一种镁合金表面直接制备含氧化锌微弧氧化陶瓷膜的方法
【专利摘要】一种镁合金表面直接制备含氧化锌微弧氧化陶瓷膜的方法，它涉及一种镁合金表面制备氧化锌微弧氧化陶瓷膜的方法。本发明解决了镁合金生物活性与耐腐蚀性能差，以及现有方法制备的氧化锌陶瓷膜与基体结合强度低的问题。本发明方法：一、对镁合金表面处理；二、配置电解液；三、以镁合金为阳极，不锈钢为阴极，设置电参数，进行微弧氧化，即得。本发明工艺简单，所使用的电解液无毒无污染，绿色环保，通过微弧氧化技术直接在镁合金表面制备了具有生物活性和结合力高的含氧化锌陶瓷膜，膜层为氧化锌和氧化镁的复合膜层。
【专利说明】一种镁合金表面直接制备含氧化锌微弧氧化陶瓷膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物医用植入材料表面改性领域，具体涉及一种镁合金表面直接制备含氧化锌微弧氧化陶瓷膜的方法。
【背景技术】
[0002]目前，广泛应用于骨板、骨钉的生物医用材料主要是钛及其合金、不锈钢、钻铬合金及聚乳酸等，但是，这些材料都存在一定的局限性。金属材料弹性模量高与人骨不匹配所致的应力遮挡效应及高分子材料较差的力学性能成为制约其发展的瓶颈。研究表明镁基金属是一种相当具有发展潜力的生物材料，镁及镁合金的杨氏模量约为45Gpa，更接近人骨的弹性模量(20GPa)，能有效降低应力遮挡效应；镁及镁合金有高的比强度和比刚度，纯镁的比强度为133GPa(g/cm3)，而超高强度镁合金的比强度已达到480GPa(g/cm3)，比钛合金的比强度(260 GPa(g/cm3))高出近1倍；镁及镁合金的密度较之其他金属与人骨密度最为接近，符合理想接骨板的要求。因而镁及镁合金作为骨固定材料，能够在骨折愈合的初期提供稳定的力学环境，逐渐降低其应力遮挡作用，使骨折部位承受生理水平的应力刺激，加速骨折愈合，防止局部骨质疏松和再骨折。因此，镁及镁合金作为骨损伤后的固定材料，相对于其他金属生物医用材料具有更大的潜力。
[0003]目前制约镁合金成为生物医用可降解硬组织材料的因素有以下两点:一是耐蚀和耐磨性差，镁的化学性质极为活泼，在干燥大气中，镁可形成氧化镁薄膜，对基体有一定的保护作用，但是其疏松多孔的结构使其保护作用极为有限，而且在潮湿环境下，尤其是在含有氯离子的腐蚀介质中，氧化镁表面膜会遭到破坏，基体发生严重腐蚀，因此，镁合金的抗腐蚀性能很差，极大地制约了镁合金更为广泛的应用；二是生物活性差，虽然镁合金有很好的组织相容性，但是其诱导组织生长的能力有限，因此需要对其进行表面改性。
[0004]感染是生物材料在体内植入失败主要原因，也是困扰临床外科医生的最大难题，这其中既与手术中的操作不当有关，也与植入材料部位局部环境发生变化，影响微生物的生长，增加了细菌感染的可能性，因此，如果生物材料本身具有了抗菌活性，不但可以减少种植体炎症发生，提高植入材料的生物活性，缩短骨愈合时间，进术后组织愈合，提高手术的成功率，减轻病人在精神和物质上的负担，而且有效地克服了抗生素的大量使用引起的一系列问题。
[0005]氧化锌是目前无机抗菌剂研究的热点之一，目前已作为抗菌材料广泛应用于外科领域，研究表明氧化锌对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有很强的抑制作用，在体外对原核细胞、真核细胞及大肠杆菌的生长均可以产生抑制作用，且随着氧化锌含量的增加，其抗菌能力提高，同时氧化锌对其他细菌也有抑制作用且基本没有毒副作用。关于氧化锌抗菌性能的产生机制目前有三种假设，分别是光催化抗菌机制、金属离子溶出抗菌机制和活性氧抗囷机制。
[0006]通过表面改性方法在镁合金表面制备氧化锌生物膜层，能充分发挥镁合金的优良力学性能和氧化锌的生物活性。目前，应用表面改性在镁合金表面制备活性氧化锌的方法包括沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法等，应用上述方法虽然能在镁基金属表面制备氧化锌膜层，但是所制备的氧化锌生物膜层与基体的结合强度不高，无法满足临床需求。为此，研发一种在镁合金表面直接制备含有氧化锌微弧氧化陶瓷膜方法具有十分重要的意义。
[0007]微弧氧化是一种在阀金属表面原位生长氧化物陶瓷膜层的技术。将被处理件置于特定的电解液中，利用电化学方法，使其表面产生微小火花放电斑点，在热化学、等离子体和电化学的共同作用下，在材料表面原位生长一层陶瓷质的氧化膜，利用这种方法获得的膜层呈陶瓷质，具有优良的结合力、硬度及较好的耐蚀性。但是到目前为止，还没有关于通过该技术在镁合金表面表面制备氧化锌陶瓷膜的报道。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了解决镁合金生物活性与耐腐蚀性能差，以及现有方法在镁合金表面制备的氧化锌陶瓷膜与基体结合强度低的问题。本发明提供了一种直接在镁合金表面制备氧化锌微弧氧化陶瓷膜的方法。
[0009]本发明直接在镁合金表面制备氧化锌陶瓷膜的方法是通过以下步骤实现的:一、对镁合金依次进行去氧化膜、除油处理；二、配制电解液:3-10g/L的葡萄糖酸锌、5-12g/L的氢氧化钠，4-8g/L的磷酸钠，l_3g/L的乙二胺四乙酸二钠，l_3g/L的柠檬酸钠，溶剂为去离子水；三、以步骤一处理后的镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:脉冲电压180-430V、脉冲频率300-600HZ、占空比为10-40%，进行微弧氧化5_30min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
[0010]本发明步骤二的电解液中磷酸钠还可以用六偏磷酸钠代替，六偏磷酸钠的质量浓度为3-10g/L。步骤二的电解液中磷酸钠还可以用多聚磷酸钠代替，磷酸钠的质量浓度为3_12g/L。
[0011]本发明采用恒电流模式进行微弧氧化，电压变化范围为180V-430V。
[0012]本发明直接在镁合金表面制备的氧化锌陶瓷膜，膜层与镁合金合金基体是一种冶金结合，结合力高，不易脱落，完全满足临床需要。
[0013]本发明简化了工艺，节约了成本，通过选取合适的电解液成份及相应浓度、控制微弧氧化电压、频率、在镁合金表面直接制备了氧化锌陶瓷膜。
[0014]本发明在镁合金表面制备的膜层为氧化锌和氧化镁的复合膜层，与基体具有较高的结合强度，不但扩大了镁合金的应用范围，而且提高了镁合金的耐腐蚀性和生物相容性，促进了镁合金植入材料与骨组织的结合。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是【具体实施方式】一中在镁合金表面制备得到的含氧化锌微弧氧化陶瓷膜的XRD衍射分析图。
[0016]图2是【具体实施方式】一中在镁合金表面制备得到的含氧化锌微弧氧化陶瓷膜的扫描电子显微镜图片。
【具体实施方式】
[0017]实施例1。
[0018]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0019]二、配制电解液:3-10g/L的葡萄糖酸锌、电解液配制为:葡萄糖酸锌:8g/L，EDTA-二钠2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:8g/L，磷酸钠:10g/L，溶剂为去离子水。
[0020]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，所用电源为脉冲电源，电源参数设定为:电压为180V-360V，占空比为40%，频率为600HZ，氧化氧化时间为15min，将微弧氧化处理后的试样用去离子水清洗后吹干，即可在镁合金表面获得含有氧化锌的微弧氧化陶瓷膜。
[0021]实施例2。
[0022]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0023]二、配制电解液:3-10g/L的葡萄糖酸锌、电解液配制为:葡萄糖酸锌:8g/L，EDTA-二钠2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:8g/L，磷酸钠:10g/L，溶剂为去离子水。
[0024]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，所用电源为脉冲电源，电源参数设定为:电压为200V-400V，占空比为40%，频率为600HZ，氧化时间为15min，将微弧氧化处理后的试样用去离子水清洗后吹干，即可在镁合金表面获得含有氧化锌的微弧氧化陶瓷膜。
[0025]实施例3。
[0026]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0027]二、配制电解液:葡萄糖酸锌:8g/L，EDTA_ 二钠2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:8g/L，磷酸钠:10g/L，溶剂为去离子水。
[0028]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:电压为180V-450V，占空比为30%，频率为600HZ，氧化时间为lOmin，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
[0029]实施例4。
[0030]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0031]二、配制电解液:葡萄糖酸锌:8g/L，EDTA_ 二钠2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:8g/L，磷酸钠:10g/L，溶剂为去离子水；
三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:电压为180V-450V，占空比为30%，频率为600HZ，氧化时间为30min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
[0032]实施例5。
[0033]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0034]二、配制电解液:葡萄糖酸锌:8g/L，EDTA_ 二钠2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:8g/L，磷酸钠:10g/L，溶剂为去离子水。
[0035]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:电压为180V-450V，占空比为10%，频率为300HZ，氧化时间为20min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
[0036]实施例6。
[0037]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0038]二、配制电解液:葡萄糖酸锌:3g/L，EDTA_ 二钠2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:6g/L,磷酸钠:4g/L,溶剂为去离子水。
[0039]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:电压为180V-450V，占空比为10%，频率为300HZ，氧化时间为20min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
[0040]实施例7。
[0041]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0042]二、配制电解液:葡萄糖酸锌:6g/L，EDTA_ 二钠2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:10g/L，磷酸钠:6g/L，溶剂为去离子水。
[0043]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:电压为180V-450V，占空比为10%，频率为300HZ，氧化时间为20min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
[0044]实施例8。
[0045]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0046]二、配制电解液:葡萄糖酸锌:10g/L，EDTA- 二钠:2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:10g/L，磷酸钠:8g/L，溶剂为去离子水。
[0047]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:电压为180V-450V，占空比为10%，频率为300HZ，氧化时间为20min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
[0048]实施例:9。
[0049]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0050]二、配制电解液:葡萄糖酸锌:10g/L，EDTA- 二钠:2 g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化钠:10g/L，六偏磷酸钠:6g/L，溶剂为去离子水。
[0051]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:电压为180V-450V，占空比为10%，频率为300HZ，氧化时间为20min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
[0052]实施例10。
[0053]一、镁合金样品的预处理:依次用 100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的砂纸对镁合金样品进行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去离子水超声清洗，自然晾干。
[0054]二、配制电解液:葡萄糖酸锌:10g/L，EDTA-二钠:2g/L，柠檬酸钠:2g/L，氢氧化纳:10g/L，多聚憐酸纳:8g/L，溶剂为去尚子水。
[0055]三、以步骤一处理后镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:电压为180V-450V，占空比为10%，频率为300HZ，氧化时间为20min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
【权利要求】
1.一种镁合金表面直接制备含氧化锌微弧氧化陶瓷膜的方法，其特征在于直接在镁合金表面制备氧化锌陶瓷膜的方法是通过以下步骤实现的:一、对镁合金依次进行去氧化膜、除油处理；二、配制电解液:3-10g/L的葡萄糖酸锌、5-12g/L的氢氧化钠，4-8g/L的磷酸钠，l-3g/L的乙二胺四乙酸二钠，l_3g/L的柠檬酸钠，溶剂为去离子水；三、以步骤一处理后的镁合金为阳极，用夹具固定浸入步骤二配置的电解液中，不锈钢电解液槽为阴极，采用脉冲电源，设置电参数为:脉冲电压180-430V、脉冲频率300-600HZ、占空比为10_40%，进行微弧氧化5-30min，即在镁合金表面制备得氧化锌陶瓷膜。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金表面直接制备含氧化锌微弧氧化陶瓷膜的方法，其特征在于步骤二配置的电解液为:3-10g/L的葡萄糖酸锌、5-12g/L的氢氧化钠，3-10g/L的六偏磷酸钠，l-3g/L的乙二胺四乙酸二钠，l-3g/L的柠檬酸钠，溶剂为去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种在医用钛合金表面制备氧化锌抗菌生物膜的方法，其特征在于步骤二配置的电解液为:3-10g/L的葡萄糖酸锌、5-12g/L的氢氧化钠，3-12g/L的多聚磷酸钠，l-3g/L的乙二胺四乙酸二钠，l-3g/L的柠檬酸钠，溶剂为去离子水。
【文档编号】C25D11/30GK104264204SQ201410509166
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】赵全明, 杨惠林, 刘忠堂 申请人:赵全明