一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法与流程

本发明属于生物医用金属表面改性技术领域，具体涉及一种酸洗预处理并结合感应加热技术在钛合金表面制备双重粗糙度的微、纳米尺度生物活性氧化膜的方法。

背景技术：

由于钛及其合金具有优异的力学性能和生物相容性，因此被广泛应用于承载的整形外科、骨科和牙科等医学临床领域。但钛及其合金骨诱导能力差，表现为生物惰性。因此，需要对其进行表面改性以提高其生物活性、骨诱导性和耐蚀性等，更好的应用于医用植入体领域。目前应用于医学领域的钛及其合金表面改性的方法中，根据其形成机理大致可分为机械法、化学法、物理法。其中表面氧化法是比较常用的表面改性方法，如化学氧化法、阳极氧化法(AO)、微弧氧化法(MAO)和热氧化法等，能够在钛及钛合金表面制备具有一定形貌和性能的二氧化钛氧化膜。由于二氧化钛(锐钛矿和金红石相)与羟基磷灰石在晶体结构上非常像似，因此TiO₂能够很好的诱导磷灰石在其表面沉积，另外还具有良好的耐腐蚀性和血液相容性，在人体环境中稳定性较好且具有良好的生物活性。在钛及其合金表面制备具有生物活性的二氧化钛膜层已成为目前改善钛及钛合金表面生物活性最理想的方法之一。

生物金属材料(如钛及钛合金)的表面纳米化技术是一种新兴的并且非常有效的表面改性方法。纳米技术的不断发展也促使了对纳米材料独特性质的探索，与传统的材料相比纳米材料具有增强了的磁性、催化、光学、电气和机械性能。近年来，研究人员已经在探索纳米材料在生物医学领域的广泛应用表现出了更大的兴趣。文献TiO₂nanotubes,nanochannels and mesosponge:Self-organized formation and applications(Nano Today,8(2013),235-264)全面地阐述了TiO₂纳米管、纳米通道以及微观海绵体的特殊性质、形成机理和不同的应用领域，特别是在生物医学领域的应用。这种TiO₂纳米管的尺寸对植入体和人体体液、细胞和组织的反应都有非常显著的影响。并且清楚地说明了TiO₂纳米管的尺寸大约为15nm时能够显著地增加人体间充质干细胞在其表面的附着、增殖和分化，但其尺寸达到大约100纳米时可以引起细胞的程序性死亡。因此，如何快速有效地得到可控的纳米尺寸形貌的TiO₂氧化膜层是今后研究的重点。

目前应用于医学领域对钛及其合金的表面处理方法中都各自具有局限性，比如溶胶-凝胶、电沉积等技术制备的膜层与基体的结合力有待进一步提高。感应加热技术本身是一种高效、绿色的快速氧化方法，但是感应加热技术在钛合金表面制备的氧化层的氧化颗粒数量无法增加，无法进一步增加羟基磷灰石(HA)在钛合金表面沉积的形核位置，从而减低了钛合金植入体内的生物活性和相位相容性。

技术实现要素：

为克服上述不足，本发明提供了一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，该方法酸洗预处理能够在钛合金基体上形成具有腐蚀坑的比较粗糙的表面，接下来的感应加热氧化过程又在酸洗后的表面上生成了细小的TiO₂氧化颗粒，进而在微区上形成了更小粗糙度的表面，使得本发明制备的氧化层表面具有阶梯性的粗糙度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种钛合金表面的微纳尺度生物活性氧化膜，所述氧化膜为在基体上生长的TiO₂纳米颗粒层，且所述TiO₂纳米颗粒层附着若干TiO₂微米颗粒，所述TiO₂微米颗粒由若干TiO₂纳米颗粒堆积形成。

本发明的微纳尺度生物活性氧化膜不仅具有纳米结构的TiO₂颗粒，还具有微米结构的TiO₂颗粒，使氧化膜表面具有阶梯性的粗糙度，这样具有双重粗糙度的表面形貌和化学成分为羟基磷灰石(HA)在其表面沉积提供了更多的形核位置，有利于在其表面快速地生成生物活性陶瓷层(HA层)，提高钛合金植入体的生物活性和生物相容性。另外，这种具有阶梯粗糙度的表面更有利于植入体植入人体后不同种类的细胞在其表面附着、生长和分化，使得植入体植入人体后能够与周围组织更快更好的愈合，提高组织相容性。

一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，包括钛合金酸洗处理及感应加热氧化处理；

所述钛合金酸洗处理为，将钛合金浸入至盐酸和氢氟酸的混合酸溶液中浸泡85-95s，所述盐酸和氢氟酸的体积比为1:0.95-1.05，所述盐酸质量分数为36-38％，所述氢氟酸的质量分数为39-41％；

所述感应加热氧化处理为，将酸洗处理后的钛合金超音频感应加热20～35s。

所述超音频感应加热是利用其发出高周波的大电流流向被绕制成环形状态或需要的形状的加热感应线圈，高周波感应通常是用紫铜空心管制作而成。由高周波感应线圈内产生极性瞬间变化的强大磁束，将需要热处理的金属放置在高频线圈内，磁束就会贯通整个被加热的金属物体。在感应加热物体的内部与感应加热电流相反的方向，产生相对应的强大涡电流。因为感应加热的金属内存在电阻，因此产生强的焦耳热能，使感应加热物体物体温度迅速上升，从而达到热处理的目的。

优选的，所述钛合金酸洗处理的浸泡时间为90s。

优选的，所述钛合金酸洗处理在浸泡后需进行超声清洗。

本发明所述的超声清洗指的是超声波清洗，是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。

进一步优选的，所述超声清洗为先在蒸馏水中超声清洗，然后在酒精中超声清洗。

更进一步优选的，在蒸馏水中清洗及在酒精中清洗的清洗时间均为10-20min。

进一步优选的，所述钛合金酸洗处理在浸泡、超声清洗后需进行干燥。

更进一步优选的，所述浸泡、超声清洗后的干燥条件为35℃温度下干燥6h。

优选的，所述盐酸和氢氟酸的体积比为1:1。

优选的，所述盐酸中HCl的质量分数为37％。

优选的，所述氢氟酸中HF的质量分数为40％。

优选的，所述钛合金酸洗处理之前还包括钛合金预处理。

进一步优选的，所述钛合金预处理的步骤为：依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h。

优选的，所述超音频感应加热的功率为60kW。

优选的，超音频感应加热之后需进行冷却、洗涤、干燥。

进一步优选的，超音频感应加热之后冷却至室温。

本发明所述的室温为进行超音频感应加热的仪器所处的环境的温度，一般指25±5℃。

进一步优选的，超音频感应加热之后的洗涤为超声清洗。

更进一步优选的，超音频感应加热之后的超声清洗的步骤为先经去离子水超声清洗4-6min，再经酒精超声清洗4-6min。

进一步优选的，超音频感应加热之后的干燥条件为40±3℃温度下干燥24-25h。

优选的，其步骤为：

(1)依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h；

(2)将步骤(1)烘干后的钛合金试样浸入100mL的混合酸液中，其中所用盐酸中HCl的质量分数为37％，所用氢氟酸中HF的质量分数为40％，所述混合酸液为氢氟酸与盐酸的体积比为1:1的混合液；经不断搅拌浸泡90s后取出经蒸馏水、酒精各超声清洗15min，最后在35℃温度下干燥6h；

(3)将步骤(2)酸洗预处理后的钛合金试样置于额定功率为60kW的超音频感应加热设备的感应线圈中，并在感应线圈两侧加铁氧体导磁体；待加热20～35s后，在缓慢冷却至室温；最后经去离子水和酒精超声清洗5min，40℃温度下干燥24h。

本发明中所述的酒精为体积分数大于等于95％的乙醇。

一种上述方法制备的微纳尺度生物活性氧化膜。

一种上述微纳尺度生物活性氧化膜在整形外科、骨科和牙科中的应用。

本发明制备双重粗糙度微纳尺寸TiO₂生物活性氧化膜的工艺可作为一种新的医用钛合金表面改性技术，其主要用途是承受载荷的整形外科、骨科和牙科等医学临床领域，可显著提高植入体的生物活性、生物相容性和骨整合能力。

本发明包含以下有益效果：

1.本发明通过特定的酸进行酸洗预处理，在钛合金基体上形成具有腐蚀坑的比较粗糙的表面，然后通过特定时间的感应加热氧化过程又在酸洗后的表面上生成了细小的TiO₂氧化颗粒，进而在微区上形成了更小粗糙度的表面，使得本发明制备的氧化模表面具有阶梯性的粗糙度，从而制备了具有微纳尺度生物活性氧化膜。

2.本发明使用酸洗预处理方法，工艺简单易操作，能够快速清除试样表面的污染物和不均匀氧化层，并能预先在钛合金表面制备出具有一定生物活性的粗糙表面。

3.本发明使用的感应加热技术具有高效、环保、节能和快速氧化的特点，是一种简便易操作的医用钛合金表面改性方法。

4.本发明能够在钛合金表面制备一层具有双重粗糙度的TiO₂的微、纳米尺度晶粒，进而能够形成具有均匀结构、表面形貌和化学成分的氧化膜层。

5.本发明制得的具有特殊形貌的氧化膜层浸泡在1.5倍模拟体液(1.5×SBF)中，氧化膜层表面沉积了大量的羟基磷灰石，表明该氧化膜层具有良好的生物活性。

6.本发明制备的双重粗糙度的微、纳米结构TiO₂氧化膜经体外细胞(MG63)培养24h之后可以明显观察到有伪足生成，细胞在钛合金表面能够很好地附着，表明制得的TiO₂氧化膜有很好的细胞反应能力。

附图说明

图1为参照本发明实施例一制备的双重粗糙度的微、纳米尺度TiO₂氧化膜的XRD曲线；

图2为参照本发明实施例一制备的双重粗糙度的微、纳米尺寸TiO₂氧化膜的表面相貌SEM图，其中，图2b为图2a方框中的放大图；

图3为参照本发明实施例一制备的TiO₂氧化膜浸泡在1.5×SBF中14天后表面沉积羟基磷灰石的SEM图；

图4为参照本发明实施例一制备的TiO₂氧化膜经人成骨肉瘤细胞(MG63)培养24h后细胞附着情况的SEM图；

XRD曲线：对氧化膜进行X射线衍射表征后获得的曲线图。

SEM图：对氧化膜进行扫描电子显微镜表征后得到的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，其步骤如下：

1.钛合金(Ti6Al4V)试样依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h；

2.将步骤1干燥后的试样浸入到氢氟酸与盐酸的体积比为1:1的100mL酸液中，其中所用盐酸中HCl的质量分数为37％，所用氢氟酸中HF的质量分数为40％，经不断搅拌浸泡90s后取出经蒸馏水、酒精各超声清洗15min，最后在35℃温度下干燥6h；

3.将步骤2干燥后的试样放置在额定功率为60kW的超音频感应加热设备中，加热30s后缓慢冷却至室温，最后经去离子水和酒精超声清洗5min，40℃温度下干燥24h，即在钛合金表面获得微纳尺度生物活性氧化膜。

对钛合金表面获得的微纳尺度生物活性氧化膜进行X射线衍射表征和扫描电子显微镜表征后的结果如图1-2所示，结果表明在氧化膜为在钛合金表面上生长的TiO₂纳米颗粒层，且TiO₂纳米颗粒层附着若干TiO₂微米颗粒，同时TiO₂微米颗粒由若干TiO₂纳米颗粒堆积形成。

为验证上述制备的氧化膜的生物活性，将感应加热30s后的Ti6Al4V试样经杀菌、消毒后在1.5×SBF中浸泡后取出用去离子水和酒精冲洗并在40℃干燥48h。经检测、分析发现感应加热后的试样表面沉积有大量的羟基磷灰石，如图3所示，表明有良好的生物活性。

为验证上述制备的TiO₂氧化膜的细胞反应能力，将感应加热30s后的钛合金试样经杀菌、消毒后进行体外细胞(MG63)培养实验。培养24h后，如图4所示，可以明显观察到有伪足生成，细胞在钛合金表面能够很好地附着，表明制得的双重粗糙度TiO₂氧化膜具有很好的细胞反应能力。

实施例2

一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，其步骤如下：

1.钛合金(Ti6Al4V)试样依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h；

2.将步骤1干燥后的试样浸入到氢氟酸与盐酸的体积比为1:1的100mL酸液中，其中所用盐酸中HCl的质量分数为37％，所用氢氟酸中HF的质量分数为40％，经不断搅拌浸泡90s后取出经蒸馏水、酒精各超声清洗15min，最后在35℃温度下干燥6h；

3.将步骤2干燥后的试样放置在额定功率为60kW的超音频感应加热设备中，加热20s后缓慢冷却至室温，最后经去离子水和酒精超声清洗5min，40℃温度下干燥24h，即在钛合金表面获得微纳尺度生物活性氧化膜。

实施例3

一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，其步骤如下：

1.钛合金(Ti6Al4V)试样依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h；

2.将步骤1干燥后的试样浸入到氢氟酸与盐酸的体积比为1:1的100mL酸液中，其中所用盐酸中HCl的质量分数为37％，所用氢氟酸中HF的质量分数为40％，经不断搅拌浸泡90s后取出经蒸馏水、酒精各超声清洗15min，最后在35℃温度下干燥6h；

3.将步骤2干燥后的试样放置在额定功率为60kW的超音频感应加热设备中，加热25s后缓慢冷却至室温，最后经去离子水和酒精超声清洗5min，40℃温度下干燥24h，即在钛合金表面获得微纳尺度生物活性氧化膜。

实施例4

一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，其步骤如下：

1.钛合金(Ti6Al4V)试样依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h；

2.将步骤1干燥后的试样浸入到氢氟酸与盐酸的体积比为1:1的100mL酸液中，其中所用盐酸中HCl的质量分数为37％，所用氢氟酸中HF的质量分数为40％，经不断搅拌浸泡90s后取出经蒸馏水、酒精各超声清洗15min，最后在35℃温度下干燥6h；

3.将步骤2干燥后的试样放置在额定功率为60kW的超音频感应加热设备中，加热35s后缓慢冷却至室温，最后经去离子水和酒精超声清洗5min，40℃温度下干燥24h，即在钛合金表面获得微纳尺度生物活性氧化膜。

实施例2-4进行如实施例1的表征结果与实施例1的表征结果一致。

实施例5

一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，其步骤如下：

1.钛合金(Ti6Al4V)试样依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h；

2.将步骤1干燥后的试样浸入到氢氟酸与盐酸的体积比为1:1的100mL酸液中，其中所用盐酸中HCl的质量分数为37％，所用氢氟酸中HF的质量分数为40％，经不断搅拌浸泡90s后取出经蒸馏水、酒精各超声清洗15min，最后在35℃温度下干燥6h；

3.将步骤2干燥后的试样放置在额定功率为60kW的超音频感应加热设备中，加热40s后缓慢冷却至室温，最后经去离子水和酒精超声清洗5min，40℃温度下干燥24h，即在钛合金表面获得微纳尺度生物活性氧化膜。

实施例6

一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，其步骤如下：

1.钛合金(Ti6Al4V)试样依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h；

2.将步骤1干燥后的试样浸入到氢氟酸、盐酸与水的体积比为1:1:10的100mL酸液中，其中所用盐酸中HCl的质量分数为37％，所用氢氟酸中HF的质量分数为40％，经不断搅拌浸泡90s后取出经蒸馏水、酒精各超声清洗15min，最后在35℃温度下干燥6h；

3.将步骤2干燥后的试样放置在额定功率为60kW的超音频感应加热设备中，加热30s后缓慢冷却至室温，最后经去离子水和酒精超声清洗5min，40℃温度下干燥24h，即在钛合金表面获得微纳尺度生物活性氧化膜。

实施例7

一种在钛合金表面制备微纳尺度生物活性氧化膜的方法，其步骤如下：

1.钛合金(Ti6Al4V)试样依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂纸对钛合金试样进行打磨后，用丙酮、去离子水和酒精依次进行超声清洗，再在40℃温度下干燥24h；

2.将步骤1干燥后的试样浸入到氢氟酸与盐酸体积比为1:2的100mL酸液中，其中所用盐酸中HCl的质量分数为37％，所用氢氟酸中HF的质量分数为40％，经不断搅拌浸泡90s后取出经蒸馏水、酒精各超声清洗15min，最后在35℃温度下干燥6h；

3.将步骤2干燥后的试样放置在额定功率为60kW的超音频感应加热设备中，加热30s后缓慢冷却至室温，最后经去离子水和酒精超声清洗5min，40℃温度下干燥24h，即在钛合金表面获得微纳尺度生物活性氧化膜。

经过对实施例5-7制备的氧化膜的表征，无法得到实施例1的在钛合金表面获得均匀的微纳尺度生物活性氧化膜，且膜与基体的结合强度不高很容易脱落。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。