平台上的“驱动”，“程控”，“程序”系统进行激光熔覆。

采用上述方法，调整ag/zno/ha比例制备多组带有不同配比涂层的钛合金，具体的，ag/zno/ha比例包括如下几组，以质量比计：0:10:90、3:7:90、5:5:90、7:3:90、10:0:90。

(4)将制好的上述配比的涂层放入装有30mlsbf的缓释瓶中进行缓释，分别在1,4,7,14,21d时进行取样，每次取3ml的同时补充3ml的sbf溶液，通过原子吸收分光光度计测试锌离子和银离子的释放浓度，进行计算后绘制成缓释图，分别如图3、图4所示。

检测结果表明：通过原子吸收分光光度计测试发现，样品涂层中zn²⁺的释放在前四天很快，后面释放速率较缓慢，释放量也较少，这是由于zno熔点极高，导热系数低，激光熔覆过程中与基底及涂层中其它组分的结合不如ag牢固，这时的抗菌zn²⁺起着主要作用。通过ag⁺释放曲线可知，1,4,7,14,21d中ag⁺持续释放，能起到持久的抗菌作用。这是因为ag的熔点较低，导热系数高，进行激光熔覆时最先熔融与基底和其它组分过度结合。

实施例4

本实施例提供了一种在钛合金上制备ag/zno/ha纳米复合涂层的方法，并将该方法得到的带有涂层的钛合金与大肠杆菌作用培养，具体步骤包括：

(1)步骤一：称取135mg羟基磷灰石(ha)放入装有10ml去离子水的烧杯，超声30min后进行磁力搅拌。称取11.81mg硝酸银晶体(agno3)放入另一烧杯中，并加入10ml氨水将其溶解，待agno3完全溶解于氨水后将溶液缓慢倒入装有ha溶液的烧杯中，继续搅拌。随后往搅拌的混合溶液里缓慢滴加水合肼(n2h4),直到混合溶液由白色突变为咖啡色时，停止滴加n2h4，此时agno3中的银离子被还原成纳米银单质。

(2)步骤二：在上述咖啡色溶液中加入7.5mg氧化锌纳米颗粒(zno)，用有机滤膜进行抽滤，并用乙醇和去离子水各清洗3遍。抽滤完成后放入60℃干燥箱中干燥1h，随后用研钵研磨，配成10mg/ml的悬浮液，在抛光好的ti6al4v上滴加50ul悬浮液，放入60℃干燥箱中干燥1h形成预制涂层。

(3)步骤三：激光熔覆过程使用的是型号为jhm-1gy-300b的激光器。打开激光二维平台设置熔覆参数，将电流设置为i＝100a，脉宽w＝2ms,频率f＝20hz，光束直径d＝0.6mm，运行速率v＝5mm/s.将样品放置于激光熔覆平台上，通过程序调节平台x轴和y轴，使样品处于激光发射器的起点。打开氩气瓶使样品处于氩气氛围中，分别开启控制平台上的“驱动”，“程控”，“程序”系统进行激光熔覆。

(4)将步骤(3)所得样品放入48孔板中，往孔中加入400ul浓度为10⁷cfu/ml的大肠杆菌菌液使其没过样品表面，紧接着将孔板放在培养箱里培养12h。将培养后的ti6al4v样上的细菌进行固定脱水，干燥之后在扫描电子显微镜下观察细菌的形貌，如附图5所示。

检测结果表明：大肠杆菌细胞壁皱缩破损较为严重，证明涂层对大肠杆菌的杀菌机理是作用于细胞壁使其凋亡。

实施例5

本实施例提供了一种在钛合金上制备ag/zno/ha纳米复合涂层的方法，并将该方法得到的带有涂层的钛合金与金黄色葡萄球菌作用培养，具体步骤包括：

(1)步骤一：称取135mg羟基磷灰石(ha)放入装有10ml去离子水的烧杯，超声30min后进行磁力搅拌。称取11.81mg硝酸银晶体(agno3)放入另一烧杯中，并加入10ml氨水将其溶解，待agno3完全溶解于氨水后将溶液缓慢倒入装有ha溶液的烧杯中，继续搅拌。随后往搅拌的混合溶液里缓慢滴加水合肼(n2h4),直到混合溶液由白色突变为咖啡色时，停止滴加n2h4，此时agno3中的银离子被还原成纳米银单质。

(2)步骤二：在上述咖啡色溶液中加入7.5mg氧化锌纳米颗粒(zno)，用有机滤膜进行抽滤，并用乙醇和去离子水各清洗3遍。抽滤完成后放入60℃干燥箱中干燥1h，随后用研钵研磨，配成10mg/ml的悬浮液，在抛光好的ti6al4v上滴加50ul悬浮液，放入60℃干燥箱中干燥1h形成预制涂层。

(3)步骤三：激光熔覆过程使用的是型号为jhm-1gy-300b的激光器。打开激光二维平台设置熔覆参数，将电流设置为i＝100a，脉宽w＝2ms,频率f＝20hz，光束直径d＝0.6mm，运行速率v＝5mm/s.将样品放置于激光熔覆平台上，通过程序调节平台x轴和y轴，使样品处于激光发射器的起点。打开氩气瓶使样品处于氩气氛围中，分别开启控制平台上的“驱动”，“程控”，“程序”系统进行激光熔覆。

(4)将步骤(3)所得样品放入48孔板中，往孔中加入400ul浓度为10⁷cfu/ml的金黄色葡萄球菌菌液使其没过样品表面，紧接着将孔板放在培养箱里培养12h。将培养后的ti6al4v样上的细菌进行固定脱水，干燥之后在扫描电子显微镜下观察细菌的形貌，如附图6所示。

检测结果表明：金黄色葡萄球菌部分细胞壁发生破损，细胞质流出，说明涂层对金黄色葡萄球菌的杀菌机理是作用于细胞壁使其凋亡。但由于金黄色葡萄球菌细胞壁较厚，并不能让所有的细菌细胞壁破裂。

实施例6

本实施例提供了一种在钛合金上制备ag/zno/ha纳米复合涂层的方法，并将该方法得到的带有涂层的钛合金进行碱性磷酸酶活性(alp)测试，具体步骤包括：

(1)步骤一：称取羟基磷灰石(ha)放入装有10ml去离子水的烧杯，超声30min后进行磁力搅拌。称取硝酸银晶体(agno3)放入另一烧杯中，并加入10ml氨水将其溶解，待agno3完全溶解于氨水后将溶液缓慢倒入装有ha溶液的烧杯中，继续搅拌。随后往搅拌的混合溶液里缓慢滴加水合肼(n2h4),直到混合溶液由白色突变为咖啡色时，停止滴加n2h4，此时agno3中的银离子被还原成纳米银单质。

(2)步骤二：在上述咖啡色溶液中加入氧化锌纳米颗粒(zno)，用有机滤膜进行抽滤，并用乙醇和去离子水各清洗3遍。抽滤完成后放入60℃干燥箱中干燥1h，随后用研钵研磨，配成10mg/ml的悬浮液，在抛光好的ti6al4v上滴加50ul悬浮液，放入60℃干燥箱中干燥1h形成预制涂层。

(3)步骤三：激光熔覆过程使用的是型号为jhm-1gy-300b的激光器。打开激光二维平台设置熔覆参数，将电流设置为i＝100a，脉宽w＝2ms,频率f＝20hz，光束直径d＝0.6mm，运行速率v＝5mm/s.将样品放置于激光熔覆平台上，通过程序调节平台x轴和y轴，使样品处于激光发射器的起点。打开氩气瓶使样品处于氩气氛围中，分别开启控制平台上的“驱动”，“程控”，“程序”系统进行激光熔覆。

采用上述方法，调整ag/zno/ha比例制备多组带有不同配比涂层的钛合金，具体的，ag/zno/ha比例包括如下几组，以质量比计：0:10:90、3:7:90、5:5:90、7:3:90、10:0:90。

(4)将制好的上述配比的涂层样品放入96孔板中，用150ul浓度为10⁵cell/ml的mc3t3e1细胞加入到孔板中培养3,7,14d，用akp试剂盒检测样品上细胞的碱性磷酸酶活性，检测结果如附图7所示。

检测结果表明：带有涂层样的mc3t3e1细胞碱性磷酸酶活性在3,7d时是逐渐升高，尤其是ag/zno/ha比例为(7:3:90)的样在7d升为最高，在14d时涂层样alp值都有所下降。说明前期有利于细胞增殖，后期开始分化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。