一种医用钛基底材料及其制造方法
【专利摘要】本发明提供一种医用钛基底材料，其包括钛基底以及在该钛基底表面上形成的微米/纳米多级复合孔结构的锐钛矿型二氧化钛膜层。本发明还提供一种医用钛基底材料的制造方法，依次包括以下步骤：对钛基底进行表面预处理，包括抛光和清洁步骤；进行酸刻蚀处理，酸刻蚀溶液为硫酸与盐酸混合溶液，经过酸刻蚀处理后在所述钛基底表面形成微米级孔结构，进行阳极氧化处理，经过阳极氧化处理后，在微米级结构上形成纳米级孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构；进行热处理，经过热处理后在钛基底材料表面形成微米/纳米多级复合孔结构的锐钛矿型二氧化钛膜层。
【专利说明】一种医用钛基底材料及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种生物基底材料及其制造方法，尤其涉及一种医用钛基底材料及其制造方法。
【背景技术】
[0002]生物基底材料植入生物体内，基底材料的表面会与生物组织产生非常复杂的生理作用，而生物基底材料的表面物理化学性质，如表面形貌、粗糙度以及表面能等性质均可影响其生物学反应(G.Mendonca, D.Mendonca, Biomaterials, 2008, 29:3822)。钦及其合金具有质量轻、弹性模量与骨接近、生物相容性和耐蚀性良好的优点，而成为生物医学领域中广泛使用的硬组织替换基底材料。但钛基底材料的表面具有生物惰性，在植入人体后，钛基底材料与骨组织之间常会形成一层纤维包裹组织，最终导致植入体的失效，难以满足临床上的生物活性需求(X.Liu, P.K.Chu, C.Ding, Mater.Sc1.Eng.R, 2004，47:49)。因此需要提供具有高生物活性和相容性的钛种植体，以减少钛基底材料与骨组织之间诸多性能上的差异。
【发明内容】
[0003]为解决钛基底材料表面生物活性和相容性低的问题，本发明提供一种医用钛基底材料的制造方法，依次包括以下步骤:
[0004]对钛基底材料进行表面预处理，包括抛光步骤和清洗步骤；
[0005]进行酸刻蚀处理，酸刻蚀溶液为体积比为(1-3):1的重量比为48%硫酸(H2SO4)和重量比为18%盐酸(HCl )，刻蚀温度为65-90°C，刻蚀时间为1_3小时，经过酸刻蚀处理后在钛基底材料表面形成微米级孔结构；
[0006]进行阳极氧化处理，电解液为重量比为0.3%-1%的氟化铵(NH4F)和重量比为
0.2%-1%过氧化氢(H2O2)的乙二醇溶液或3-lOmol/L的氢氧化钠(NaOH)溶液，电压为10-50V，温度为室温，时间为30-180分钟，经过阳极氧化处理在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构；
[0007]进行热处理，温度为400-500°C，时间为2-4小时，经过热处理在钛基底材料表面形成具有微米/纳米多级复合孔结构的锐钛矿型二氧化钛(TiO2)膜层。微米/纳米多级复合孔结构的孔径范围为10纳米至6微米。
[0008]在表面预处理步骤中，钛基底材料的抛光是采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨至1200#，钛基底材料的清洗是依次采用丙酮、乙醇和水超声清洗，而后晾干备用。
[0009]在酸刻蚀步骤后，取出钛金属基底进行超声清洗，晾干备用。
[0010]在阳极氧化步骤中，阳极氧化的电解液为含重量比为0.3%-1%的氟化铵(NH4F)和重量比为0.2%-1%过氧化氢(H2O2)的乙二醇溶液，得到微米/纳米多级网络状孔结构；阳极氧化的电解液为3-10mol/L的氢氧化钠(NaOH)溶液，得到微米/纳米多级海绵状孔结构。
[0011]热处理步骤在马弗炉中进行，用以将阳极氧化后无定形的二氧化钛膜晶化成锐钛矿型二氧化钛膜层。
[0012]通过上述方法制造的医用钛基底材料包括钛基底以及在该钛基底表面上形成的微米/纳米多级复合孔结构的锐钛矿型二氧化钛膜层。微米/纳米多级复合孔结构为微米/纳米多级网络状孔结构或微米/纳米多级海绵状孔结构。微米/纳米多级复合孔结构的孔径范围为10纳米至6微米，其表面结构使其具有高的生物活性和生物相容性。上述制造医用钛基底材料的方法可广泛地应用于对金属种植体的表面改性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为实施 例1与实施例2中所得到钛基底材料的SEM照片。
[0014]图2为实施例1与实施例2中所得到钛基底材料的Raman光谱。
[0015]图3为实施例1、对比例2和对比例3中所得到钛基底材料的的SEM照片。
[0016]图4为MG63细胞分别在实施例1、对比例1、对比例2和对比例3所得到的钛基底材料上培养24小时后的SEM照片。
[0017]图5为MG63细胞分别在实施例1、对比例1、对比例2和对比例3所得到的钛基底材料上培养I天、3天和7天后的MTT吸光值。
[0018]图6为实施例2和对比例4中所得到钛基底材料的SEM照片。
[0019]图7为MG63细胞分别在实施例2、对比例1、对比例4所得到的钛基底材料上培养24小时后的荧光图。
[0020]图8为MG63细胞分别在实施例2、对比例I和对比例4所得到的钛基底材料上培养I天、3天和7天后的MTT吸光值。
[0021]图9为实施例1、实施例2、对比例1、对比例2在SBF溶液中浸泡14天后的SEM照片。
[0022]图10为实施例1和实施2所得到钛基底材料表面的沉积物膜层的EDS分析谱图。
[0023]图11为实施例1和实施2所得到钛基底材料表面的沉积物膜层的红外分析谱图。
【具体实施方式】
[0024]实施例1:
[0025]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0026]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0027]将经过酸刻蚀的钛板置于含0.3%NH4F和0.2%H202的乙二醇电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为50V，时间为30分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0028]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有微米/纳米多级海绵状孔结构。如图1 (a)和(b)的SEM照片显示，该微米/纳米多级海绵状孔结构的孔径范围为 lOnm-6 μ m。
[0029]实施例2:[0030]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0031 ] 将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0032]将经过酸刻蚀的钛板置于5mol/L的NaOH电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为15V，时间为120分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0033]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有微米/纳米多级网络状孔结构。如图1 (c)和(d)的SEM照片显示，该微米/纳米多级网络状孔结构的孔径范围为 lOnm-6 μ m。
[0034]在图2的Raman光谱中，曲线a对应于实施例1中具有微米/纳米多级网络状孔结构的二氧化钛膜，曲线b对应于实施例1中具有微米/纳米多级网络状孔结构的二氧化钛膜。在Raman光谱的波长为和638CHT1处出现了锐钛矿型TiO2的特征谱峰，由此证实在实施例1和实施例2中，经过热处理后钛基底材料的表面膜层主要成分是锐钛矿型TiO2。
[0035]实施例3:
[0036]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0037]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0038]将经过酸刻蚀的钛板置于含0.3%NH4F和0.2%H202的乙二醇电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为40V，时间为60分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0039]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有微米/纳米多级海绵状孔结构。该二氧化钛膜具有孔径范围为40nm-6 μ m的微米/纳米多级海绵状孔结构。
[0040]实施例4:
[0041]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0042]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0043]将经过酸刻蚀的钛板置于5mol/L的NaOH电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为10V，时间为180分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0044]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有孔径范围为20nm-6 μ m的微米/纳米多级网络状孔结构。
[0045]实施例5:[0046]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0047]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0048]将经过酸刻蚀的钛板置于含0.3%NH4F和0.2%H202的乙二醇电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为35V，时间为30分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0049]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有微米/纳米多级海绵状孔结构。该二氧化钛膜具有孔径范围为50nm-6 μ m的微米/纳米多级海绵状孔结构。
[0050]实施例6:
[0051]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0052]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0053]将经过酸刻蚀的钛板置于3mol/L的NaOH电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为20V，时间为60分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0054]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有孔径范围为30nm-6 μ m的微米/纳米多级网络状孔结构。
[0055]实施例7:
[0056]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0057]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0058]将经过酸刻蚀的钛板置于含1%NH4F和1%H202的乙二醇电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为50V，时间为180分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0059]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有微米/纳米多级海绵状孔结构。该二氧化钛膜具有孔径范围为30nm-6 μ m的微米/纳米多级海绵状孔结构。
[0060]实施例8:
[0061]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0062]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0063]将经过酸刻蚀的钛板置于10mol/L的NaOH电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为15V，时间为120分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0064]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有孔径范围为20nm-6 μ m的微米/纳米多级网络状孔结构。
[0065]实施例9:
[0066]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0067]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在85°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0068]将经过酸刻蚀的钛板置于0.3%NH4F和0.2%H202的乙二醇电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为50V，时间为30分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0069]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有微米/纳米多级海绵状孔结构。该二氧化钛膜具有孔径范围为20nm-5 μ m的微米/纳米多级海绵状孔结构。
[0070]实施例10:
[0071]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0072]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在85°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级钛孔结构。
[0073]将经过酸刻蚀的钛板置于5mol/L的NaOH电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为15V，时间为180分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，在微米级孔结构上形成纳米级氧化钛孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构。
[0074]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有孔径范围为15nm-5 μ m的微米/纳米多级网络状孔结构。
[0075]对比例1:
[0076]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0077]对比例2:
[0078]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0079]将经过表面预处理的钛板置于体积比为2:1的48%H2S04和18%HC1酸刻蚀溶液中，在75°C的温度下刻蚀I小时，取出后超声清洗，在钛板表面形成微米级孔结构。
[0080]将经过酸刻蚀的钛板置于马弗炉中，450°C煅烧2小时。
[0081]对比例3:
[0082]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0083]将经过表面预处理的钛板置于含0.3%NH4F和0.2%H202的乙二醇电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为50V，时间为30分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，形成纳米级孔结构。
[0084]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有纳米级海绵状孔结构。
[0085]对比例4:
[0086]取规格为IOmmX IOmmX2mm的纯钛板，采用碳化碳水磨砂纸逐级打磨抛光至
1200#,依次用丙酮、乙醇和水超声清洗，晾干备用。
[0087]将经过表面预处理的钛板置于5mol/L的NaOH电解溶液中进行电化学阳极氧化处理，电压为15V，时间为120分钟，取出后以纯水冲洗再干燥，形成纳米级孔结构。
[0088]将经过阳极氧化的钛板置于马弗炉中，在450°C温度下煅烧2小时，经过热处理后在钛基底材料表面形成锐钛矿型二氧化钛膜层，该二氧化钛膜具有纳米级网络状孔结构。
[0089]实施例1与对比例I至3的对比:
[0090]图3为实施例1、对比例2和对比例3的SEM照片，其中()、(a2)、(a3)对应于对比例2的SEM照片，(1^)、(132)、(133)对应于对比例3的SEM照片，(Cl)、(c2)、(C3)对应于实施例I的SEM照片。图4为MG63细胞分别在实施例1、对比例1、对比例2和对比例3所得到的钛基底材料上培养24小时后的SEM照片。其中，(ai)、(a2)对应于对比例I的SEM照片，Cb1), Cb2)对应于对比例2的SEM照片，(ci)、(c2)对应于对比例3的SEM照片，Cd1),(d2)对应于实施例1的SEM照片。MG63细胞在纯钛板表面上呈现梭形，细胞的伪足伸展不明显，没有完全铺展开。而在对比例2、对比例3、实施例1得到的钛基底材料表面，细胞生长的比较舒展，呈现多伪足的伸展，细胞在材料表面黏附较好。
[0091]图5为MG63细胞分别在实施例1、对比例1、对比例2和对比例3所得到的钛基底材料上培养I天、3天和7天后的MTT吸光值(OD)。从图中可以看出，培养I天后，MG63细胞在实施例1和对比例3所得到的钛基底材料上细胞数量稍多于对比例I和对比例2上的细胞数量。培养3天后，实施例1、对比例2和对比例3表面的细胞数量均多于对比例I表面的，但对比例3表面的细胞数量和实施例1表面的细胞数量并无明显区别，所以培养3天后在不同材料表面的细胞数量呈现如下规律:实施例1~对比例3>对比例2>对比例I。继续培养7天后,细胞实施例1、对比例2和对比例3表面的生长情况均好于对比例I表面的，其中实施例1表面的细胞数量是最多的，不同材料表面的细胞数量呈现如下关系:实施例1>对比例3>对比例2>对比例I。
[0092]表1为实施例1、对比例1、对比例2和对比例3的水滴接触角数值。
[0093]表1
[0094]
【权利要求】
1.一种医用钛基底材料，其特征在于，包括钛基底以及在该钛基底表面上形成的微米/纳米多级复合孔结构的锐钛矿型二氧化钛膜层。
2.如权利要求1所述的医用钛基底材料，其特征在于，微米/纳米多级复合孔结构为微米/纳米多级网络状孔结构或微米/纳米多级海绵状孔结构。
3.如权利要求1或2所述的医用钛基底材料，其特征在于，微米/纳米多级复合孔结构的孔径范围为10纳米至6微米。
4.一种医用钛基底材料的制造方法，其特征在于，依次包括以下步骤: 对钛基底进行表面 预处理，包括抛光和清洁步骤； 进行酸刻蚀处理，酸刻蚀溶液为硫酸与盐酸混合溶液，经过酸刻蚀处理后在所述钛基底表面形成微米级孔结构，所述酸刻蚀溶液为体积比为A:1的重量比为48%硫酸溶液和重量比为18%盐酸溶液混合，刻蚀温度为65-90°C，刻蚀时间为1-3小时，其中1≤A≤3 ; 进行阳极氧化处理，经过阳极氧化处理后，在微米级结构上形成纳米级孔结构，即形成微米/纳米多级复合孔结构； 进行热处理，经过热处理后在钛基底材料表面形成的微米/纳米多级复合孔结构的锐钛矿型二氧化钛膜层。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述阳极氧化的电压为10-50V，温度为室温，时间为30-180分钟。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述阳极氧化的电解液为含重量比为0.3%-1%的氟化铵和重量比为0.2%-1%过氧化氢的乙二醇溶液，得到微米/纳米多级海绵状孔结构。
7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述阳极氧化的电解液为浓度为3-1OmoI/L的氢氧化钠溶液，得到微米/纳米多级网络状孔结构。
8.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述热处理步骤的温度为400-500°C，时间为2-4小时。
【文档编号】A61L27/50GK103520776SQ201210232397
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月5日 优先权日:2012年7月5日
【发明者】林昌健, 姜品良, 梁建鹤, 王蕾 申请人:北京纳通科技集团有限公司, 厦门大学