专利名称：化学法在NiTi合金表面制备羟基磷灰石生物活性层的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过化学处理活化NiTi形状记忆合金表面，使其在模拟体液中快速生长羟基磷灰石生物活性层的方法。属于NiTi合金表面制备生物活性层技术。
背景技术：
羟基磷灰石(HA)具有很好的生物相容性，若能在NiTi形状记忆合金表面上涂覆羟基磷灰石层，则可以充分发挥金属优异的力学性能和陶瓷独特的生物相容性，制成能够满足临床应用的人体硬组织替代和修复材料。目前，在NiTi合金表面形成羟基磷灰石的常用方法为等离子喷涂法和激光熔融涂覆法。这些方法制备的涂层均在高温下形成，羟基磷灰石为非晶态，易溶解，与基体的结合力较低。同时，工艺过程的高温环境会使基体产生相变，破坏形状记忆效应，而重新训练又势必使涂层剥落，影响了临床使用效果。
目前，也有人提出在钛及其合金、锆、钽金属及不锈钢表面采用化学表面处理法制备羟基磷灰石层，所提供的方法多数是采用碱处理活化金属表面，然后在模拟体液中自然诱导羟基磷灰石形成。该过程在较低温度下完成，涂层均匀、结晶状态好，与基体的结合强度较高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用化学法在NiTi形状记忆合金表面制备羟基磷灰石生物活性层的方法。该方法通过酸碱处理调制NiTi合金的表面成分及结构，使其具有诱导生物矿物的结晶方式，提供矿物结晶形成的生长点的能力，即所谓生物活性。表现为在模拟体液中能快速、自然地沉积羟基磷灰石(HA)层。
本发明是通过下述技术方案加以实现的。以Ni和Ti近等原子比的NiTi合金为基体。基体首先经砂纸打磨及用丙酮和去离子水超声波清洗，干燥。然后进行酸碱处理和干燥。再将其置于饱和Na2HPO4和饱和Ca(OH)2溶液中预钙化。最后在模拟体液中自然生长Ca/P比接近1.67的羟基磷灰石层。其特征在于酸处理是采用HCl∶H2SO4∶H2O的配比为1∶1∶0～4的混合酸，或者浓度为30-65％的HNO3水溶液，处理温度为20-60℃，处理时间为1-24h。清洗后，在浓度为1-5M的氢氧化钠水溶液中，于40-150℃温度下浸泡1-24h。
本发明的优点在于酸碱处理工艺均在较低温度下进行，基体NiTi合金中不产生相变，仍具有形状记忆效应，但其表面却从生物惰性变为生物活性，可直接植入人体，并在体液中快速诱导羟基磷灰石形成。且涂层厚度均匀，与基体为化学键合，结合强度高。体内、体外对比实验表明，活化的NiTi合金表面细胞粘覆能力强，可诱导骨生长，种植体与骨组织间界面结合牢固。此外，表面耐蚀性的提高和HA层的阻挡作用，使困扰NiTi合金广泛应用的镍离子溶出问题得到了有效的控制。而且，活化处理工艺简单，设备投资少，适用于各种复杂形状的植入体，便于推广应用。
具体实施例方式
2)将试样用砂纸从150#-400#依次打磨，用丙酮进行超声波清洗约10分钟，然后用去离子水清洗，干燥。
3)酸处理将清洗后的试样浸入1∶1比例的HCl(36％)、H2SO4(95％)混合液溶液中，恒温60℃侵蚀25分钟后取出，超声波清洗后，40℃干燥。
4)碱处理将酸处理后的试样置于冷凝回流装置中，用2MNaOH溶液加热煮沸5小时，整个过程中保持NaOH体积不变。碱煮后的试样用去离子水超声波清洗。
5)预钙化处理将上述试样投入饱和Na2HPO4溶液中，40℃下恒温15小时，取出，清洗，再置于饱和Ca(OH)2溶液中，室温下浸泡10小时，取出清洗。
6)钙化处理用分析纯化学试剂配制离子浓度分别为[Cl-]＝144.5mM，[Ca2+]＝3.10mM，[HPO42-]＝1.86mM，[Na+]＝126.8mM，[K+]＝4.64mM的钙化液，用NaOH调节其pH值为8.5。碱处理后试样在钙化液中浸泡24h，表面沉积Ca/P比为1.6的钙磷层，钙化液的pH值随之降低。
7)经扫描电镜观察酸处理试样表面为条沟状形貌，XPS分析Ni、Ti原子百分比仍接近1∶1，碱处理后，表面氧化膜增厚，主要由Ni2O3和TiO2组成。
实施例21)实验选用10×10×3mm的块状NiTi合金，Ni、Ti原子百分比约为1∶1。
2)将试样用砂纸从150#-400#依次打磨，用丙酮进行超声波清洗约10分钟，然后用去离子水清洗，干燥。
3)酸处理将清洗后的试样浸入HNO3(40％)水溶液中，恒温60℃侵蚀20h后取出，超声波清洗后，40℃干燥。
4)碱处理将酸处理后的试样置于冷凝回流装置中，用1.2MNaOH水溶液加热煮沸5小时，整个过程中保持NaOH体积不变。碱煮后的试样用去离子水超声波清洗。
5)预钙化处理将上述试样投入饱和Na2HPO4溶液中，40℃下恒温15小时，取出，清洗，再置于饱和Ca(OH)2溶液中，室温下浸泡10小时，取出清洗。
6)钙化过程将预处理的试样浸入配制好的模拟体液中，其离子浓度分别为[Na+]＝142.0mM，[Cl-]＝125.0mM，[HCO3-]＝27.0mM，[K+]＝5.0mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[HPO42-]＝1.0mM，[SO42-]＝0.5mM.用缓血酸胺和1M HCl调节体液pH＝7.4，温度为37℃。碱处理试样在其中浸泡12h表面开始生长羟基磷灰石，溶液的pH值先升高后降低。
7)经扫描电镜观察酸处理试样表面为100-200um大小的凹坑形态，XPS分析Ti原子价变化较大，X射线衍射分析表层有TiO2和TiO钝化膜。碱处理后表面形成由钛酸钠构成的网状结构层，并有微量Ni2O3。
实施例31)实验选用10×10×3mm的块状NiTi合金，Ni、Ti原子百分比约为1∶1。
2)将试样用砂纸从150#-400#依次打磨，用丙酮进行超声波清洗约10分钟，然后用去离子水清洗，干燥。
3)酸处理将清洗后的试样浸入HNO3(52％)水溶液中，恒温60℃侵蚀20h后取出，超声波清洗后，40℃干燥。
4)碱处理将酸处理后的试样浸泡在1.0MNaOH水溶液中，恒温60℃处理24h后取出，超声波清洗后40℃干燥。
5)预钙化处理将上述试样投入饱和Na2HPO4溶液中，40℃下恒温15小时，取出，清洗，再置于饱和Ca(OH)2溶液中，室温下浸泡10小时，取出清洗。
6)钙化过程将预处理的试样浸入配制好的模拟体液中，其离子浓度分别为[Na+]＝142.0mM，[Cl-]＝125.0mM，[HCO3-]＝27.0mM，[K+]＝5.0mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[HPO42-]＝1.0mM，[SO42-]＝0.5mM.用缓血酸胺和1M HCl调节体液pH＝74，温度为37℃。碱处理试样在其中浸泡72h表面开始生长羟基磷灰石，溶液的pH值先升高后降低。
7)碱处理表面经扫描电镜观察发现纳米尺度的针棒状相，X射线衍射分析此为钛酸钠晶体，XPS分析Ti原子价态比酸处理表面有较大变化。
以上几例活化的NiTi合金，经模拟体液浸泡的表面沉积层，经扫描电镜及其能谱、X射线衍射和红外吸收光谱分析为掺杂少量其它钙磷化合物的羟基磷灰石。对涂层性能进行以下检测1)腐蚀实验取原始和钙化试样个一块，在待测面的背面焊上一根导线然后蜡封所有非待测面，用恒电位仪测量两种试样在0.9％NaCl生理盐液中的耐蚀性能。结果表明有涂层试样的抗蚀性明显提高。2)Ni离子溶出实验取试样两块，一块为经过钙化7天后的试样，并将非钙化的其它表面用蜡封好；另一块仅经过砂纸打磨和超声波清洗，并将非打磨面用蜡封好。
将两块试样分别浸入装有50ml Hank’s溶液的密封烧杯中，烧杯置于恒温槽内保持37℃两周。每隔一定时间从烧杯中取出10ml浸泡液，用日产HITACHI180-80型原子吸收光谱仪测定Ni离子的浓度。3)体外细胞培养；取原始和钙化试样各一组，在试样表面种植成纤维细胞，一定时间后用扫描电镜观察细胞在试样表面的粘覆情况。4)体内种植试验按GB/T 16886.6-1997，将Φ2mm，长6mm的处理及未处理试样植入家兔股骨，按1，3，6，9，12个月分别取出标本，用荧光显微镜、扫描电镜和透射电镜分别对脱钙和不脱钙标本进行分析，评价起生物相容性。
权利要求
1.一种化学法在NiTi合金表面制备羟基磷灰石生物活性层的方法，该方法以Ni和Ti近等原子比的NiTi合金为基体，基体首先经砂纸打磨及用丙酮和去离子水超声波清洗，干燥，然后进行酸碱处理和干燥，再将其置于饱和Na2HPO4和饱和Ca(OH)2溶液中预钙化，最后在模拟体液中自然生长Ca/P比接近1.67的羟基磷灰石层，其特征在于酸处理是采用HCl∶H2SO4∶H2O的配比分别为1∶1∶0-4，的混合酸，或者浓度为30-65％的HNO3水溶液，处理温度为20-60℃，处理时间为1-24h，清洗后，在浓度为1-5M的氢氧化钠水溶液中，于40-150℃温度下浸泡1-24h。
全文摘要
本发明公开了一种化学法在NiTi合金表面制备羟基磷灰石生物活性层的方法，属于NiTi合金表面制备生物活性层技术。该方法以Ni、Ti近等原子比的NiTi合金为基体，经打磨、清洗、干燥，然后进行酸碱处理、干燥，再将其置于Na
文档编号A61L27/32GK1417378SQ0215359
公开日2003年5月14日 申请日期2002年12月2日 优先权日2002年12月2日
发明者杨贤金, 崔振铎, 陈民芳, 朱胜利 申请人:天津大学