具有点阵结构多孔的钛或钛合金表面抑菌生物活性陶瓷膜的制备方法及其应用与流程

本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种具有点阵结构多孔的钛或钛合金表面抑菌生物活性陶瓷膜的制备方法及其应用。

背景技术：

近年来医学界对于多孔金属材料在骨科领域应用的讨论日渐增多，全球各大骨科植入物制造厂商也纷纷尝试采用各种工艺推出具有相似表面功能的植入物产品，预示着类似产品将面临快速增长期。金属多孔材料是指具有大量孔隙群的金属材料，金属多孔材料通常具有优异的物理特性和良好的机械性能，其密度小、比表面积大，在航空、电子领域有着极大的应用空间，同时在医用材料及生物化学领域也越来越多地被关注并使用。人们采用不同的制备方法以获得多孔金属，例如粉末高温喷涂、微珠微粒烧结、金属纤维结构等，但是它们仍有一些局限性，比如较低的孔隙率、相对高的弹性模量和较低的摩擦系数。

电子束熔融快速成型技术(electron beam melting rapid prototyping，EBM RP)，简称EBM RP技术，是近年来发展起来的一种新型金属零件直接制造技术，系由高能电子束有选择地熔化金属粉末，并通过层层熔融堆积，直到制造出所需要的金属零件的过程。EBM RP技术能够简捷、快速、精准地完成极其复杂形态零部件的制造，特别是可以成型出具有复杂三维连通的孔隙结构，为骨科植入物诱导骨细胞长入提供结构性条件，因此，在骨科植入物方面有着独特优势，成为满足个性化需求的重要途径。

然而，采用EBM RP方法制备的具有点阵结构多孔的纯钛及钛合金其表面也是生物惰性的。即对骨缺乏诱导能力，导致与骨组织只是一种机械结合，同时，其表面也不具备抑菌性，因此，改善具有点阵结构多孔钛合金的骨结合性和抑菌性有着重大意义。

微弧氧化技术是近年来在阳极氧化基础上建立起来的一项在有色金属表面原位生长陶瓷膜的新技术，在工作中使用较高电压，期间发生了热化学、等离子体化学和电化学等多种反应，其形成内层致密、外层多孔的稳定的TiO₂活性陶瓷层，明显提高钛植入材料的生物活性，改善其耐磨耐蚀性。微弧氧化陶瓷膜是在钛金属表面原位生长，具有冶金结合性，因而表现出很高的结合强度(接近30Mp)，远高于临床常用的等离子喷涂法所制备涂层的结合强度(约10Mp)。同时微弧氧化过程中电解质离子不仅参与了微弧氧化的物理化学反应，还通过高温扩散到了氧化膜中。因此，通过控制微弧氧化电参数与调整电解液成分，可以方便的改变氧化层的化学组成，调节陶瓷膜的微结构、化学组成和晶相结构。

近年来国内外研究发现，向电解液中加入Ca、P、Si、Mg等成分所制成的TiO₂涂层，可促进种植体与骨的结合。而锌是人体重要的微量元素，是机体中参与生理功能最多的微量元素之一。这种元素在DNA合成、蛋白质代谢等方面都发挥重要作用，同时有助于细胞增殖分化及有关酶系统发挥其功能活性，加速骨的形成和钙化，从而促进骨折愈合。研究发现，锌对成骨具有双重作用，对成骨细胞的增殖有特殊的直接刺激作用，对破骨细胞有一定的抑制作用。既是骨形成的潜在激活剂，又是骨吸收的有效抑制剂。同时，锌还具有良好的抗菌性，能有效抑制致病菌的滋生。

此外，早在1893年，瑞士著名植物学家内格里发现，掺有微量铜的水具有惊人的杀菌作用，也被称为微量作用：只要使用微量的铜就能杀灭水中微生物和藻类水生生物。内格里发现了只要千分之一的铜离子就能杀死青藻的作用。在金属离子当中，特别是银、水银、铜这三者的微量作用最强，这些氯化物的2～5×10^-6浓度的摩尔液，在37℃的状态下，经过24小时就能杀灭伤寒病菌，显示微量的铜金属离子就有极强的杀菌力。铜的杀菌作用很久以来就被医疗机构所重视和应用，它可有利于保持用具的卫生清洁，在医院的医疗器械上有很多铜和黄铜器具使用的实例，如在临床上广泛使用的压舌条、避孕器具、导尿管、消毒盆等。基于此，我们应用微弧氧化微弧氧化技术在具有点阵结构多孔的纯钛及钛合金其表面制备含Zn或铜抑菌生物活性陶瓷涂层，利用该涂层促进种植体的骨整合，预防植入体周围炎症，可以提高植入体的远期成功率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有点阵结构多孔的钛或钛合金表面抑菌生物活性陶瓷膜的制备方法及其应用。采用该方法制备的多孔生物活性陶瓷膜不仅与基体结合牢固，而且，该陶瓷膜具有较高的耐磨性和防护性能，另外，通过引入抑菌元素锌或者铜，该陶瓷膜表现出明显的抑菌功能，从而实现多孔钛植入体的多功能性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有点阵结构多孔的钛或钛合金表面抑菌生物活性陶瓷膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)化学抛光：将具有点阵结构多孔的钛或钛合金在酸洗液中进行化学抛光；所述酸洗液为有机酸、缓蚀剂和无机酸的混合水溶液，其中：所述无机酸为氢氟酸和硝酸中的一种或两种，所述有机酸为柠檬酸、酒石酸、苹果酸或草酸；所述缓蚀剂为邻－硝基酚、邻－硝基苯胺、对－二硝基酚、对－硝基唾啉或苦味酸等。

(2)预制阳极氧化膜的制备：在第一电解液中以及在直流电压条件下，通过直流阳极氧化方法在经步骤(1)处理后的多孔钛或钛合金表面进行预制阳极氧化膜的制备；以重量百分比计，所述第一电解液组成如下：

所述预制阳极氧化膜制备过程中，电解液温度5～30℃，电源模式为直流，氧化终电压为50～150V，氧化时间3～10分钟，电流密度0.2～5A/dm²，获得的预制阳极氧化膜厚度为1～3μm。

所述碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾；所述有机酸盐为苹果酸钠、苹果酸钾、酒石酸钠、酒石酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸钾、草酸钠、草酸钾、琥珀酸钠或琥珀酸钾等；所述pH调节剂为醋酸、草酸、酒石酸、柠檬酸或者磷酸。

(3)抑菌多孔陶瓷膜的制备：在第二电解液中以及在双向方波脉冲电压条件下，通过双向脉冲微弧氧化方法在多孔钛或钛合金表面进行抑菌多孔陶瓷膜的制备；以重量百分比计，所述第二电解液组成如下：

所述抑菌多孔陶瓷膜制备过程中，电解液温度5～30℃，电源模式为双向方波脉冲，正向氧化终电压为350～450V，负向氧化终电压为50～150V；氧化时间10～40分钟，电流密度2～20A/dm²，频率200～1000Hz；获得的抑菌多孔陶瓷膜厚度为5～30μm，孔隙率为20～60％，表面具有微米级的微孔结构，微孔直径为0.5～5μm。

步骤(3)中，所述钙盐为醋酸钙、氧化钙和磷酸二氢钙中的一种或几种；所述磷酸盐为磷酸一氢钠、磷酸一氢钾、偏磷酸钠、偏磷酸钾、聚磷酸钠、聚磷酸钾、甘油磷酸钠和甘油磷酸钾中的一种或几种；所述锌盐为醋酸锌或硝酸锌；所述铜盐为醋酸铜或硝酸铜等；所述pH调节剂为醋酸、草酸、酒石酸、柠檬酸或者磷酸；所述络合剂为EDTA、EDTA钠盐、EGTA、乙二胺四丙酸、磺基水杨酸或硫脲等；所述表面活性剂为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或月桂醇硫酸钠等。

步骤(3)中，所述抑菌多孔陶瓷膜制备过程中，对溶液采用制冷系统进行冷却，控制溶液温度为5～30℃，以维持抑菌多孔陶瓷膜的生长速度与表面质量。

本发明所述具有点阵结构多孔的钛或钛合金是采用电子束熔融金属成型技术(Electron Beam Melting，简称EBM技术)制备获得，其孔隙率为40～90％；可按中国专利申请(申请号：201210514088.X，发明名称：一种制备高疲劳性能多孔Ti-6Al-4V块体材料的方法)进行制备。

将本发明方法施加于已加工成型的牙种植体或者椎间融合器，使其表面产生一层抑菌生物活性陶瓷膜；缩短该植入体与骨结合时间，并提高其抑菌性。

与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点：

1、本发明首次在具有点阵结构多孔的钛或钛合金表面制备抑菌多孔生物活性陶瓷膜。由于多孔材料具有结构复杂，表面积大的特点，采用常规的微弧氧化或者阳极氧化的方法(图2)，表现出如下的缺点：(1)电流密度大，对设备功率要求较高；(2)溶液升温快，基体表面不易成膜；(3)膜层生长不均匀，局部部位膜层易溶解；(4)膜层生长速率低，厚度较薄，导致生产效率低；因此，为实现具有点阵结构多孔的钛及钛合金表面多孔微弧氧化陶瓷膜的制备，必须改变传统微弧氧化的加工过程，包括电解液成分、电参数、溶液温度、pH值以及加工过程等。由于微弧氧化等离子放电的前提条件是，基体表面生成一层绝缘的无孔钝化膜，该钝化膜要求致密且厚度均匀，以往工艺采用低压脉冲电压下直接成膜，但针对具有点阵结构多孔的钛及钛合金成膜效果不理想，本发明尝试在直流低电流密度条件下，在低温度的碱性溶液体系中，生成一层均匀的阳极氧化膜，然后，在酸性偏中性含抑菌剂的电解液中，采用大电流密度，使多孔钛及钛合金表面快速达到击破电压，并实现等离子放电，然后，维持一定电流密度直至反应结束。该方法解决了常规微弧氧化方法，在具有点阵结构多孔的钛及钛合金表面不易成膜、膜层较薄，无孔或孔隙不均匀等缺点。

2、采用该方法制备的陶瓷膜厚度均匀，且生长速度较快，由于采用低温条件，保证该工艺连续稳定的生产。该陶瓷膜与基体结合良好，不仅具有良好的硬度和耐腐蚀性，而且具有较高的生物活性和抑菌性。

3、本发明微弧氧化体系中的制备生物活性陶瓷膜主要成分为具有极高化学稳定性的锐钛矿和金红石的二氧化钛；具有明显抑菌作用的氧化锌或则氧化铜；以及具有较高的降解能力并诱导羟基磷灰石沉积作用的磷酸一氢钙。

4、采用本发明方法在具有点阵结构多孔的多孔纯钛或钛合金表面形成微等离子体，通过控制工艺参数在其表面生成抑菌生物活性陶瓷膜。性能测试显示该陶瓷膜的孔隙率可控制为30％～60％，表面具有微米级的微孔结构(微孔直径为0.5～5μm)，在生物模拟溶液中陶瓷层的自腐蚀电流密度为6.0E-8～1.0E-6A/cm²；经细胞学检测，与基体相比，其表面碱性磷酸酶含量测定提高1～3倍，骨钙素分泌检测提高1～3倍；细胞增殖检测提高2～5倍；总蛋白含量提高1～5倍，与不含锌或铜的多孔陶瓷膜相比，抑菌功能提高1～3倍。

5、采用本发明方法制造的具有点阵结构多孔的钛及钛合金植入体经过动物实验测试，其骨结合时间为10～15天。

附图说明：

图1为具有点阵结构多孔的钛及钛合金基体。

图2为常规微弧氧化法制备的陶瓷膜扫描电镜图。

图3为本发明预制阳极氧化后样品的扫描电镜图。

图4为本发明脉冲微弧氧化后样品的扫描电镜图；图中：(a)2000倍；(b)500倍。

图5为本发明脉冲微弧氧化后样品的XRD图。

图6为本发明脉冲微弧氧化后样品的XPS图；图中：(a)为含锌(图中“(a)”)和不含锌(图中“(b)”)微弧氧化膜表面XPS全谱分析；(b)为含锌微弧氧化膜表面Ca2p XPS全谱分析；(c)为含锌微弧氧化膜表面Zn2p XPS全谱分析。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

以下实施例中，采用具有点阵结构多孔的Ti-6Al-4V多孔钛合金作为基体材料，其形貌如图1所示，其制备过程按照中国专利申请201210514088.X所公开的技术方案进行，即为该申请中所制备的多孔Ti-6Al-V块体材料，具有点阵结构多孔的Ti-6Al-4V钛合金具有单元网格结构，其单元网格结构为正方体或菱形十二面体，孔隙率为40-90％，孔径在300-5000μm范围内可调。该多孔材料的疲劳强度/屈服强度比可达0.3-0.7，弹性模量范围为0.1-20GPa。根据实际需要，该多孔材料的外形、孔隙率和孔径大小完全可控。

实施例1

1.材料准备：采用电子束熔融金属成型技术制备孔隙率为50％具有点阵结构多孔的Ti-6Al-4V钛合金。

2.化学酸洗：酸洗液组成：40％(体积浓度)HF 1ml/L，70％(体积浓度)HNO₃ 4ml/L，酒石酸3g/L，缓释剂为邻－硝基酚，其余为水。温度：室温，处理时间10秒，取出后立即用自来水清洗1～2分钟，再用去离子水清洗1～2分钟。

3.预制阳极氧化膜制备：电解液组成：浓度为10g/L的碳酸钠，浓度为3g/L的草酸钠，浓度为0.5g/L的氢氧化钠，其余为水。

氧化膜制备过程中，采用制冷维持电解液温度20℃，电源模式为直流，恒电流1A/dm²，氧化终电压为80V，氧化时间为3分钟，本实施例获得无孔钝化膜厚度约为2μm(图3)。

4.双向方波脉冲微弧氧化膜制备：电解液组成：浓度为5g/L的磷酸二氢钠，浓度为10g/L的醋酸钙，浓度为0.5g/L醋酸，浓度为0.5g/L硝酸锌，浓度为0.5g/L的EDTA，浓度为0.5g/L十二烷基磺酸钠，其余为水。

抑菌生物活性陶瓷膜制备过程中，通过循环冷却水控制电解液温度20℃，电源模式为正负双向方波脉冲，电流密度5A/dm²，正向氧化终电压为350V，负向氧化终电压50V；氧化时间为10分钟，频率为600Hz，占空比为0.5：0.3，获得的抑菌生物活性陶瓷膜厚度为10μm，孔隙率为40％，表面具有微米级的微孔结构(微孔直径为0.5～5μm)(图4)。本实施例微弧氧化体系中的制备生物活性陶瓷膜主要成分为具有极高化学稳定性的锐钛矿和金红石的二氧化钛(图5)、具有明显抑菌作用的氧化锌或者氧化铜(图6(a)和图6(c))，以及具有较高的降解能力并诱导羟基磷灰石沉积作用的磷酸一氢钙(见图6(b))。

经过烘干后，在具有点阵结构多孔的Ti-6Al-4V钛合金表面获得多孔生物活性陶瓷膜。本实施例的相关性能数据如下：

在生物模拟溶液中陶瓷层的自腐蚀电流密度为3.96E-7A/cm²；

经细胞学检测，与基体相比，其表面碱性磷酸酶含量测定提高1倍，骨钙素分泌检测提高2倍；细胞增殖检测提高1倍；总蛋白含量提高2倍，与不含锌或铜的多孔陶瓷膜相比，抑菌功能提高2倍。

采用本方法在具有点阵结构多孔Ti-6Al-4V钛合金植入体表面制备的多孔生物活性陶瓷膜经动物实验证明其骨结合时间为15天。

实施例2

1.材料准备：采用电子束熔融金属成型技术制备孔隙率为70％具有点阵结构多孔的Ti-6Al-4V钛合金。

2.化学酸洗：酸洗液组成：40％(体积浓度)HF 2ml/L，70％(体积浓度)HNO₃ 6ml/L，草酸1g/L，缓释剂为对－二硝基酚，其余为水。温度：室温，处理 时间10秒，取出后立即用自来水清洗1～2分钟，再用去离子水清洗1～2分钟。

3.预制阳极氧化膜制备：电解液组成：浓度为20g/L的碳酸氢钠，浓度为3g/L的柠檬酸钠，浓度为0.5g/L的草酸，其余为水。

氧化膜制备过程中，采用循环水维持电解液温度15℃，电源模式为直流，恒电流1.5A/dm²，氧化终电压为100V，氧化时间为3分钟，本实施例获得无孔钝化膜厚度约为2μm。

4.正方波脉冲微弧氧化膜制备：电解液组成：浓度为10g/L的醋酸钙，浓度为5g/L的甘油磷酸钠，浓度为0.3g/L醋酸锌，浓度为0.5g/L醋酸，浓度为0.5g/L的EDTA，浓度为0.2g/L的月桂醇硫酸钠，其余为水。

抑菌生物活性陶瓷膜制备过程中，通过循环冷却水控制电解液温度15℃，电源模式为正负双向方波脉冲，电流密度10A/dm²，正向氧化终电压为380V，负向氧化终电压为80V，氧化时间为15分钟，频率为600Hz，占空比为0.6：0.2，获得的抑菌生物活性陶瓷膜厚度为12μm，孔隙率为50％，表面具有微米级的微孔结构(微孔直径为0.5～5μm)，本实施例微弧氧化体系中的制备生物活性陶瓷膜主要成分为具有极高化学稳定性的锐钛矿和金红石的二氧化钛、具有明显抑菌作用的氧化锌或者氧化铜，以及具有较高的降解能力并诱导羟基磷灰石沉积作用的磷酸一氢钙。

经过烘干后，在具有点阵结构多孔的Ti-6Al-4V钛合金表面获得多孔生物活性陶瓷膜。本实施例的相关性能数据如下：

在生物模拟溶液中陶瓷层的自腐蚀电流密度为6.89E-7A/cm²；

经细胞学检测，与基体相比，其表面碱性磷酸酶含量测定提高1.5倍，骨钙素分泌检测提高1倍；细胞增殖检测提高2倍；总蛋白含量提高2倍。

采用本方法在具有点阵结构多孔的Ti-6Al-4V钛合金植入体表面制备的多孔生物活性陶瓷膜经动物实验证明其骨结合时间为15天。

不含锌或铜的多孔陶瓷膜相比，抑菌功能提高2倍。

实施例3

1.材料准备：采用电子束熔化逐层成型技术(AM-EBM)制备孔隙率为60％具有点阵结构多孔的β-钛合金。

2.化学酸洗：酸洗液组成：40％(体积浓度)HF 2ml/L，70％(体积浓度)HNO₃ 6ml/L，酒石酸5g/L，缓释剂为苦味酸，其余为水。温度：室温，处理时间10秒，取出后立即用自来水清洗1～2分钟，再用去离子水清洗1～2分钟。

3.预制阳极氧化膜制备：电解液组成：浓度为20g/L的碳酸氢钠，浓度为2g/L的草酸钠，浓度为1g/L的酒石酸，其余为水。

氧化膜制备过程中，采用循环水维持电解液温度15℃，电源模式为直流，恒电流1A/dm²，氧化终电压为80V，氧化时间为5分钟，本实施例获得无孔钝化膜厚度约为1μm。

4.正方波脉冲微弧氧化膜制备：电解液组成：浓度为10g/L的醋酸钙，5g/l的氧化钙，浓度为10g/L的磷酸二氢钠，浓度为3g/L醋酸铜，浓度为1g/L醋酸，浓度为0.5g/L的EDTA二钠，其余为水。

氧化膜制备过程中，通过循环冷却水控制电解液温度20℃，电源模式为正负双向方波脉冲，电流密度15A/dm²，正向氧化终电压为400V；负向氧化终电压为100V，氧化时间为15分钟，频率为800Hz，占空比为0.5：0.3，获得的氧化膜厚度为15μm，孔隙率为60％，表面具有微米级的微孔结构(微孔直径为0.5～5μm)，表面具有微米级的微孔结构(微孔直径为0.5～5μm)，本实施例微弧氧化体系中的制备生物活性陶瓷膜主要成分为具有极高化学稳定性的锐钛矿和金红石的二氧化钛、具有明显抑菌作用的氧化锌或者氧化铜，以及具有较高的降解能力并诱导羟基磷灰石沉积作用的磷酸一氢钙。

经过烘干后，在具有点阵结构多孔的β-钛合金表面获得多孔生物活性陶瓷膜。本实施例的相关性能数据如下：

在生物模拟溶液中陶瓷层的自腐蚀电流密度为7.64E-8A/cm²；

经细胞学检测，与基体相比，其表面碱性磷酸酶含量测定提高1.5倍，骨钙素分泌检测提高2倍；细胞增殖检测提高2倍；总蛋白含量提高1倍；与不含锌或铜的多孔陶瓷膜相比，抑菌功能提高2倍。

采用本方法在具有点阵结构多孔的β-钛合金植入体表面制备的多孔生物活性陶瓷膜经动物实验证明其骨结合时间为10天。