本发明涉及医用金属材料领域，具体涉及一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术：
随着生物医用材料的发展，纯钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及其在生物环境下优良的抗腐蚀等特点在临床上得到了越来越广泛的应用。目前，应用于临床的钛合金主要以纯钛和tc4合金为代表，纯钛由于其强度较低，耐磨性较差，限制了它在承载较大部位的应用，相比之下，tc4合金具有较高的强度和较好的加工性能，但al和v元素被认为是对生物体有害的元素，因此需要对其进行适当的表面处理才能应用于临床。所属表面处理既要保持金属的强度和韧性，又要求有生物活性，还能阻止金属离子泄出。
现有技术中常用的表面处理是在钛合金基体上涂覆羟基磷灰石涂层，羟基磷灰石具有优异的生物相容性，植入体内不仅安全、无毒，还能传导骨生长，即新骨可以从羟基磷灰石植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性空隙攀附生长。很多学者致力于提高羟基磷灰石的力学结构性能研究，并没有考虑到羟基磷灰石医用抗菌方面的应用，众所周知，羟基磷灰石本身没有抗菌性，因此需要添加具有抗菌性的物质来达到抗菌目的。
另一方面，在制备羟基磷灰石涂层时采用的方法通常由电化学沉积、热喷涂、等离子沉积、及激光熔覆等工艺，但是激光熔覆法制备羟基磷灰石涂层时,激光温度过高,羟基磷灰石涂层会产生裂纹和孔洞,而且一般都会发生活学反应,导致涂层的均匀性、稳定性较差。
可见，在钛及钛合金表面制备具有抗菌活性的生物陶瓷涂层，具有良好的抗菌性能和生物活性显得日益迫切。然而，现有技术中制备抗菌羟基磷灰石涂层的制备工艺复杂，需要用到昂贵的设备，且制备得到的抗菌涂层的抗菌性能和生物活性不是很理想。因此，如何进一步提高羟基磷灰石涂层的抗菌性能和生物活性仍然属于一大技术难题。
技术实现要素：
有鉴于此，为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层及其制备方法，本方法简单实用，成本低，便于投入工业生产，且具有良好的抗菌活性和生物活性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.将基片清洗和喷砂处理后，进行等离子渗氮活化处理，在基片表面形成氮化钛层；
步骤2.将羟基磷灰石和钛粉机械研磨均匀，羟基磷灰石和钛粉的质量比10:1-3，采用等离子体热喷涂工艺在步骤1制备得到的基片表面沉积过渡层；
步骤3.将羟基磷灰石和银粉末混合，羟基磷灰石和银粉的质量比50-70:1加入水配制浓度为10-50mg/ml的混合液，用浸渍提拉法在步骤2制备得到的过渡层表面制备羟基磷灰石和银粉的复合涂层，干燥后进行激光熔覆处理；
步骤4.在步骤3获得的基片进行激光烧灼处理，在表面形成纳米多孔结构。
进一步，所述基片为纯钛和钛合金片，优选ti6al4v合金；
进一步，所述等离子渗氮活化处理是将基片放入渗氮炉中，抽真空至1-5pa，加热至1100℃～1300℃，反应时间5min～10min；所述氮化钛层的厚度为50-100nm；
进一步，所述步骤2中的等离子热喷涂工艺中送粉气体是氮气或氩气，流量为40-80l/min；工作电流为350-400a，工作电压为120-140v；所述过渡层的厚度为300-600nm；
进一步，所述步骤2中羟基磷灰石和钛粉的粒径为10-50μm，步骤3中羟基磷灰石和银粉的粒径为10-50μm；
进一步，所述步骤3中激光熔覆处理中激光电流为50-300a，频率为5-100hz，脉宽为0.1-20ms；
进一步，所述激光烧灼处理是采用在线激光打孔的方式。
另一方面，本发明的另一个目的在于提供一种上述方法制备得到的具有抗菌活性的生物陶瓷涂层。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明选用纯钛或钛合金为基片，通过等离子渗氮活化处理，在在基片表面形成氮化钛层，增强了羟基磷灰石在基片表面的附着力；
(2)本发明在经活化的基片表面用等离子热喷涂的工艺预先形成含有羟基磷化石和钛的过渡层，不仅能够保证羟基磷灰石的力学强度，还能避免后续激光熔覆羟基磷灰石涂层应力集中导致的涂层开裂，以及促进涂层的均匀性和稳定性，提高涂层整体的韧性和结合强度；
(3)本发明利用激光熔覆技术制备羟基磷灰石和抗菌银粉的复合涂层，能够保证生物涂层的生物活性和抗菌性能，方法简单实用，成本低，便于投入工业生产；
(4)本发明通过在激光熔覆涂层表面进行激光烧灼处理，在表面形成纳米多孔结构，有利于进一步融合羟基磷灰石涂层表面的裂纹，提高其力学性能和稳定性，同时能够为后续的成骨细胞的附着提供位点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.将纯钛基片清洗和喷砂处理后，放入渗氮炉中，抽真空至5pa，加热至1100℃，反应时间10min进行等离子渗氮活化处理，在基片表面形成氮化钛层，厚度为75nm；
步骤2.将羟基磷灰石和钛粉机械研磨均匀，羟基磷灰石和钛粉的质量比10:1，羟基磷灰石和钛粉的粒径为30μm；采用等离子体热喷涂工艺在步骤1制备得到的基片表面沉积过渡层；其中，等离子热喷涂工艺中送粉气体是氩气，流量为80l/min；工作电流为400a，工作电压为120v；过渡层的厚度为500nm；
步骤3.将羟基磷灰石和银粉末混合，羟基磷灰石和银粉的质量比50:1，羟基磷灰石和银粉的粒径为20μm；加入水配制浓度为40mg/ml的混合液，用浸渍提拉法在步骤2制备得到的过渡层表面制备羟基磷灰石和银粉的复合涂层，干燥后进行激光熔覆处理；其中，激光熔覆处理中激光电流为300a，频率为50hz，脉宽为15ms；
步骤4.在步骤3获得的基片进行激光烧灼处理，在表面形成纳米多孔结构。
实施例2
一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.将ti6al4v合金基片清洗和喷砂处理后，放入渗氮炉中，抽真空至3pa，加热至1200℃，反应时间6min进行等离子渗氮活化处理，在基片表面形成氮化钛层，厚度为80nm；
步骤2.将羟基磷灰石和钛粉机械研磨均匀，羟基磷灰石和钛粉的质量比10:3，羟基磷灰石和钛粉的粒径为40μm；采用等离子体热喷涂工艺在步骤1制备得到的基片表面沉积过渡层；其中，等离子热喷涂工艺中送粉气体是氩气，流量为60l/min；工作电流为350a，工作电压为130v；过渡层的厚度为600nm；
步骤3.将羟基磷灰石和银粉末混合，羟基磷灰石和银粉的质量比60:1，羟基磷灰石和银粉的粒径为30μm；加入水配制浓度为30mg/ml的混合液，用浸渍提拉法在步骤2制备得到的过渡层表面制备羟基磷灰石和银粉的复合涂层，干燥后进行激光熔覆处理；其中，激光熔覆处理中激光电流为100a，频率为70hz，脉宽为15ms；
步骤4.在步骤3获得的基片进行激光烧灼处理，在表面形成纳米多孔结构。
实施例3
一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.将ti6al4v合金基片清洗和喷砂处理后，放入渗氮炉中，抽真空至1pa，加热至1300℃，反应时间7min进行等离子渗氮活化处理，在基片表面形成氮化钛层，厚度为100nm；
步骤2.将羟基磷灰石和钛粉机械研磨均匀，羟基磷灰石和钛粉的质量比10:2，羟基磷灰石和钛粉的粒径为10μm；采用等离子体热喷涂工艺在步骤1制备得到的基片表面沉积过渡层；其中，等离子热喷涂工艺中送粉气体是氩气，流量为40l/min；工作电流为350a，工作电压为130v；过渡层的厚度为400nm；
步骤3.将羟基磷灰石和银粉末混合，羟基磷灰石和银粉的质量比70:1，羟基磷灰石和银粉的粒径为50μm；加入水配制浓度为10mg/ml的混合液，用浸渍提拉法在步骤2制备得到的过渡层表面制备羟基磷灰石和银粉的复合涂层，干燥后进行激光熔覆处理；其中，激光熔覆处理中激光电流为120a，频率为70hz，脉宽为12ms；
步骤4.在步骤3获得的基片进行激光烧灼处理，在表面形成纳米多孔结构。
对比例1
一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.将纯钛基片清洗和喷砂处理，
步骤2.将羟基磷灰石和钛粉机械研磨均匀，羟基磷灰石和钛粉的质量比10:1，羟基磷灰石和钛粉的粒径为30μm；采用等离子体热喷涂工艺在步骤1制备得到的基片表面沉积过渡层；其中，等离子热喷涂工艺中送粉气体是氩气，流量为80l/min；工作电流为400a，工作电压为120v；过渡层的厚度为500nm；
步骤3.将羟基磷灰石和银粉末混合，羟基磷灰石和银粉的质量比50:1，羟基磷灰石和银粉的粒径为20μm；加入水配制浓度为40mg/ml的混合液，用浸渍提拉法在步骤2制备得到的过渡层表面制备羟基磷灰石和银粉的复合涂层，干燥后进行激光熔覆处理；其中，激光熔覆处理中激光电流为300a，频率为50hz，脉宽为15ms；
步骤4.在步骤3获得的基片进行激光烧灼处理，在表面形成纳米多孔结构。
对比例2
一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.将纯钛基片清洗和喷砂处理后，放入渗氮炉中，抽真空至5pa，加热至1100℃，反应时间10min进行等离子渗氮活化处理，在基片表面形成氮化钛层，厚度为75nm；
步骤2.将羟基磷灰石机械研磨均匀，羟基磷灰石的粒径为30μm；采用等离子体热喷涂工艺在步骤1制备得到的基片表面沉积过渡层；其中，等离子热喷涂工艺中送粉气体是氩气，流量为80l/min；工作电流为400a，工作电压为120v；过渡层的厚度为500nm；
步骤3.将羟基磷灰石和银粉末混合，羟基磷灰石和银粉的质量比50:1，羟基磷灰石和银粉的粒径为20μm；加入水配制浓度为40mg/ml的混合液，用浸渍提拉法在步骤2制备得到的过渡层表面制备羟基磷灰石和银粉的复合涂层，干燥后进行激光熔覆处理；其中，激光熔覆处理中激光电流为300a，频率为50hz，脉宽为15ms；
步骤4.在步骤3获得的基片进行激光烧灼处理，在表面形成纳米多孔结构。
对比例3
一种具有抗菌活性的生物陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.将纯钛基片清洗和喷砂处理后，放入渗氮炉中，抽真空至5pa，加热至1100℃，反应时间10min进行等离子渗氮活化处理，在基片表面形成氮化钛层，厚度为75nm；
步骤2.将羟基磷灰石和钛粉机械研磨均匀，羟基磷灰石和钛粉的质量比10:1，羟基磷灰石和钛粉的粒径为30μm；采用等离子体热喷涂工艺在步骤1制备得到的基片表面沉积过渡层；其中，等离子热喷涂工艺中送粉气体是氩气，流量为80l/min；工作电流为400a，工作电压为120v；过渡层的厚度为500nm；
步骤3.将羟基磷灰石和银粉末混合，羟基磷灰石和银粉的质量比50:1，羟基磷灰石和银粉的粒径为20μm；加入水配制浓度为40mg/ml的混合液，用浸渍提拉法在步骤2制备得到的过渡层表面制备羟基磷灰石和银粉的复合涂层，干燥后进行激光熔覆处理；其中，激光熔覆处理中激光电流为300a，频率为50hz，脉宽为15ms。
对实施例1-3和对比例1-3进行抗菌活性实验，测试方法：将e.coli保藏菌转接到营养琼脂培养基平板不，在37℃下培养24h，每天转接一次，不超过2周，试验采用连续转接2次后的新鲜细菌培养物作为试验对象，在肉汤中培养18h，菌液用磷酸盐缓冲液稀释，直至菌液在475nm的吸光度为0.28±0.02，菌液再用磷酸盐缓冲液稀释1000倍。将本发明得到的含生物陶瓷涂层的基片灭菌后，加入50ml菌悬液，分别采用平板计数法配合振荡法测定初始、1h及2h时的菌落总数。结果如表1所述：
表1
其中，通过表1的实验数据可以看出，通过生物陶瓷的制备过程中施加氮化钛层，以及预混钛粉，和进行激光烧灼处理能够极大的增强抗菌活性和提高涂层的附着力，进而改善生物陶瓷涂层的形貌，为后续的成骨细胞的附着提供位点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。