专利名称：一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法
技术领域：
本发明涉及一种医用材料表面生物活性纳米复合层的制备方法，尤其涉及的是通过阳极氧化法和化学法相结合，在体液环境里制备出具有纳米结构的生物活性复合层的方法。
背景技术：
钛和钛合金由于具有优良的力学强度、密度低、弹性模量低且在生理环境下耐腐蚀好的诸多优点，在医学领域中是人体硬组织常用的生物材料。但是钛和钛合金长期处在人体的环境中，会出现生物活性低、金属离子溶出的问题。为了解决上述的问题，有必要控制和改善金属的表面性质，通过表面改性的技术来提高金属植入材料的生物相容性和抗腐蚀性。目前，表面改性技术主要包括溶胶-凝胶法、碱热处理法、双氧水处理法、自组装单分子膜法、等离子喷涂、化学气相沉积方法和激光熔覆法。其中，在临床上应用最为广泛的是等离子喷涂技术，但是等离子喷涂在高温过程中羟基磷灰石的粉体会发生分解，从而导致涂层的附着力下降，植入人体后会产生涂层脱落、溶解的问题。
近年来，二氧化钛的纳米结构研究引起了研究者的极大兴趣，通过紫外光的激发二氧化钛显示出优越的光催化性能，在光电化学、气敏和空气净化等领域有着了广泛的应用。二氧化钛的等电点较低，表面带负电荷在体液环境下可以吸附体液中的钙离子，然后磷酸根离子和钙离子共沉积，磷灰石异相成核并结晶生长，在金属钛或钛合金基体表面形成类磷灰石。
目前通过化学方法或电化学方法对医用金属进行表面改性，制备得到的金属表面只具有微米级的孔结构，并没有真正意义上将纳米结构成功地应用于医用金属的表面改性中。通过在医用金属表面构筑出与基体具有很好结合力的纳米结构，可以在模拟体液环境下更加有效地诱导羟基磷灰石的形成，以提高金属的生物相容性，防止金属中有害离子在人体中的缓慢释放。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，通过阳极氧化在金属表面构筑的特殊纳米结构，在体液环境下促进了羟基磷灰石的沉积，制备出的生物活性纳米复合层和基体结合程度好，其制备工艺程序简单，周期短，操作性强。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案提供一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其包括如下步骤预处理步骤，将医用纯钛或钛合金基体放入稀释的酸液中进行侵蚀处理；阳极氧化步骤，将预处理后的钛或钛合金基体作为阳极，放在含有电解质溶液的聚四氟乙烯烧杯中，不锈钢或铂片作为阴极，进行阳极氧化0.5～6小时，在表面生成致密的二氧化钛纳米管状结构膜；活化处理步骤，待阳极氧化结束后，用水清洗钛或钛合金基体，放入40～80℃的碱性溶液中进行活化处理0.5～3小时；热处理步骤，处理后的钛或钛合金基体放在加热炉中加热至450℃～650℃，并在450℃～650℃下保温0.5～3小时，待冷却至室温后取出；诱导形成羟基磷灰石步骤，将经热处理的钛或钛合金基体浸入模拟体液中，浸泡一定时间后取出清洗、烘干。
上述技术方案的进一步改进在于预处理步骤中，所述稀释的酸液为1～5％的氢氟酸稀释液或者1～5％的氢氟酸和5～30％的硝酸的混合液。
上述技术方案的进一步改进在于阳极氧化步骤中，阳极氧化的电压为10～30V，温度为5～30℃。
上述技术方案的进一步改进在于阳极氧化步骤中，所述的电解质溶液为0.1～0.6％的氢氟酸溶液或0.5～2mol/L(NH4)2SO4和0.1～2wt％NH4F的水溶液或0.5～2mol/L NH4H2PO4和0.1～2wt％NH4F的水溶液或0.5～2mol/LH25O4和0.05～0.5mol/L NaF的水溶液。
上述技术方案的进一步改进在于活化处理步骤中，所述的碱性溶液为1mol/L～10mol/L的氢氧化钠溶液。
上述技术方案的进一步改进在于热处理步骤中，升温速度为1～20℃/min。
上述技术方案的进一步改进在于诱导形成羟基磷灰石步骤中，将经热处理的钛或钛合金基体浸入模拟体液中，在35℃～38℃下浸泡1～15天后，取出清洗、烘干。
上述技术方案的进一步改进在于诱导形成羟基磷灰石步骤中，所采用的模拟体液中各离子浓度为[Na+]＝142mM，[K+]＝5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Cl-]＝125mM，[SO42-]＝0.5mM，[HCO3-]＝27mM，[HPO42-]＝1.0mM。
上述技术方案的进一步改进在于所述模拟体液用1M的盐酸和50mM三羟甲基氨基甲烷调节溶液pH为7.40。
上述技术方案的进一步改进在于所述加热炉为温控箱式电阻炉。
由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果通过阳极氧化法制备得到的具有纳米管状结构的二氧化钛薄膜，与基体材料的结合程度好；通过碱液的活化处理以及热处理，进一步提高了二氧化钛的纳米管状结构膜的生物活性，在体液环境下可以迅速诱导形成纳米羟基磷灰石，从应用上提高了医用植入金属和骨组织之间的化学键合，增强了生物相容性。采用的工艺操作性强，程序简单，设备要求低，时间周期短。
图1是本发明一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式如图1所示，本发明提供一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其包括如下步骤预处理步骤，将医用纯钛或钛合金基体放入稀释的酸液中进行侵蚀处理；阳极氧化步骤，将预处理后的钛或钛合金基体作为阳极，放在含有电解质溶液的聚四氟乙烯烧杯中，不锈钢或铂片作为阴极，进行阳极氧化0.5～6小时，在表面生成致密的二氧化钛纳米管状结构膜；活化处理步骤，待阳极氧化结束后，用水清洗钛或钛合金基体，放入40～80℃的碱性溶液中进行活化处理0.5～3小时；热处理步骤，处理后的钛或钛合金基体放在温控箱式电阻炉中加热至450℃～650℃，并在450℃～650℃下保温0.5～3小时，待冷却至室温后取出；诱导形成羟基磷灰石步骤，将经热处理的钛或钛合金基体浸入模拟体液中，在35℃～38℃下浸泡1～20天后，取出清洗、烘干。
其中，预处理步骤中，所述的稀释的酸液为1～5％的氢氟酸稀释液或1～5％的氢氟酸和5～30％的硝酸的混合液。
阳极氧化步骤中，所述的电解质溶液为所述的电解质溶液为0.1～0.6％的氢氟酸溶液或0.5～2mol/L(NH4)2SO4和0.1～2wt％NH4F的水溶液或0.5～2mol/L NH4H2PO4和0.1～2wt％NH4F的水溶液或0.5～2mol/L H2SO4和0.05～0.5mol/L NaF的水溶液。
阳极氧化步骤中，阳极氧化的电压为10～30V，温度为5～30℃。
活化处理步骤中，所述的碱性溶液为1mol/L～10mol/L的氢氧化钠溶液。
热处理步骤中，升温速度为1～20℃/min。
诱导形成羟基磷灰石步骤，所采用的模拟体液中各离子浓度为[Na+]＝142mM，[K+]＝5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Cl-]＝125mM，[SO42-]＝0.5mM，[HCO3-]＝27mM，[HPO42-]＝1.0mM。
下面通过几个实验例对本发明进行更详细地阐述。
实验例1将医用的纯钛TA2基体，放入含有3％的稀释氢氟酸液中进行侵蚀60秒，除去表面的污物和氧化物，用去离子水冲洗、烘干；将预处理后的钛基体作为阳极，放入含有0.4％氢氟酸电解液的聚四氟乙烯的烧杯中，不锈钢作为阴极，在直流电压为20V，15℃下进行阳极氧化0.5小时；将氧化后的钛基体放入60℃的5mol/L的氢氧化钠溶液中进行活化处理1小时，用去离子水冲洗、烘干；再将钛基体放入温控箱式电阻炉中升温至500℃，升温速度为5℃/min，并在500℃下保温2小时，待冷却至室温后取出。将处理后的钛基体浸入预先配制的模拟体液中在36.5℃下浸泡7天后，取出清洗、烘干。其中，所述模拟体液中各离子浓度分别是[Na+]＝142mM，[K+]＝5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Cl-]＝125mM，[SO42-]＝0.5mM，[HCO3-]＝27mM，[HPO42-]＝1.0mM，而且所述模拟体液用1M的盐酸和50mM三羟甲基氨基甲烷调节溶液pH为7.40。通过扫描电子显微镜对煅烧后的钛基体进行表征，金属的表面氧化形成许多畴结构，每个畴结构上出现的二氧化钛管状结构的外孔径为50～100nm，内孔径为20～60nm。
实验例2将医用的钛合金基体，放入含有2％的氢氟酸和15％的硝酸的混合液中进行侵蚀60秒，除去表面的污物和氧化物，用去离子水冲洗、烘干；将预处理后的钛合金基体作为阳极，放入含有0.4％氢氟酸电解液的聚四氟乙烯的烧杯中，不锈钢作为阴极，在直流电压为20V，25℃下进行阳极氧化0.5小时；将氧化后的钛合金基体放入60℃的10mol/L的氢氧化钠溶液中进行活化处理30分钟，用去离子水冲洗、烘干；再将钛合金基体放入温控箱式电阻炉中升温至600℃，升温速度为10℃/min，并在600℃下保温1小时，待冷却至室温取出。将处理后的钛合金基体浸入预先配制的模拟体液中在37℃下浸泡10天后，取出清洗、烘干。其中，所述模拟体液中各离子浓度分别是[Na+]＝142mM，[K+]＝5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Cl-]＝125mM，[SO42-]＝0.5mM，[HCO3-]＝27mM，[HPO42-]＝1.0mM，上述模拟体液用1M的盐酸和50mM三羟甲基氨基甲烷调节溶液pH为7.40。
实验例3将医用的纯钛基体，放入3％的稀释氢氟酸液中进行侵蚀60秒，除去表面的污物和氧化物，后用去离子水冲洗、烘干；将预处理后的钛基体作为阳极，放入含有1mol/L(NH4)2SO4和1wt％NH4F电解液的聚四氟乙烯的烧杯中，铂片作为阴极，在直流电压为20V，室温的条件下进行阳极氧化3小时；将氧化后的钛基体放入50℃的10mol/L氢氧化钠的溶液中进行活化处理0.5小时，用去离子水冲洗、烘干；然后将钛基体放在温控箱式电阻炉中在600℃下煅烧1小时，升温速度为10℃/min，待冷却至室温后取出。将处理好的钛基体浸入预先配制好的模拟体液中在36.5℃下浸泡10天后，取出清洗、烘干。其中，模拟体液中各离子浓度分别是[Na+]＝142mM，[K+]＝5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Cl-]＝125mM，[SO42-]＝0.5mM，[HCO3-]＝27mM，[HPO42-]＝1.0mM，上述模拟体液用1M的盐酸和50mM的三羟甲基氨基甲烷调节溶液pH为7.40。
实验例4将医用的纯钛基体，放入2％的氢氟酸的稀释液中进行侵蚀3分钟，后用去离子水冲洗、烘干；将预处理后的钛基体作为阳极，放入含有1mol/LH2SO4和0.2mol/L NaF电解液的聚四氟乙烯的烧杯中，不锈钢作为阴极，在直流电压为20V，20℃的条件下进行阳极氧化1小时；将氧化后的钛基体放入60℃的5mol/L氢氧化钠的溶液中进行活化处理1小时，用去离子水冲洗、烘干；将钛基体放在马弗炉中在600℃下保温1小时，升温速度为10℃/min，待冷却至室温取出。将处理好的钛基体，浸入预先配制好的模拟体液中在36.5℃下浸泡15天后，取出清洗、烘干。其中，模拟体液中各离子浓度分别是[Na+]＝142mM，[K+]＝5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Cl-]＝125mM，[SO42-]＝0.5mM，[HCO3-]＝27mM，[HPO42-]＝1.0mM，上述模拟体液用1M的盐酸和50mM三羟甲基氨基甲烷调节溶液pH为7.40。
实验例5将医用的纯钛TA2基体，放入3％的氢氟酸的稀释液中进行侵蚀，除去表面的污物和氧化物，后用去离子水冲洗、烘干；将预处理后的钛基体作为阳极，放入含有1mol/LNH4H2PO4和0.5wt％NH4F电解液的聚四氟乙烯的烧杯中，不锈钢作为阴极，在直流电压为20V，室温的条件下进行阳极氧化3小时；将氧化后的钛基体放入60℃的5mol/L氢氧化钠的溶液中进行活化处理1小时，用去离子水冲洗、烘干；然后将钛基体放在马弗炉中在600℃下煅烧1小时，升温速度为10℃/min。将处理后的钛基体浸入预先配制好的模拟体液中在36.5℃下浸泡15天后，取出清洗、烘干。其中，模拟体液中各离子浓度分别是[Na+]＝142mM，[K+]＝5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Cl-]＝125mM，[SO42-]＝0.5mM，[HCO3-]＝27mM，[HPO42-]＝1.0mM，上述模拟体液用1M的盐酸和50mM三羟甲基氨基甲烷调节溶液pH为7.40。
权利要求
1.一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其包括如下步骤预处理步骤，将医用纯钛或钛合金基体放入稀释的酸液中进行侵蚀处理；阳极氧化步骤，将预处理后的钛或钛合金基体作为阳极，放在含有电解质溶液的聚四氟乙烯烧杯中，不锈钢或铂片作为阴极，进行阳极氧化0.5～6小时，在表面生成致密的二氧化钛纳米管状结构膜；活化处理步骤，待阳极氧化结束后，用水清洗钛或钛合金基体，放入40～80℃的碱性溶液中进行活化处理0.5～3小时；热处理步骤，处理后的钛或钛合金基体放在加热炉中加热至450℃～650℃，并在450℃～650℃下保温0.5～3小时，待冷却至室温后取出；诱导形成羟基磷灰石步骤，将经热处理的钛或钛合金基体浸入模拟体液中，浸泡一定时间后取出清洗、烘干。
2.如权利要求1所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于预处理步骤中，所述稀释的酸液为1～5％的氢氟酸稀释液或者1～5％的氢氟酸和5～30％的硝酸的混合液。
3.如权利要求1所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于阳极氧化步骤中，阳极氧化的电压为10～30V，温度为5～30℃。
4.如权利要求1或3所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于阳极氧化步骤中，所述的电解质溶液为0.1～0.6％的氢氟酸溶液或0.5～2mol/L(NH4)2SO4和0.1～2wt％NH4F的水溶液或0.5～2mol/L NH4H2PO4和0.1～2wt％NH4F的水溶液或0.5～2mol/L H2SO4和0.05～0.5mol/L NaF的水溶液。
5.如权利要求1所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于活化处理步骤中，所述的碱性溶液为1mol/L～10mol/L的氢氧化钠溶液。
6.如权利要求1所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于热处理步骤中，升温速度为1～20℃/min。
7.如权利要求1所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于在诱导形成羟基磷灰石步骤，将经热处理的钛或钛合金基体浸入模拟体液中，在35℃～38℃下浸泡1～15天后，取出清洗、烘干。
8.如权利要求7所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于诱导形成羟基磷灰石步骤中，所采用的模拟体液中各离子浓度为[Na+]＝142mM，[K+]＝5mM，[Ca2+]＝2.5mM，[Mg2+]＝1.5mM，[Cl-]＝125mM，[SO42-]＝0.5mM，[HCO3-]＝27mM，[HPO42-]＝1.0mM。
9.如权利要求1、7或8所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于所述模拟体液用1M的盐酸和50mM三羟甲基氨基甲烷调节溶液pH为7.40。
10.如权利要求1所述的一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，其特征在于所述加热炉为温控箱式电阻炉。
全文摘要
本发明涉及一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法，包括如下步骤将医用金属纯钛或钛合金基体放入稀释的酸液中进行侵蚀预处理；将预处理后的钛或钛合金基体作为阳极进行阳极氧化，在金属表面生成致密的二氧化钛纳米管状结构膜；放入碱性溶液中进行活化处理；活化处理后的钛或钛合金基体在450℃～650℃下热处理0.5～3小时；然后将其放入模拟体液中诱导生成羟基磷灰石。本发明的特点在于提出了一种阳极氧化和碱热处理相结合的方法，在医用金属表面制备出具有特殊纳米结构的二氧化钛膜，和基体有很好的结合力，并在类体液环境下能够更好地诱导形成纳米尺度的羟基磷灰石，以提高医用金属的生物相容性。
文档编号A61L27/32GK1769527SQ20051011440
公开日2006年5月10日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者王臻, 李荣先 申请人:深圳清华大学研究院