本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种掺硅医用纯钛表明多孔生物活性涂层及其制备方法。
背景技术：
目前，骨科临床广泛应用的承力植入物医用金属材料主要有不锈钢、纯钛材、co-cr合金、钛合金（ti-6al-4v、tini）等。然而除纯钛材外，这些材料都含有对人体有害的元素（如ni、cr、co、al等），从而会给人体带来一定的潜在危险。但是，纯钛材应用于人工关节、紧固件、种植牙等场合时存在着强度不足的问题。
为了提高纯钛材机械强度的同时又避免引入合金元素，学者们从细化纯钛材的晶粒着手，开发新一代医用纯钛材。通过等通道转角挤压变形（equal-channelangularpressing，ecap）制备的“神奇金属”超细晶纯钛材的力学性能可以和钛合金（ti-6al-4v）相媲美，且不含对人体有毒性的元素，以及具有比纯钛材更优良的摩擦学性能、耐腐蚀性及生物相容性，使它有望取代纯钛材及钛合金（ti-6al-4v），作为新一代生物医用纯钛材在医用植入体领域中应用。
尽管新一代生物医用纯钛材-大变形纯钛材具有良好的机械性能与生物相容性，但是作为生物惰性金属材料，生物活性仍然不够理想，缺乏骨诱导能力，其与宿主骨之间仅为机械锁合，结合强度低，骨整合速度慢。如何进一步提升大变形纯钛材的生物活性，以实现钛植入体与宿主组织间结合牢靠的骨键合，促进成骨能力，加快骨整合，是其在临床应用前亟待解决的技术关键。为赋予其更好的生物活性以满足临床应用需求，对其进行表面涂层改性是提高其骨诱导性的重要途径。
近年来兴起的微弧氧化表面改性新技术，可在钛材原位生长内部致密与钛基材结合牢固、耐磨、耐腐蚀、粗糙多孔结构的金红石相(rutile)tio2和锐钛矿相(anatase)tio2陶瓷涂层。研究表明经微弧氧化处理后种植体材料的多孔表面有利于成骨细胞的黏附与增殖，并表现出很好的骨诱导能力，从而促进种植体周围新生骨组织的生长，并缩短骨结合时间。先前的研究表明生物元素有利于改善材料的生物活性，进一步增强植入体和骨之间的锚合。微弧氧化工艺的另一个优点是可以通过控制电解液的组成和浓度，将生物元素ca、p和si等掺入到涂层中，有研究者在含ca和p的电解液中，通过比较掺si的tio2涂层与不含si的tio2涂层，发现mc3t3-e1细胞对掺si的tio2涂层黏附性更强。涂层表面富含生物活性元素ca、p和si，影响其表面吸附蛋白的构象，进而介导了成骨细胞的黏附。
尽管已有众多学者对微弧氧化生物改性开展了大量研究并取得了一系列成果。然而由于超细晶纯钛制备的难度较大，目前国际上研究报导集中在超细晶纯钛的制备，鲜少有研究者关注超细晶纯钛的进一步生物活性表面改性，有很多问题需要解决。
技术实现要素：
本发明的目的是针对目前医用纯钛材强度不足、生物活性不够理想的问题，以纯钛材和等通道转角挤压变形制备的超细晶纯钛材为基材，发明一种基于微弧氧化工艺技术的促进早期骨整合的掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层及其制备方法。该方法将使医用纯钛材的生物学性能得到优化，工艺简单，低能高效，在生物医用材料等领域具有广泛的应用前景。核心技术如下：
（1）超细晶纯钛材的制备：
将纯钛（ta2）以bc方式进行等通道转角挤压变形，挤压温度为450℃。此处的bc方式是指每次挤压后工件沿同一方向旋转90°，然后经行下一次挤压的挤压方式，共四道次挤压变形后，得到超细晶纯钛材（ecapta2）。
（2）基材表面预处理
首先将纯钛和超细晶纯钛材基材线切割成尺寸为厚度2mm的试样，用砂纸逐级打磨去除试样表面的氧化层至无明显划痕为止。将抛光处理后的纯钛依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗15min，干燥后备用。
（3）电解液配置
用去离子水将分析纯级乙酸钙、硅酸钠和多聚磷酸钠配制成电解液，其中硅酸钠浓度为8-12g/l、多聚磷酸钠浓度为6-10g/l和乙酸钙浓度为18-22g/l，优选的，硅酸钠浓度为10g/l、多聚磷酸钠浓度为8g/l和乙酸钙浓度为20g/l。
（4）微弧氧化处理
预处理后的纯钛试样置于电解液中，以医用钛材为正极、不锈钢工作槽为负极，采用多功能微弧氧化电源进行微弧氧化处理制备含硅、钙、磷的掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层。启动冷却系统使得电解液温度保持在10℃～30℃之间、所采用的工艺参数为其中电流密度为8～30a/dm2、氧化时间为2min～20min、频率为200hz～1200hz、占空比5%～40%，进行微弧氧化处理制备含硅、钙、磷的掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层。待微弧氧化反应结束后，关闭电源，取出试样。
（5）清洗干燥
将微弧氧化处理后的掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层用去离子水清洗后再自然干燥。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过微弧氧化处理技术对医用纯钛材和超细晶纯钛材进行表面改性，原位生成多孔结构涂层，粗糙度显著增加，以实施例一为例，该涂层凹凸不平，ra值为1.3μm，呈现出大量尺寸不一的椭圆形微米级和亚微米级孔洞，较大的孔穴周围凸起，类似火山口状，孔中还可观测到内层的膜层与纳米级小孔，呈多级结构，有利于成骨细胞的黏附与攀爬，增强植入体材料与成骨细胞的机械锁合，促进早期骨整合，可促进植入体与宿主骨的结合。
（2）本发明方法所制备的掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层的亲水性能得到了显著改善，表面能增强，液滴可以较好地铺展在膜层表面，以实施例一为例，接触角明显减少，由改性前的63.1˚下降至13.2˚，表面能从改性前的38.31mj·m-2增大至92.65mj·m-2，色散力分量从13.72mj·m-2降低到1.97mj·m-2，而极性力分量从24.59mj·m-2增加到90.69mj·m-2，亲水性能显著增强，有助于诱导成骨细胞的黏附和增殖。
（3）本发明方法所制备的掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层基本组成元素除了ti和o以外，还掺杂有si、ca和元素p；以实施例一为例，该涂层中各元素的质量分数为：硅3.31％、钙1.73％、磷2.94％、氧14.58％、钛77.44％，ca/p值为1.699，与人体骨组织中无机物成分的ca/p值1.67接近。涂层表面富含生物活性元素ca、p和si，有利于进一步改善材料的生物活性。
（4）本发明方法所制备的掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层的细胞毒性分级为0级，均满足细胞毒性安全要求。细胞增殖率更高，具有更好的细胞相容性。以实施例一为例，与基材相比，对成骨细胞的初期黏附及后期增殖具有更明显的促进作用。
（5）本发明采用微弧氧化处理工艺，在硅酸钠、多聚磷酸钠和乙酸钙电解液中对纯钛材和超细晶纯钛材进行表面改性，为获得掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层提供了一种工艺简单，反应快速，成膜时间短，低能高效的制备方法，在生物医用材料等领域具有广泛的应用前景。
（6）本发明从纯钛材料大变形与表面改性设计两方面着手，以性能更优异的经等通道转角挤压变形制备的超细晶纯钛材作为研究对象，采用微弧氧化处理工艺制备促进早期骨整合的掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层，可有效解决传统医用纯钛机械强度低，生物活性不足，难以满足临床应用需求的问题。
附图说明
图1是利用本发明的方法制备所得的实施例1（a）和实施例6（b）掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层的sem形貌图。
图2为超细晶纯钛基材（a）和利用本发明的方法制备所得的实施例1（c）和实施例6(d)掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层以及对照组无硅医用纯钛表面多孔钙磷涂层（b）表面的蒸馏水滴接触角照片。
图3为超细晶纯钛基材和利用本发明的方法制备所得的实施例1和实施例6掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层以及对照组无硅医用纯钛表面多孔钙磷涂层的表面能。
图4为成骨细胞在超细晶纯钛基材和利用本发明的方法制备所得的实施例1和实施例6掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层表面培养1，3，5天后的吸光度值。
图5为扫描电镜下成骨细胞在超细晶纯钛基材（a）和利用本发明的方法制备所得的实施例1（b）和实施例6（c）掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层表面培养3d后的黏附情况。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，下面所描述的实施案例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
（1）将纯钛（ta2）以bc方式进行等通道转角挤压变形，挤压温度为450℃。此处的bc方式是指每次挤压后工件沿同一方向旋转90°，然后经行下一次挤压的挤压方式，共四道次挤压变形后，得到超细晶纯钛材（ecapta2）。
（2）首先将超细晶纯钛材线切割成厚度为2mm的圆饼状，分别用150#、200#、500#、800#、1000#、2000#、5000#砂纸逐级打磨去除试样表面的氧化层至无明显划痕为止，将打磨处理后的超细晶纯钛材依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗15min，干燥后备用。
（3）将称量好的分析纯级硅酸钠、多聚磷酸钠和乙酸钙依次倒入装有去离子水的烧杯中，搅拌至充分溶解均匀后转移至容量瓶中，用滴管添加去离子水定容，配制成含有一定比例浓度的含硅、钙、磷等元素的电解液，其中硅酸钠浓度为10g/l、多聚磷酸钠浓度为8g/l和乙酸钙浓度为20g/l，然后电解液倒入电解槽，开启循环搅拌器搅拌使电解液不断流动以保持浓度均匀。
（4）将预处理后的医用钛材试样用不锈钢夹具夹紧浸入电解液中，以医用钛材为正极，夹具与微弧氧化电源的正级端相连，不锈钢工作槽为负极。启动冷却系统使得电解液温度保持在10~30℃之间。打开微弧氧化电源，在电源操作面板上选择恒电流工作方式并设置各种所需电参数，其中电流密度为电流密度20a/dm2，脉冲频率400hz，占空比10%，氧化时间分别为9min，进行微弧氧化处理，制备掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层。待微弧氧化反应结束后，关闭电源，取出试样，用去离子水冲洗，放在滤纸上于空气中自然干燥后备用。
实施例2：
（1）将纯钛（ta2）以bc方式进行等通道转角挤压变形，挤压温度为450℃。此处的bc方式是指每次挤压后工件沿同一方向旋转90°，然后经行下一次挤压的挤压方式，共四道次挤压变形后，得到超细晶纯钛材（ecapta2）。
（2）首先将超细晶纯钛材线切割成厚度为2mm的圆饼状，分别用150#、200#、500#、800#、1000#、2000#、5000#砂纸逐级打磨去除试样表面的氧化层至无明显划痕为止，将打磨处理后的超细晶纯钛材依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗15min，干燥后备用。
（3）称量好的分析纯级硅酸钠、多聚磷酸钠和乙酸钙依次倒入装有去离子水的烧杯中，搅拌至充分溶解均匀后转移至容量瓶中，用滴管添加去离子水定容，配制成含有一定比例浓度的含硅、钙、磷等元素的电解液，其中硅酸钠浓度为8g/l、多聚磷酸钠浓度为6g/l和乙酸钙浓度为18g/l，然后电解液倒入电解槽，开启循环搅拌器搅拌使电解液不断流动以保持浓度均匀。
（4）将预处理后的医用钛材试样用不锈钢夹具夹紧浸入电解液中，以医用钛材为正极，夹具与微弧氧化电源的正级端相连，不锈钢工作槽为负极。启动冷却系统使得电解液温度保持在10~30℃之间。打开微弧氧化电源，在电源操作面板上选择恒电流工作方式并设置各种所需电参数，其中电流密度为电流密度30a/dm2，脉冲频率200hz，占空比5%，氧化时间分别为2min，进行微弧氧化处理，制备掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层。待微弧氧化反应结束后，关闭电源，取出试样，用去离子水冲洗，放在滤纸上于空气中自然干燥后备用。
实施例3：
（1）将纯钛（ta2）以bc方式进行等通道转角挤压变形，挤压温度为450℃。此处的bc方式是指每次挤压后工件沿同一方向旋转90°，然后经行下一次挤压的挤压方式，共四道次挤压变形后，得到超细晶纯钛材（ecapta2）。
（2）首先将超细晶纯钛材线切割成厚度为2mm的圆饼状，分别用150#、200#、500#、800#、1000#、2000#、5000#砂纸逐级打磨去除试样表面的氧化层至无明显划痕为止，将打磨处理后的超细晶纯钛材依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗15min，干燥后备用。
（3）将称量好的分析纯级硅酸钠、多聚磷酸钠和乙酸钙依次倒入装有去离子水的烧杯中，搅拌至充分溶解均匀后转移至容量瓶中，用滴管添加去离子水定容，配制成含有一定比例浓度的含硅、钙、磷等元素的电解液，其中硅酸钠浓度为11g/l、多聚磷酸钠浓度为9g/l和乙酸钙浓度为19g/l，然后电解液倒入电解槽，开启循环搅拌器搅拌使电解液不断流动以保持浓度均匀。
（4）将预处理后的医用钛材试样用不锈钢夹具夹紧浸入电解液中，以医用钛材为正极，夹具与微弧氧化电源的正级端相连，不锈钢工作槽为负极。启动冷却系统使得电解液温度保持在10~30℃之间。打开微弧氧化电源，在电源操作面板上选择恒电流工作方式并设置各种所需电参数，其中电流密度为电流密度8a/dm2，脉冲频率400hz，占空比10%，氧化时间分别为9min，进行微弧氧化处理，制备掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层。待微弧氧化反应结束后，关闭电源，取出试样，用去离子水冲洗，放在滤纸上于空气中自然干燥后备用。
实施例4：
（1）将纯钛（ta2）以bc方式进行等通道转角挤压变形，挤压温度为450℃。此处的bc方式是指每次挤压后工件沿同一方向旋转90°，然后经行下一次挤压的挤压方式，共四道次挤压变形后，得到超细晶纯钛材（ecapta2）。
（2）首先将超细晶纯钛材线切割成厚度为2mm的圆饼状，分别用150#、200#、500#、800#、1000#、2000#、5000#砂纸逐级打磨去除试样表面的氧化层至无明显划痕为止，将打磨处理后的超细晶纯钛材依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗15min，干燥后备用。
（3）将称量好的分析纯级硅酸钠、多聚磷酸钠和乙酸钙依次倒入装有去离子水的烧杯中，搅拌至充分溶解均匀后转移至容量瓶中，用滴管添加去离子水定容，配制成含有一定比例浓度的含硅、钙、磷等元素的电解液，其中硅酸钠浓度为12g/l、多聚磷酸钠浓度为10g/l和乙酸钙浓度为22g/l，然后电解液倒入电解槽，开启循环搅拌器搅拌使电解液不断流动以保持浓度均匀。
（4）将预处理后的医用钛材试样用不锈钢夹具夹紧浸入电解液中，以医用钛材为正极，夹具与微弧氧化电源的正级端相连，不锈钢工作槽为负极。启动冷却系统使得电解液温度保持在10~30℃之间。打开微弧氧化电源，在电源操作面板上选择恒电流工作方式并设置各种所需电参数，其中电流密度为电流密度20a/dm2，脉冲频率1200hz，占空比40%，氧化时间分别为20min，进行微弧氧化处理，制备掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层。待微弧氧化反应结束后，关闭电源，取出试样，用去离子水冲洗，放在滤纸上于空气中自然干燥后备用。
实施例5：
步骤（1）-（3）同实施例1。
（4）将预处理后的医用钛材试样用不锈钢夹具夹紧浸入电解液中，以医用钛材为正极，夹具与微弧氧化电源的正级端相连，不锈钢工作槽为负极。启动冷却系统使得电解液温度保持在10~30℃之间。打开微弧氧化电源，在电源操作面板上选择恒电流工作方式并设置各种所需电参数，其中电流密度为电流密度15a/dm2，脉冲频率800hz，占空比30%，氧化时间分别为12min，进行微弧氧化处理，制备掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层。待微弧氧化反应结束后，关闭电源，取出试样，用去离子水冲洗，放在滤纸上于空气中自然干燥后备用。
实施例6：
（1）将纯钛（ta2）以bc方式进行等通道转角挤压变形，挤压温度为450℃。此处的bc方式是指每次挤压后工件沿同一方向旋转90°，然后经行下一次挤压的挤压方式，共四道次挤压变形后，得到超细晶纯钛材（ecapta2）。
（2）首先将超细晶纯钛材线切割成厚度为2mm的圆饼状，分别用150#、200#、500#、800#、1000#、2000#、5000#砂纸逐级打磨去除试样表面的氧化层至无明显划痕为止，将打磨处理后的超细晶纯钛材依次在丙酮、酒精和去离子水中超声清洗15min，干燥后备用。
（3）将称量好的分析纯级硅酸钠、多聚磷酸钠和乙酸钙依次倒入装有去离子水的烧杯中，搅拌至充分溶解均匀后转移至容量瓶中，用滴管添加去离子水定容，配制成含有一定比例浓度的含硅、钙、磷等元素的电解液，其中硅酸钠浓度为10g/l、多聚磷酸钠浓度为8g/l和乙酸钙浓度为20g/l，然后电解液倒入电解槽，开启循环搅拌器搅拌使电解液不断流动以保持浓度均匀。
（4）将预处理后的医用钛材试样用不锈钢夹具夹紧浸入电解液中，以医用钛材为正极，夹具与微弧氧化电源的正级端相连，不锈钢工作槽为负极。启动冷却系统使得电解液温度保持在10~30℃之间。打开微弧氧化电源，在电源操作面板上选择恒电流工作方式并设置各种所需电参数，其中电流密度为电流密度20a/dm2，脉冲频率400hz，占空比10%，氧化时间分别为12min，进行微弧氧化处理，制备掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层。待微弧氧化反应结束后，关闭电源，取出试样，用去离子水冲洗，放在滤纸上于空气中自然干燥后备用。
图1所示为利用本发明的方法制备所得的实施例6掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层的sem形貌图。掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层凹凸不平，呈现出大量尺寸不一的椭圆形微米级和亚微米级孔洞，这些微小孔洞是因为微弧氧化过程中放电微区内基材与电解液发生反应所形成的氧化物喷发通道。氧化物喷发通道周围分布着许多大小不一的火山丘状凸起，较大的孔穴周围凸起，类似火山口状，孔中还可观测到内层的膜层与纳米级小孔，呈多级结构，有利于成骨细胞的黏附与攀爬，增强植入体材料与成骨细胞的机械锁合，促进早期骨整合。实施例1中制备的样品结果显示，微弧氧化处理显著提高了超细晶纯钛的表面粗糙度，ra值为1.9μm。该涂层中各元素的质量分数为：硅3.46％、钙3.20％、磷1.79％、氧77.50％、钛14.04％，ca/p值为1.788，与人体骨组织中无机物成分的ca/p值1.67较接近。涂层表面富含生物活性元素ca、p和si，有利于进一步改善材料的生物活性。
同样的，实施例6中制备的样品结果显示，微弧氧化处理显著提高了超细晶纯钛的表面粗糙度，ra值为1.3μm。该涂层中各元素的质量分数为：硅3.31％、钙2.942％、磷1.73％、氧14.58％、钛77.44％，ca/p值为1.699，与人体骨组织中无机物成分的ca/p值1.67接近。涂层表面富含生物活性元素ca、p和si，有利于进一步改善材料的生物活性。
图2和图3所示为超细晶纯钛基材和利用本发明的方法制备所得的实施例1掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层以及对照组无硅医用纯钛表面多孔钙磷涂层表面的蒸馏水滴接触角照片及表面能。基材表面水滴凸起明显。实施例1和6中制备的样品结果同样显示：对照组：无硅医用纯钛表面多孔钙磷涂层对蒸馏水的接触角有所下降，减少至为48.1°，表面能为53.58mj·m-2，色散力分量4.59mj·m-2，极性力分量48.99mj·m-2。而微弧氧化处理后，实施例1的结果中，液滴可以较好地铺展在掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层表面，接触角明显减少，由改性前的63.1˚下降至13.2˚，表面能从改性前的38.31mj·m-2增大至92.65mj·m-2，色散力分量从13.72mj·m-2降低到1.97mj·m-2，而极性力分量从24.59mj·m-2增加到90.69mj·m-2，亲水性能显著增强。
实施例6的结果中，液滴可以较好地铺展在掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层表面，接触角明显减少，由改性前的63.1˚下降至13.9˚，表面能从改性前的38.31mj·m-2增大至84.51mj·m-2，色散力分量从13.72mj·m-2降低到1.34mj·m-2，而极性力分量从24.59mj·m-2增加到83.17mj·m-2，亲水性能显著增强。
图4为采用mtt法比较成骨细胞在超细晶纯钛基材和利用本发明的方法制备所得的实施例1掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层表面培养1，3，5天后的吸光度值。单从氧化时间对细胞存活数量的影响进行分析，不难发现，随着氧化时间的增加，细胞存活数量增加，并且在掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层的吸光度值达到最大，间接说明细胞存活数量最多。涂层对成骨细胞的初期黏附及后期增殖具有更明显的促进作用，生物活性更好。
图5给出了扫描电镜下成骨细胞在超细晶纯钛基材和利用本发明的方法制备所得的实施例1掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层表面以及对照组无硅医用纯钛表面多孔钙磷涂层表面培养3d后的黏附情况。如图所示，均有细胞黏附，贴壁生长良好且有伪足出现。基材表面成骨细胞形状扁平，呈梭形，与基材抛光方向基本一致。掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层表面细胞伪足伸展更长，彼此相连成网状，并攀附于涂层表面孔洞边缘。有的细胞已经向周围的孔洞伸入，与涂层表面形成牢固地锚定作用（如图中白色箭头所示），立体、粗糙、多孔的涂层表面为成骨细胞的生长提供了空间，有利于成骨细胞的附着、攀爬与向内长入。
由以上实验结果可知，利用本发明的方法制备所得的实施例1掺硅医用纯钛表面多孔生物活性涂层富含生物活性元素ca、p和si，且粗糙度适宜、亲水性能增强、表面能显著提高，可以更好地促进成骨细胞的初期黏附及后期增殖，生物活性更好。