一种在钛锆合金表面制备多孔仿生结构的方法与流程

本发明属于生物医用材料领域，涉及一种在钛锆合金表面制备多孔仿生结构的方法。
背景技术：
：金属纯钛(ti)因其良好的生物相容性被广泛应用于口腔种植领域。然而，纯钛的机械强度较低，在面对狭窄牙槽嵴、缺失牙间隙不足、单个磨牙缺失、强度较高的磁性附着体、拴体栓道等修复问题时，纯钛窄直径(φ≤3.5mm)、迷你型(φ≤3.0mm)种植体的应力疲劳折裂风险大大增加，无法完全满足临床需要。锆具有良好的生物相容性和抗腐蚀性能，其机械性能接近天然牙槽骨。自1995年kobayashi等人首次提出将钛锆合金应用于医学领域以来，钛锆合金作为一种新型牙科种植材料受到了广泛关注。国外研究表明，随着锆元素比例的增加(含锆12wt％～50wt％)，钛锆合金的硬度、强度和抗腐蚀性较纯钛显著增加，但塑性下降，即锆含量对合金的机械性能具有双向影响。2009年，straumann公司推出高强度钛锆合金种植体(φ3.3mm,含锆13wt％-17wt％)，是目前世界上最先进、主流的钛锆种植体系统。动物骨内植入实验证实该钛锆种植体与纯钛种植体引导骨整合形成的水平相当；临床试验表明钛锆种植体1年存留率可达100％，3年存留率达99％，与φ4.1mm的纯钛种植体无统计学差别。除材料组成外，材料表面形貌是决定植入材料与骨组织间能否形成快速稳定骨整合的关键因素。钛锆合金与纯钛都具有α单相结构，多种纯钛表面活化处理方式，如酸蚀、阳极氧化、激光蚀刻等均能应用于钛锆合金的表面活化处理。其中，表面处理技术，即通过大颗粒喷砂、酸蚀粗化植体表面，是种植牙科学中获得最广泛科学证明的表面处理技术之一。与光滑表面相比，活化后的表面具有微米、纳米级显微结构，如微/纳米级孔隙、纳米管等，更有利于成骨细胞的黏附、增殖和分化，显著促进种植体骨整合形成。根据国外研究报道，钛锆合金窄直径种植体在狭窄牙槽嵴、磨牙缺失、前牙美学修复等病例中取得了较好的临床修复效果，其使用减少了骨增量手术等侵袭性治疗的需要，并减轻了患者的经济负担，是理想的口腔种植材料。而国内引进钛锆合金种植体不足3年，系统性的临床应用报告尚缺乏，国产钛锆合金种植体的自主研发更是处于空白。理想的生物医用合金研发需综合考虑材料强度、生物安全性、抗腐蚀性和表面活性等因素，即寻求适宜的合金成分比例、合金加工工艺和表面处理方式，以满足临床应用的需求，这是新型口腔种植体研发的技术基础。技术实现要素：本发明的目的是针对现有国产钛锆合金种植体研发领域的空缺及表面制备技术的不足，提供一种在钛锆合金表面制备多孔仿生结构的方法。本发明通过以下技术方案实现：一种在钛锆合金表面制备多孔仿生结构的方法，该方法包括以下步骤：(1)制备含锆12wt％～17wt％的钛锆合金；(2)对钛锆合金表面进行抛光、金刚砂(sic)喷砂处理，压力为4bar；(3)将步骤(2)处理后的钛锆合金放入室温下的hf/hno3混合溶液中，酸蚀处理10min-20min,蒸馏水超声清洗、干燥；接着放入60℃-80℃的hcl/h2so4混合溶液进行酸蚀处理90-120min，蒸馏水超声清洗，氮气吹干，在钛锆合金表面形成多孔仿生结构。其中，所述hf/hno3混合溶液由蒸馏水、40wt％hf、65wt％hno3按照体积比500:1:2～500:1:1组成，所述hcl/h2so4混合溶液由蒸馏水、38wt％hcl、98wt％h2so4按照体积比3:1:1～3:2:2组成。本发明相对于现有技术的优点是：本发明通过调控合金中锆含量以及酸蚀处理的条件，制备得到了具有良好机械性能和生物学性能的钛锆合金材料。本发明所得钛锆合金强度远大于传统商用纯钛，而断裂伸长率亦满足临床应用要求，解决了纯钛种植材料机械强度不足的缺陷；经本发明表面处理的钛锆合金表面在扫描电镜下呈现出多孔仿生形貌，该表面提高了钛锆合金的比表面积，其多级孔洞仿生结构有利于合金表面与骨细胞间的早期反应。附图说明图1～20依次为实施例1－19所制得钛锆合金表面、纯钛表面的扫描电镜图(左)和局部放大图(右)；比例尺：50μm(左图)；10μm(右图)图21为本发明实施例1、2、7、8所制得钛锆合金及纯钛(对照)表面接触角(亲水性)测试结果；图22为mc3t3-e1细胞在实施例1、2、7、8所制得钛锆合金及纯钛(对照)表面培养4小时后的荧光显微镜图。图23为骨髓间充质干细胞在实施例1、2、7、8所制得钛锆合金及纯钛(对照)表面成骨诱导培养7天、14天后细胞内碱性磷酸酶水平。图中，＊，p<0.05vs.slati。具体实施方式一种在钛锆合金表面制备多孔仿生结构的方法，包括以下步骤：(1)采用纯海绵钛和纯锆并在氩气气氛下的真空电弧熔炼炉内制备钛锆合金；锆含量如表1所示；(2)钛锆试样表面经绿碳化硅金刚砂喷砂，压力为4bar，再依次置于丙酮、75vol％的乙醇、蒸馏水中超声清洗，干燥；(3)将(2)处理后的试样放入hf/hno3混合水溶液中室温处理，蒸馏水超声清洗，干燥后放入hcl/h2so4混合液中，一定温度下酸蚀处理，蒸馏水超声清洗，氮气吹干。其中，两次酸处理的参数如表1所示。表1实施例制备参数实施例1-19产物的扫描电镜图(放大1000x,5000x)如图1-19所示，从图中可以看出，当且仅当锆含量为12wt％～17wt％、经hf/hno3混合溶液按蒸馏水：40wt％hf：65wt％hno3体积比为500:1:2～500:1：1在室温下(20-30℃)处理10min～20min、再经hcl/h2so4混合水溶液按蒸馏水：38wt％hcl：98wt％h2so4体积比为3:1:1～3:2:2在60℃～80℃反应90～120min时，钛锆合金表面能形成孔洞结构(实施例1-4，7-11)。特别地，当含锆量为12wt％～17wt％，经hf/hno3混合水溶液按蒸馏水：40wt％hf：65wt％hno3体积比为500:1:2在室温下处理10min～20min、再经hcl/h2so4混合水溶液按蒸馏水：38wt％hcl：98wt％h2so4体积比为3:1:1～2:1:1在60℃～80℃反应120min时，合金表面能形成典型的多孔仿生结构，孔洞致密、均匀，直径约10-40μm(实施例1、2、7、8)，其表面形貌与纯钛sla表面(对照组)相似。将含锆12wt％、17wt％的钛锆合金与现有技术中常用的纯钛进行力学分析，测试结果如表2所示，从表2可以看出钛锆合金(12wt％～17wt％锆)的屈服强度和抗拉强度明显高于ta3纯钛，而伸长率与纯钛接近。表2钛锆合金及ta3级纯钛的力学性能比较试样含锆量wt％屈服强度mpa抗拉强度mpa断裂总伸长率％11276591516.39217848103014.63ta3纯钛046352715.00将实施例1、2、7、8的产物与现有技术中常用的纯钛进行表面亲水性测试，如图21所示，从图中可以看出实施例1(a)、2(b)、7(c)、8(d)所得钛锆合金表面接触角约10°～20°；(e)为传统纯钛sla表面，接触角约20°。上述均表现为亲水性表面(接触角<90°)，有利于骨细胞粘附生长。将前成骨细胞mc3t3-e1接种于钛锆合金实施例1、2、7、8及纯钛sla(对照)表面，培养4小时后各组试样表面细胞形态的荧光显微镜图如图22所示：(a-d)分为mc3t3-e1细胞在本发明实施例1、2、7、8所得钛锆合金表面培养4小时的荧光显微镜图；(d)为mc3t3-e1细胞在传统纯钛sla表面培养4小时的荧光显微镜图。根据图22可观察到mc3t3-e1细胞在实施例1(a)、2(b)、7(c)、8(d)所得钛锆合金表面形态更舒展，有较多的细胞突触从胞体伸出；而在纯钛sla表面(e)的细胞体积较小，细胞突触较短小。上述实验结果表明钛锆合金微米/亚微米多孔仿生表面比传统纯钛sla表面更有利于前体成骨细胞的早期黏附。将骨髓间充质干细胞bmscs接种于钛锆合金实施例1、2、7、8及纯钛sla(对照)表面，用成骨诱导培养基分别培养7天、14天后，收集细胞，提取细胞总蛋白，采用碱性磷酸酶(alp)试剂盒(labassayalp，wako，japan)定量分析细胞内碱性磷酸酶水平。根据图23可知实施例1、2、8所得钛锆合金较对照组显著促进细胞内碱性磷酸酶表达(p<0.05)。上述结果表明实施例1、2、8所得钛锆合金较纯钛sla表面更能促进bmscs成骨分化。当前第1页12