一种医用钛合金表面涂层及其制备方法与流程

本发明属于医用钛合金材料表面改性技术领域，具体涉及一种提高钛合金基体的生物活性、耐腐蚀性、抗菌性的生物医用涂层材料及制备方法。

背景技术：

钛及其合金由于其良好的力学性能及生物性能广泛应用于工业和生物医学领域，尤其是牙科和骨科医学领域。尽管植入体钛合金作为承受载荷的关键材料，具有与人体骨匹配的力学相容性，然而，其表面性能仍不能完全适应人体复杂的生理环境。一方面，钛合金植入体作为生物惰性材料，生物活性差，不能与骨形成强有力的化学骨性结合，只能与组织间形成机械结合，植入体内后，被一层纤维组织所包裹，与周围的骨组织隔离，易造成结合强度不足，手术后创口不易愈合等问题。另一方面，钛表面自发反应形成tio2钝化膜，具有耐腐蚀性，但由于长期处于人体复杂的体液环境中，在外力和体液的侵蚀下，容易使其表面的钝化膜发生剥离和溶解，生理环境的腐蚀会造成金属离子向周围组织扩散，以及植入材料自身性质的退变，可能会导致毒副作用以致植入失效。

研究发现tio2纳米管由于具有高表面能和中空结构等特殊性质，能够有效诱导其它纳米结构的形成，如catio3纳米晶和纳米级羟基磷灰石，提高骨整合能力。钛合金表面的纳米氧化层结构由于高的表面能及特殊的结构性质，有效的促进骨类物质的生长，但由于tio2纳米管和细胞膜带负电荷，细胞粘附受到限制，进一步影响了细胞的增殖和分化，导致钛植入体表面的纳米管改性技术在临床应用中受到很大的限制，因此，在纳米管表面制备具有优异的生物活性及抗菌性的涂层，以便促进细胞的吸附。但是，长期植入过程中，活性涂层由于和基底的结合性差，导致钛合金表面的涂层剥落，诱发炎症，给患者带来二次病痛。

此外，钛合金的耐腐蚀能力差，抗菌感染能力不足，存在术后感染的风险。据相关报道，美国整形外科植入物相关感染的年发病率约为4.3%，全膝关节置换术和全髋关节置换术的感染发生率分别为0.5%-5%和0.6%-16%，60%的细菌感染都与使用医疗器械有关。因此，为了使钛合金更好的适应人体环境，表面改性技术应运而生，目的是使钛合金具有优良的生物活性、耐腐蚀性及抗菌性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提高钛合金植入材料的耐腐蚀性、生物活性及抗菌性的医用生物涂层材料及制备方法。

一种医用钛合金表面涂层，其中：所述钛合金表面涂层为ti-27nb-6zr-5mo合金表面ta或ta-cu-zn复合涂层。

进一步的所述ta-cu-zn复合涂层组分比为：ta：cu：zn=98wt%：1wt%：1wt%。

一种医用钛合金表面涂层制备方法：其特征在于，包括以下步骤：

（1）钛合金表面抛光处理；

（2）对钛合金表面进行氧化构建纳米氧化层；

（3）采用等离子喷涂技术，分别以ta粉或ta粉、cu粉、zn粉为原料，进行喷涂制备ta及ta-cu-zn复合涂层。

进一步的所述钛合金表面抛光处理为将ti-27nb-6zr-5mo合金试样采用60#~1200#的砂纸逐级依次打磨，并利用体积比为1：1的1wt%hf和3wt%hno3的混合溶液进行化学抛光40s，最后用去离子水冲洗表面，烘干待用。

进一步的所述对钛合金表面进行氧化构建纳米氧化层为采用直流电源装置提供25v阳极氧化电压，以1mol/lh3po4溶液和0.9wt%naf溶液为电解质溶液，在抛光的钛合金表面阳极氧化120min，氧化过程中始终施加磁力搅拌，最后5℃/min的升温速率加热到300℃热处理2h，构建纳米氧化层。

进一步的所述等离子喷涂技术为，分别以粒径小于38μm的ta粉或98wt%ta粉、1wt%cu粉、1wt%zn粉混合物为原料，放入真空干燥箱中干燥2h后装入微细送粉器，将带有纳米氧化层的钛合金片放入等离子喷腔室，作为喷涂基底，打开电源后对喷涂设备预热，同时设置喷枪移动程序，预热完成后以喷涂电压为60v，喷涂电流为500a，喷涂距离为70mm，送粉速率为20r/min进行喷涂制备ta及ta-cu-zn复合涂层。

与现有技术相比本发明的有益效果:ti-27nb-6zr-5mo合金表面通过阳极氧化法制备了纳米氧化管，然后再采用等离子喷涂技术在纳米管表面喷涂一层由钽(ta)元素及铜(cu)和锌(zn)元素，制备复合生物涂层。通过对比医用钛合金、合金表面附有纳米氧化管，氧化管表面分别喷涂ta和tacuzn元素的耐腐蚀性、生物活性及抗菌性能，中间纳米氧化层可以提高生物活性和涂层与合金基体的结合强度，而表面ta元素可以改善涂层的耐腐蚀性，而涂层中微量和持续析出的cu、zn离子可改善医用钛合金的抗细菌感染能力。该新型涂层材料有助于解决目前骨植入材料生物活性差、耐腐蚀性及抗菌性不足等问题。

附图说明

图1ti-27nb-6zr-5mo合金表面纳米管照片及eds图谱图;

图2ti-27nb-6zr-5mo合金表面纳米管xrd图;

图3ta涂层的显微结构sem图及面扫描图;

图4ta涂层的截面显微结构及面扫描图;

图5ta涂层试样的xrd图;

图6tacuzn复合涂层的显微结构及面扫描图;

图7tacuzn复合涂层试样的xrd图;

图8三种试样的划痕仪测试结果图;

图9三种试样的动电位极化曲线图;

图10四组试样在sbf浸泡14d后的sem照片及能谱图;

图11四组试样在sbf浸泡14d后的xrd图;

图12l929小鼠成纤维细胞在钽涂层试样培养5d的光镜照片图;

图13白色念珠菌在试样表面培养24h平板计数实验照片图。

具体实施方式

一种医用钛合金表面涂层：所述钛合金表面涂层为ti-27nb-6zr-5mo合金表面ta或ta-cu-zn复合涂层。所述ta-cu-zn复合涂层组分比为：ta：cu：zn=98wt%：1wt%：1wt%。

ti-27nb-6zr-5mo合金制备方法：在ti-27nb-6zr合金基础配比基础上添加mo元素，mo的添加量变化范围为5wt%。所述基础配比ti-27nb-6zr是以团簇模型结构式[titi13.4zr0.6]nb3为基础，添加mo元素，mo取代中心原子ti，团簇模型式为[ti1-ymoyti13.4zr0.6]nb3，由此设计出基础配比ti-27nb-6zr。配料计算见表0。

表0ti-27nb-zr-mo合金的配料计算

（1）计算合金中各元素的的质量百分比，以tih2、nb粉、zr粉及mo粉为原料，根据设计的合金成分配比，准确称量各元素单质金属粉末；将称量的粉末放入真空不锈钢罐，球料比为3：1，并以180r/min的转速球磨600min，研磨已混好的料，过400目筛子。

（2）利用wdw-200型电子万能试验机在400mpa下，压制成直径为10mm的坯体；将坯体放入真空干燥箱中以80℃干燥5~8h。

（3）干燥后，在真空度为10^-3pa的条件下，先以升温速率1℃/min加热到400℃保温30min使硬脂酸钠分解，再以升温速率5℃/min加热到650℃保温1h，再到800℃保温30min进行脱氢，最后在1300℃、1300℃、1350℃下烧结2h获得ti-27nb-6zr-5mo合金烧结试样。

一种医用钛合金表面涂层制备方法：其特征在于，包括以下步骤：

（1）钛合金表面抛光处理；将ti-27nb-6zr-5mo合金试样采用60#~1200#的砂纸逐级依次打磨，采用60#、200#、500#、1000#、1200#的砂纸逐级依次，时间无特殊规定，本实施例打磨5min；并利用体积比为1：1的1wt%hf和3wt%hno3的混合溶液进行化学抛光40s，最后用去离子水冲洗表面，烘干待用。

（2）对钛合金表面进行氧化构建纳米氧化层；采用直流电源装置提供25v阳极氧化电压，以1mol/lh3po4溶液和0.9wt%naf溶液为电解质溶液，在抛光的钛合金表面阳极氧化120min，氧化过程中始终施加磁力搅拌，最后5℃/min的升温速率加热到300℃热处理2h，构建纳米氧化层。

（3）采用等离子喷涂技术，选用上海休玛喷涂机械有限公司xm-80sk喷涂设备分别以ta粉或ta粉、cu粉、zn粉为原料，进行喷涂制备ta及ta-cu-zn复合涂层。分别以粒径小于38μm的ta粉或98wt%ta粉、1wt%cu粉、1wt%zn粉混合物为原料，放入真空干燥箱中干燥2h后装入微细送粉器，将带有纳米氧化层的钛合金片放入等离子喷腔室，作为喷涂基底，打开电源后对喷涂设备预热，同时设置喷枪移动程序，预热完成后以喷涂电压为60v，喷涂电流为500a，喷涂距离为70mm，送粉速率为20r/min进行喷涂制备ta及ta-cu-zn复合涂层。

效果分析:

（1）采用日本日立仪器公司生产的s-4800型场发射扫描电子显微镜（sem）观测样品表面的微观形貌。

利用氧化电压为25v、氧化时间为120min、电解质为0.9wt%naf和1mol/lh3po4溶液，在ti-27nb-6zr-5mo合金表面制备纳米氧化层，在300℃下热处理2h，通过sem观察合金表面纳米管形貌。图1是ti-27nb-6zr-5mo合金表面纳米管照片及a点的eds图谱。

图1是ti-27nb-6zr-5mo合金表面纳米管照片及a点的eds图谱。由图1（a）可以看出氧化后出现许多取向各异的沟槽状结构，沟槽表面及底部均有纳米管出现；沟槽状结构放大后，凹凸的沟槽状是有趋向各异、大小不同的纳米管构成。将试样在50000×下观察，ti-27nb-6zr-5mo合金表面覆盖一层排列高度有序纳米管，孔径范围30~40nm，两个孔之间的孔壁厚约15nm。图2是ti-27nb-6zr-5mo合金表面纳米管xrd图。由xrd衍射能谱分析，纳米管氧化层主要是氧化铌、氧化钼和氧化钛组成。结合a点的eds，发现纳米氧化层中氧化铌和氧化钼的含量较高，氧化锆几乎没有。nb和mo是β相稳定元素，在合金中一般会富集在β相区域，可以推断该点的纳米管是在β相区域生长的。

（2）采用日本理学株式会社生产的d/max2500型x射线衍射仪（xrd）观测分析其衍射图谱，进行物相分析。

1）ta涂层的显微结构及物相组成

图3是ta涂层的显微结构照片及面扫描图。钽粉末经过完全熔融、喷溅、氧化结晶，涂覆在基体表面。观察涂层的显微结构发现，完全熔融的钽粉形成阶梯状、凹凸不平的结构、并具有大小不一的微米级孔洞，钽粉形成很多椭球状颗粒相互连接，构成连续结构，并有很多椭球状颗粒粘附在完全熔化的钽涂层表面。根据面扫描结果，可知ta涂层表面主要是含有大量的ta和o两种元素，可推断出ta粉经高温发生了氧化发应，生成钽的氧化物。

图4是ta涂层的截面显微结构及面扫描图。由图可知，ta涂层与具有纳米管氧化层的ti-27nb-6zr-5mo合金结合良好，涂层厚度大约为90μm，沿着垂直涂层的箭头方向，涂层的孔洞逐渐增大，主要原因是前一批钽粉高温熔融喷涂后，又经火焰的高温加热及后一批高温熔融的钽粉的作用，使前一批钽粉完全熔融，致密度增大，而最后的钽粉没有被再次加热导致熔融不充分，致密度下降。由元素面扫描可以发现，ti-27nb-6zr-5mo合金基体元素与钽涂层元素由于元素的扩散作用，相互渗透，在涂层中的合金化元素呈梯度的扩散到涂层内部，涂层中的钽元素也逐渐呈梯度的渗透到合金基体中，这使合金基体与涂层形成一个有机的整体。

图5是ta涂层试样的xrd衍射图。在晶面指数为（003），（200），（203）上，出现明显的ta2o5的衍射峰，在晶面指数为（101）面上出现ta6o的衍射峰，其余的衍射峰为ta2o，因此，钽粉经高温喷涂的过程中与空气中的氧气发生反应主要被氧化成ta2o5、ta6o和ta2o。

2）tacuzn复合涂层的显微结构及物相组成

图6是tacuzn复合涂层的显微结构及面扫描图。由图6（a）可知，tacuzn复合涂层表面光滑，未出现凹凸不平的结构，但涂层表面出现部分未完全熔融的金属颗粒。由图6（b）可知，tacuzn复合涂层与基体结合紧密，涂层的厚度约为70μm，涂层的致密度与纯ta涂层相比相对较高，未出现大量的微米孔洞结构，说明三种元素在高温喷涂过程中熔融充分。由元素面扫描可以发现，涂层部分的ta和zn元素分布相对均匀，而cu元素出现少量的偏聚。由于合金基体表面的纳米管的特殊的中空结构及元素的自扩散影响，合金基体元素与涂层中的元素发生了互扩散，相互渗透。合金中的zr元素半径较小，原子扩散速度较快，在tacuzn复合涂层中出现较多的zr元素，tacuzn复合涂层中的cu和zn元素在合金中扩散较多，ta元素由于半径相对较大喷涂过程中扩散相对较慢，所以合金基体中的出现的ta元素相对较少。

图7是tacuzn复合涂层试样的xrd衍射图，涂层表面主要是金属钽的氧化物，与纯ta涂层的衍射峰不同的是tacuzn复合涂层出现了cuo的衍射峰，因此，该涂层主要是由ta2o5、ta6o、ta2o及cuo组成。

（3）采用兰州中科凯华科技开发有限公司的ws-2005涂层附着力自动划痕仪对涂层与基体的结合强度进行测试。

由于医用钛合金作为承载力的植入体材料，表面改性的涂层与钛合金基体的结合强度决定着植入体在人体环境中能否长期稳定发挥作用，若结合强度差会导致植入体过早失效。采用纳米划痕法分别对具有纳米管的ti-27nb-6zr-5mo合金试样（2#）、ta涂层试样（3#）、tacuzn复合涂层试样（4#）试样的结合强度进行测试。

图8是三种试样的划痕仪测试结果。由图可知，随着金刚石压头加载的增加，声波信号不断增强，当涂层与基体的粘附失效时，即是在金刚石压头施加的载荷下发生界面剥离时，声波信号会发生转折明显增加，此时对应的载荷力即为涂层与基体之间的结合力。ti-27nb-6zr-5mo合金试样（2#）表面的纳米管能承载的结合力为13.5n，ta涂层试样（3#）的涂层与基底的结合力为32.3n，tacuzn复合涂层试样（4#）的涂层与基底的结合力为35.5n。研究发现，30n的临界载荷值作为一个标称值，代表良好的粘合力。因此，ta涂层试样和tacuzn复合涂层试样的涂层与基体的结合力均超过了30n，表面ta涂层试样和tacuzn复合涂层试样的涂层均具有高的耐划痕力及与基体良好的的结合力，在人体内部使用时具有良好的长期机械稳定性。

（4）采用三电极体系，以试样为工作电极，铂为对电极，ag/agcl电极为参比电极。测试前在开路电位下浸泡30min，以保证测试过程稳定性，待电位上下浮动不超过2mv时方可测试，初始扫描电位和最终扫描电位是在开路电位的基础上±500mv，扫描速度为1mv/s，利用软件绘制出tafel曲线，获得被测试样的自腐蚀电位（ecorr）、自腐蚀电流（icorr）及极化曲线的斜率，通过公式（1）计算腐蚀电阻rp。

（1）

式中：

βa为阳极极化斜率；

βc为阴极极化斜率；

icorr为自腐蚀电流（a/cm2）。

医用钛合金作为承重植入体，长期服役于复杂的人体环境，会与表面硬组织不断接触，摩擦产生的机械力会破坏植入体表面氧化膜的完整性，加速植入材料的腐蚀溶解，因此，钛合金植入体在体液环境下应具有较高的耐腐蚀性，是钛合金植入体制备的关键条件。

将ti-27nb-6zr-5mo合金试样（1#）、具有纳米管的ti-27nb-6zr-5mo合金试样（2#）、ta涂层试样（3#）和tacuzn复合涂层试样（4#）四组试样分别置于模拟体液中，利用电化学工作站，测试各组试样的动电位极化曲线，分析各组试样的自腐蚀电压ecorr、自腐蚀电流icorr及钝化电流ipass，比较四组试样的耐腐蚀性。

表1三种试样的动电位极化曲线的电化学参数

图9是具有纳米管的ti-27nb-6zr-5mo合金试样（2#）、ta涂层试样（3#）和tacuzn复合涂层试样（4#）的动电位极化曲线图。表1是该试样的电化学参数，发现钛合金经过阳极氧化过程或在表面制备涂层后，自腐蚀电压明显高于未处理的钛合金，而且自腐蚀电流比未处理的钛合金明显减小，所以钛合金表面被阳极氧化或制备ta或tacuzn涂层后耐腐蚀性均有提高。由图9可知，三种试样具有相同的活化-钝化趋势，自腐蚀电压的大小为3#>4#>2#，自腐蚀电流密度大小为3#<4#<2#，从极化电阻的角度看，3#钽涂层试样具有较大的极化电阻。所以，3#钽涂层试样具有较大的自腐蚀电压，较小的自腐蚀电流密度，较大的极化电阻，钽涂层试样具有比钛合金更好的耐腐蚀能力。医用钛合金腐蚀的本质是电子在表面的一个区域迁移到另一个区域，或者从一个金属转移到相邻的金属，然后，转移给体液中能接受电子的物质，由于合金成分引起的电极电位差，在导电的电解质中形成电流回路。结合xrd，阳极氧化后钛合金表面形成稳定的纳米氧化物，能够防止金属离子的溶出，提高了耐腐性。等离子技术喷涂的ta涂层表面主要是一层致密的ta2o5构成，成分均匀，降低了腐蚀电位差，具有较高的耐腐蚀性，而tacuzn涂层存在活性较强的zn元素，与其他金属元素之间造成电极电位差，构成腐蚀电偶，导致耐腐蚀性倾向降低。因此，钛合金表面构建的ta涂层试样具有较高的耐腐蚀性，降低了钛合金作为植入体材料长期植入人体后发生腐蚀溶解的风险。

（5）采用仿生矿化法，表征材料的生物活性，根据检测生物活性实验后样品的ha的生成状况来评价材料在人体环境中的生物活性。采用四唑盐比色法（mtt法）表征材料细胞的毒性。

医用生物钛合金植入体植入人体后，其表面与组织和细胞相接触并发生相互作用，因此，钛合金植入体表面的生物活性对植入体与组织之间的生物反应起着至关重要的作用，其体外生物活性检测是植入体使用前的必备环节。利用仿生矿化法，将ti-27nb-6zr-5mo合金试样（1#）、具有纳米管的ti-27nb-6zr-5mo合金试样（2#）、ta涂层试样（3#）和tacuzn复合涂层试样（4#）四组试样分别在sbf中培养14d，研究试样表面羟基磷灰石的生长情况。

图10是四组试样在sbf中浸泡14d后的sem照片及能谱图。图中（a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#。

由图可知，ti-27nb-6zr-5mo合金表面几乎没有球形颗粒，具有纳米氧化层的钛合金表面出现了团聚的白色物质，ta涂层和tacuzn涂层表面均出现大量的球状颗粒，结合能谱，白色物质含有大量的ca和p元素。图11是四组试样在sbf浸泡14d后的xrd图，发现ta涂层和tacuzn涂层试样有很强的ca5(po4)(oh)3衍射峰，表明生物活性培养后，ta涂层和tacuzn涂层表明均形成了类似于人体骨的物质ca5(po4)(oh)3。

根据ta涂层和tacuzn涂层试样的xrd，涂层中的ta元素在等离子喷涂的高温环境下发生氧化反应形成钽的氧化物，研究发现，钽及钽的氧化物具有优良的生物活性和抗腐蚀性，在骨科种植体领域有着广泛的应用前景。钽及钽的氧化物在模拟体液中促进类骨物质形成的机理被广泛的研究。钽氧化物层有利于sbf中的离子交换，形成ta-oh官能团，增加表面的离子活性，为磷酸钙的形成提供有利的成核位点。在生理条件下（ph=7.2），由于钽氧化物的等电点较低（2.7-3.0左右），更多的负电荷会出现在钽氧化物表面，由于电荷之间的作用力，sbf中带正电荷的ca²⁺不断迁移，逐渐积累到钽氧化物表面。在钽氧化物层，ta-oh官能团与钙离子结合形成钽酸钙，然后迅速与磷酸盐离子结合形成磷灰石。因此，ta涂层和tacuzn涂层试样具有更好的生物活性和快速诱导骨整合的能力。

（6）试样的细胞毒性测试与评价

表2是mtt比色法所测各组吸光度值。表3是在浸提液中培养1d、3d、5d后空白组和1#、2#、3#、4#组的rgr和毒性分级。rgr值间接反映了四组细胞的相对增殖能力。由表可知，1#、2#、3#组试样细胞增殖率均在90%以上，细胞毒性级为0~1级，说明ti-27nb-6zr-5mo合金试样、具有纳米管的ti-27nb-6zr-5mo合金试样和纯ta涂层试样均无细胞毒性，不影响细胞的正常生理功能，而4#试样在浸提液中培养1d和3d时，细胞毒性为1级，在浸提液中培养5d时，细胞毒性表现为2级，说明在浸提液中处理5d后检测的tacuzn复合涂层试样对细胞的增殖产生不良的影响。图13是l929小鼠成纤维细胞在纯ta涂层试样浸提液中培养5d的光镜照片。由图12可知，l929小鼠成纤维细胞呈长条形、长梭形及多角形，细胞数量较多，材料对细胞正常生长没有产生影响，与表2、3中培养5d后的吸光度值及细胞相对增殖率较高相一致。因此，结合力学性能、生物活性及耐腐性，纯ta试样具有作为骨科植入体材料的潜力，而tacuzn复合涂层试样对细胞增殖的影响还需进一步的探究。

表2各组试样培养1d、3d、5d后的吸光度值（平均值，n=4）

表3各组培养1d、3d、5d后细胞相对增殖率（rgr）及毒性分级

（7）试样的抗菌性测试

图13是白色念珠菌在ti-27nb-6zr-5mo合金试样（1#）、ta涂层试样（3#）及tacuzn复合涂层试样（4#）表面培养24h平板计数实验照片。图中（a）1#；（b）3#；（c）4#。

培养皿中白色斑点代表了聚集的细菌菌落。由图13(a)可知，对于ti-27nb-6zr-5mo合金试样（1#），细菌能够在其周围生长，没有出现明显的抑菌圈。由图13(b)可知，对于ta涂层试样（3#），在其周围出现大量的细菌菌落，该试样的抑菌效果不太明显。由图13(c)可知，对于tacuzn复合涂层试样（4#），其周围略微出现了抑菌圈，这是由于tacuzn复合涂层中的溢出的cu离子及zn离子进入周围的环境之中，由于cu离子及zn离子与周围环境存在的浓度梯度，逐渐向周围扩散，从而导致细菌死亡，达到杀菌的效果。但是，tacuzn复合涂层中cu与zn含量配比对抗菌效果产生很大影响，因此，tacuzn复合涂层中cu与zn含量配比对抗菌效果的影响以及抗菌机理还需进一步研究。