一种TiNb合金的表面处理方法与流程

本发明属于纳米材料和生物材料技术领域，具体涉及一种tinb合金的表面处理方法。

背景技术：

tinb合金是一种新型β钛合金，与纯钛相比，它具有与人体骨骼更为匹配的弹性模量，其在植入人体后可以显著减弱植入件与周围组织间存在的应力屏蔽效应。同时，该合金不含有任何对人体有毒副作用的元素，因而在临床介入治疗领域显示出良好的应用前景。尽管tinb合金具有优异的综合力学性能，但与其他钛系合金一样，其本身仍然属于生物惰性材料。即tinb合金表面自发形成的氧化膜是一层惰性的致密钝化层，其诱导磷酸盐沉积的能力极差，在与人体组织接触时，难于与骨组织形成化学键性结合。而植入体与骨组织建立在生物组织学上的直接结合(骨性结合)是植入体治疗的最终目标，也是植入体长期植入能否成功的先决条件。此外，还需要引起重视的另一个问题是，随着钛及其合金在临床上使用数量的增加，由周围炎症引起的植入体感染继而导致植入失效的案例也相应增多。因此，如何提高钛及其合金的生物活性，并对其在植入人体后可能发生的感染进行有效预防，借此来提高植入手术的成功率，越来越受生物医用材料和临床医学领域的重视。

在钛及其合金表面构筑活性的tio2薄膜作为过渡层，通过它们对体液的诱导来实现类骨组织羟基磷灰石的沉积，是改善钛及合金生物活性的有效手段。研究发现，二氧化钛诱导羟基磷灰石沉积的能力与二氧化钛的结晶性、膜层厚度、表面形貌、表面电荷及成分等多种因素相关(稀有金属材料与工程，2014,43(s1):123-126；2011,40(5):889-891；2017,46(9):2613-2617.)。而在提高钛及合金的抗菌活性方面，银因具有广谱的抗菌活性，耐久性好，对正常细胞的毒性较低，易于与多种材料复合等多项优点，而成为近年来对钛及其合金进行表面抗菌化处理的首选材料。围绕钛及合金的生物活性与抗菌能力的提升，科研工作者已经开展了较多的研究工作，也取得了较为丰硕的成果，但是存在的问题是：(1)人们对tio2抗菌性能和生物活性的关注通常只关注某一方面；(2)少量报道的兼具生物活性和抗菌活性的含ag-tio2薄膜通常采用薄膜制备-载银“两步走”的策略，制备过程较为复杂(稀有金属材料与工程，2017，46(4):1020-1025)；(3)在钛及其合金基材上制备tio2薄膜以及后续沉积ag所报道的多数方法，如溶胶-凝胶法、微弧氧化、电化学阳极氧化、浸渍-热分解硝酸银等都需要高温煅烧步骤，这势必会恶化钛及其合金基材的力学性能(材料导报，2016,30(8):1-4,14)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种制备方法简单，便于工业放大的tinb合金的表面处理方法。采用本发明方法制备得到的二氧化钛薄膜材料由覆于基体的纳米片自组装而成，具有微米级的厚度、高比表面积和粗糙度，且在薄膜层中形成了ti-o-ca结构，有利于在体液中诱导羟基磷灰石在其表面沉积，具有良好的生物活性。同时，ag在该tio2薄膜中均匀分布，赋予该薄膜材料优异的抗菌能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种tinb合金的表面处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将长度不大于40mm，宽度不大于10mm，厚度不大于2mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨后的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；

步骤二、将硝酸银和硝酸钙溶解于双氧水溶液中，得到混合溶液；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述混合溶液中硝酸银的浓度为3mmol/l～20mmol/l，硝酸钙的浓度为3mmol/l～15mmol/l；

步骤三、将步骤二中所述混合溶液加入水热合成反应釜中，然后将步骤一中风干后的tinb合金片放入所述水热合成反应釜中，将水热合成反应釜密封后置于烘箱内，在温度为150℃～200℃的条件下水热反应5h～20h；

步骤四、待步骤三中水热反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片。

上述的一种tinb合金的表面处理方法，其特征在于，步骤一中所述tinb合金片中nb的质量百分含量为10％～50％，余量为ti和其他不可避免的杂质。

上述的一种tinb合金的表面处理方法，其特征在于，步骤三中所述水热釜的体积填充度为40％～70％。

上述的一种tinb合金的表面处理方法，其特征在于，步骤四中所述tio2薄膜为纳米片自组装而成。

上述的一种tinb合金的表面处理方法，其特征在于，步骤四中所述tio2薄膜的厚度为1μm～2.5μm。

上述的一种tinb合金的表面处理方法，其特征在于，步骤四中所述tio2薄膜中包括ti-o-ca结构，且单质ag在tio2薄膜中均匀分布。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明制备的二氧化钛薄膜与基体结合牢固，兼具优异的生物活性和良好的抗菌性能。从形貌上看，通过水热处理获得的tio2薄膜由垂直于基体生长的纳米片自组装而成，纳米片之间相互交联形成多孔结构，粗糙度大，比表面积高，有微米级的厚度，这赋予了该薄膜具有生物活性的基础；在反应液中引入ca²⁺，对tinb合金基片进行水热处理后，在tio2薄膜层中可形成ti-o-ca结构，这为该薄膜在模拟体液中诱导羟基磷灰石能力的进一步提升提供了条件；此外，在反应液中引入ag⁺，对tinb合金基片进行水热处理后，可在tio2薄膜层中均匀引入单质ag，而ag的存在赋予了薄膜在类似体内的暗光环境下具有长久的抗菌能力。本发明方法突破了现有的钛及合金表面改性技术所得薄膜要么只具有生物活性而不具备抗菌活性，要么只具有抗菌性能而生物活性低下的难题，圆满地实现了两者之间的融合。

2、本发明将现有采用的先在钛及其合金表面制备出活性tio2薄膜，然后再采用浸渍或光化学法等在薄膜表面沉ag的“两步走”路线，简化为ag的负载和tio2薄膜的生成在溶液中同步完成的“一步法”，制备步骤更加简单，劳动强度低，有利于工业放大。

3、本发明方法在不高于200℃的低温下即可获得厚度在微米级的晶态tio2薄膜层，避免了采用溶胶-凝胶法等方法在基材表面制备tio2膜或采用浸渍-热分解硝酸银等方法在基材表面沉ag需要高温煅烧而导致的钛合金基材力学性能恶化的问题。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的tinb合金片表面覆着的tio2薄膜的表面扫描电镜照片。

图2为本发明实施例1的tinb合金片表面覆着的tio2薄膜的xps全谱图。

图3为本发明实施例1的tinb合金片表面覆着的tio2薄膜中ag元素的高分辨xps谱图。

图4为本发明实施例1的tinb合金片表面覆着的tio2薄膜中ca元素的高分辨xps谱图。

图5为本发明实施例1的tinb合金片表面覆着的tio2薄膜在模拟体液中诱导羟基磷灰石的扫描电镜照片。

图6为本发明实施例1的tinb合金片表面覆着的tio2薄膜的抗菌性能结果。

图7为对比例1的tinb合金片表面覆着的tio2薄膜的表面扫描电镜照片。

图8为对比例1的tinb合金片表面覆着的tio2薄膜在模拟体液中诱导羟基磷灰石的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1

步骤一、将尺寸为10mm×10mm×1mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨后的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中nb的质量百分含量为20％，余量为ti和其他不可避免的杂质；

步骤二、将硝酸银和硝酸钙溶解于双氧水溶液中，得到混合溶液；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述混合溶液中硝酸银的浓度为8mmol/l，硝酸钙的浓度为3mmol/l；

步骤三、将步骤二中所述混合溶液加入水热合成反应釜中，然后将步骤一中风干后的tinb合金片放入所述水热合成反应釜中，将水热合成反应釜密封后置于烘箱内，在温度为160℃的条件下水热反应8h；所述水热釜的体积填充度为50％；

步骤四、待步骤三中水热反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片；所述tio2薄膜为纳米片自组装而成，tio2薄膜的厚度约为2μm，tio2薄膜中包括ti-o-ca结构，且单质ag在tio2薄膜中均匀分布。

图1为本实施例制备的tio2薄膜的表面扫描电镜照片，从图中可以看出，本实施例制备得到的tinb基tio2薄膜由厚度约15nm～20nm的纳米片自组装形成，整个薄膜层的厚度约1.5μm。xps测试结果(见图2、图3和图4)证实，本实施例制备的薄膜含有ti、nb、o、ag和ca元素，表层氧化膜中形成了ti-o-ca结构，ag以单质形式存在。

生物活性评价方法为：将试样放入37℃的模拟体液中浸泡，模拟体液每天更换一次，培养一定的时间后，取出样品，用去离子洗净，在40℃烘干。

抗菌性能评价方法为：以大肠杆菌为实验菌种，采用覆膜-平板计数法来评价试样的抗菌性能。实验前对培养皿、细菌培养管等进行高温蒸汽灭菌，试样和滤膜用紫外光灭菌，每面均照射30min。把经过隔夜活化的大肠杆菌菌液稀释一定倍数后，取10μl滴加在试样表面，用相同面积的滤膜覆盖，室温避光作用3h。随后把覆有滤膜的试样放入细菌培养管，加入3ml无菌水，充分震荡后取100μl，滴加到铺好的无菌lb固体培养基上，用无菌涂布器涂布均匀。把接种的培养基在37℃培养箱中有氧培养24h，用数码相机拍照，观察菌落数量。

本实施例制备的tinb基tio2薄膜具有良好的生物活性，在模拟体液中浸泡7天后，即可诱导羟基磷灰石在其表面大量沉积(如图5所示)。同时该薄膜具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌表现出优异的灭活作用(如图6所示)。

实施例2

步骤一、将尺寸为40mm×10mm×2mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨后的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中nb的质量百分含量为10％，余量为ti和其他不可避免的杂质；

步骤二、将硝酸银和硝酸钙溶解于双氧水溶液中，得到混合溶液；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述混合溶液中硝酸银的浓度为3mmol/l，硝酸钙的浓度为5mmol/l；

步骤三、将步骤二中所述混合溶液加入水热合成反应釜中，然后将步骤一中风干后的tinb合金片放入所述水热合成反应釜中，将水热合成反应釜密封后置于烘箱内，在温度为200℃的条件下水热反应5h；所述水热釜的体积填充度为40％；

步骤四、待步骤三中水热反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片；所述tio2薄膜为纳米片自组装而成，tio2薄膜的厚度约为2.5μm，tio2薄膜中包括ti-o-ca结构，且单质ag在tio2薄膜中均匀分布。

本实施例制备的tinb基tio2薄膜具有良好的生物活性，在模拟体液中浸泡5天后，可以诱导羟基磷灰石在其表面大量沉积。同时该薄膜具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌表现出优异的灭活作用。

实施例3

步骤一、将尺寸为30mm×10mm×2mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨后的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中nb的质量百分含量为50％，余量为ti和其他不可避免的杂质；

步骤二、将硝酸银和硝酸钙溶解于双氧水溶液中，得到混合溶液；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述混合溶液中硝酸银的浓度为20mmol/l，硝酸钙的浓度为15mmol/l；

步骤三、将步骤二中所述混合溶液加入水热合成反应釜中，然后将步骤一中风干后的tinb合金片放入所述水热合成反应釜中，将水热合成反应釜密封后置于烘箱内，在温度为150℃的条件下水热反应20h；所述水热釜的体积填充度为70％；

步骤四、待步骤三中水热反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片；所述tio2薄膜为纳米片自组装而成，tio2薄膜的厚度约为1.8μm，tio2薄膜中包括ti-o-ca结构，且单质ag在tio2薄膜中均匀分布。

本实施例制备的tinb基tio2薄膜具有良好的生物活性，在模拟体液中浸泡12天后，可以诱导羟基磷灰石在其表面大量沉积。同时该薄膜具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌表现出优异的灭活作用。

实施例4

步骤一、将尺寸为20mm×8mm×1.5mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨后的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中nb的质量百分含量为30％，余量为ti和其他不可避免的杂质；

步骤二、将硝酸银和硝酸钙溶解于双氧水溶液中，得到混合溶液；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述混合溶液中硝酸银的浓度为7.5mmol/l，硝酸钙的浓度为7.5mmol/l；

步骤三、将步骤二中所述混合溶液加入水热合成反应釜中，然后将步骤一中风干后的tinb合金片放入所述水热合成反应釜中，将水热合成反应釜密封后置于烘箱内，在温度为180℃的条件下水热反应10h；所述水热釜的体积填充度为50％；

步骤四、待步骤三中水热反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片；所述tio2薄膜为纳米片自组装而成，tio2薄膜的厚度约为1.2μm，tio2薄膜中包括ti-o-ca结构，且单质ag在tio2薄膜中均匀分布。

本实施例制备的tinb基tio2薄膜具有良好的生物活性，在模拟体液中浸泡4天后，可以诱导羟基磷灰石在其表面大量沉积。同时该薄膜具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌表现出优异的灭活作用。

实施例5

步骤一、将尺寸为10mm×10mm×2mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨后的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中nb的质量百分含量为25％，余量为ti和其他不可避免的杂质；

步骤二、将硝酸银和硝酸钙溶解于双氧水溶液中，得到混合溶液；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述混合溶液中硝酸银的浓度为5mmol/l，硝酸钙的浓度为10mmol/l；

步骤三、将步骤二中所述混合溶液加入水热合成反应釜中，然后将步骤一中风干后的tinb合金片放入所述水热合成反应釜中，将水热合成反应釜密封后置于烘箱内，在温度为170℃的条件下水热反应8h；所述水热釜的体积填充度为50％；

步骤四、待步骤三中水热反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片；所述tio2薄膜为纳米片自组装而成，tio2薄膜的厚度约为2.5μm，tio2薄膜中包括ti-o-ca结构，且单质ag在tio2薄膜中均匀分布。

本实施例制备的tinb基tio2薄膜具有良好的生物活性，在模拟体液中浸泡3天后，可以诱导羟基磷灰石在其表面大量沉积。同时该薄膜具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌表现出优异的灭活作用。

实施例6

步骤一、将尺寸为20mm×10mm×2mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨后的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中nb的质量百分含量为35％，余量为ti和其他不可避免的杂质；

步骤二、将硝酸银和硝酸钙溶解于双氧水溶液中，得到混合溶液；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述混合溶液中硝酸银的浓度为12mmol/l，硝酸钙的浓度为12mmol/l；

步骤三、将步骤二中所述混合溶液加入水热合成反应釜中，然后将步骤一中风干后的tinb合金片放入所述水热合成反应釜中，将水热合成反应釜密封后置于烘箱内，在温度为160℃的条件下水热反应12h；所述水热釜的体积填充度为55％；

步骤四、待步骤三中水热反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片；所述tio2薄膜为纳米片自组装而成，tio2薄膜的厚度约为2μm，tio2薄膜中包括ti-o-ca结构，且单质ag在tio2薄膜中均匀分布。

对比例1

步骤一、将尺寸为10mm×10mm×1mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨过的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中的nb的质量百分含量为20％，余量为ti和其它不可避免的杂质；

步骤二、将步骤一中风干后的tinb合金片放入水热合成反应釜，反应釜中添置有双氧水溶液，将水热釜密封后置于烘箱中，在160℃反应8h；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述反应釜的体积填充度为50％；

步骤三、待反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片；所述tio2薄膜为纳米棒自组装而成，整个薄膜层的厚度约1.5μm。

图7为对比例1制备的tio2薄膜的表面扫描电镜照片，从图中可以看出，对比例1制备得到的tinb基tio2薄膜具有花状形貌，花状体的粒度约800nm～1000nm，它们是由直径约15nm～20nm的纳米棒围绕着中心自组装成而成。

对比例1制备的tinb基tio2薄膜具有较好的生物活性，在模拟体液中浸泡14天后，可以诱导羟基磷灰石在其表面沉积，沉积数量较多(如图8所示)。但是该薄膜在暗光环境下不具有抗菌性能，对大肠杆菌没有灭活作用。

对比例2

步骤一、将尺寸为10mm×10mm×1mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨过的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中的nb的质量百分含量为20％，余量为ti和其它不可避免的杂质；

步骤二、将步骤一中风干后的tinb合金片放入水热合成反应釜，反应釜中添置有硝酸银水溶液，将水热釜密封后置于烘箱中，在160℃反应8h；所述硝酸银水溶液的浓度为8mmol/l；所述反应釜的体积填充度为50％；

步骤三、待反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着含ag-tio2薄膜的tinb合金片；所述含ag-tio2薄膜由纳米颗粒组成。

对比例2制备的tinb基含ag-tio2薄膜在暗光环境下具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌表现出优异的灭活作用。但是因为该薄膜由纳米颗粒组成，厚度仅有约100nm，不具有生物活性，即使在模拟体液中浸泡21天，也未见到羟基磷灰石在其表面沉积。

对比例3

步骤一、将尺寸为10mm×10mm×1mm的tinb合金片依次用240#，600#和1400#水砂纸打磨光亮，然后将打磨过的tinb合金片置于丙酮中超声除油，再用去离子水冲洗后，自然风干；所述tinb合金片中的nb的质量百分含量为20％，余量为ti和其它不可避免的杂质；

步骤二、将步骤一中风干后的tinb合金片放入水热合成反应釜，反应釜中添置有溶解了硝酸钙的双氧水溶液，将水热釜密封后置于烘箱中，在160℃反应8h；所述硝酸钙浓度为8mmol/l；所述双氧水溶液为质量百分比为30％的商业用双氧水；所述反应釜的体积填充度为50％；

步骤三、待反应结束后，取出tinb合金片，用去离子水冲洗，自然风干，得到表面覆着tio2薄膜的tinb合金片；所述tio2薄膜为纳米片自组装而成，整个薄膜层的厚度约2μm。

对比例3制备得到的tinb基tio2薄膜由厚度约15nm～20nm的纳米片垂直于基体自组装成而成，整个薄膜层的厚度约1.2μm。

对比例3制备的tinb基tio2薄膜具有良好的生物活性，在模拟体液中浸泡5天后，可以诱导羟基磷灰石在其表面大量沉积。但是该薄膜在暗光环境下不具有抗菌性能，对大肠杆菌没有灭活作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。