一种在植入物材料表面进行液体喷砂处理的方法
技术领域
本发明涉及植入物材料技术领域,具体地,本发明涉及一种在纯钛及钛合金植入物材料的表面进行液体喷砂处理的方法以及由该方法获得的植入物材料。
背景技术
金属钛及钛合金因其具有优异的力学性能,与骨弹性模量较为接近,生物相容性好等优点而广泛应用于植入物材料中。但钛及钛合金作为植入物材料,仍然存在生物活性不高的问题。通常对作为植入物材料的钛及钛合金的表面进行表面改性处理。在这些表面改性处理技术中,主要有以下两种:以各种方法在钛金属表面涂覆生物材料以提高生物活性,这些生物材料包括羟基磷灰石涂层,生物大分子涂层等;应用喷砂酸蚀等技术来改造植入物表面微观物理形貌和化学成分,形成粗糙多孔表面,提高了植入物材料与骨组织的结合面积,临床上加快了骨愈合速度并改善了骨结合强度。由于传统的干喷砂技术效率高,目前应用非常广泛。中国专利(CN1817319A)公开了一种在纯钛牙植入物表面制备具有生物活性多孔结构的方法,该方法包括将纯钛植入物进行干喷砂、双重酸处理、双氧水及热处理等,即可得到具有多级孔洞形貌的植入物。中国专利(CN101191227A)公开了一种在钛合金上制备超疏水性表面的方法,该方法将钛合金经过喷砂和去砂处理制备出具有超疏水钛合金表面。这些传统的干喷砂技术喷砂后表面有残留颗粒,其释放到组织中最终能诱发炎症、疼痛,最终导致植入物的松动和种植失败。因此,干喷砂技术通常后期会进行酸蚀等去砂处理,但仍很难彻底清除,并且喷砂过程中的粉尘对操作人员和环境造成危害。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种既能增加植入物材料的表面粗糙度,又不会残留大量有害的喷砂颗粒的方法。
进而,本发明所要解决的另一技术问题是,提供一种对人体和环境无危害的液体喷砂处理技术,其可以用于处理植入物材料的表面而不会残留有害的喷砂颗粒。
为了解决本发明的上述技术问题,本发明采用以下的技术方案:
根据本发明的一个方面,提供一种在植入物材料的表面进行液体喷砂处理的方法,用于增加植入物材料表面的粗糙度且降低喷砂颗粒残留,该方法包括:
用有机溶剂及水清洗植入物材料,并且将清洗后的植入物材料放置在干燥箱中干燥;以及
对该植入物材料表面进行液体喷砂处理,获得表面粗糙度增加的植入物材料,其中用于喷射液体砂浆的喷枪的工作压强为0.2~0.7MPa,喷枪口与要处理的表面之间的距离为3~25cm,喷砂处理时间为3~30秒。
根据本发明的进一步实施方式,液体砂浆为包括喷砂颗粒和液体溶剂的均匀悬浮液。优选所述喷砂颗粒是选自三氧化二铝、氧化锆、二氧化铈、碳化硅、二氧化钛、不溶性磷酸盐、不溶性钙盐及不溶性镁盐中的至少一种颗粒。优选所述液体溶剂是选自水、乙醇和丙酮中的至少一种溶剂。
根据本发明的进一步实施方式,所述植入物材料是钛、钛合金或聚醚醚酮。
根据本发明的进一步实施方式,经过液体喷砂处理后的植入物表面的粗糙度为经过打磨后的植入物材料表面的粗糙度的12~50倍。
根据本发明的进一步实施方式,通过扫描电镜观察,经过液体喷砂处理后的植入物材料表面与经过干喷砂处理的植入物材料表面相比,残留的喷砂颗粒显著降低。
根据本发明的另一个方面,提供一种植入物材料,其是由钛、钛合金或聚醚醚酮组成,且由根据本发明的方法经过液体喷砂处理后的植入物材料。
根据本发明的在植入物材料的表面进行液体喷砂处理的方法,以及根据该方法所获得的植入物材料,具有以下优点:
1.采用根据本发明的液体喷砂技术处理的钛及钛合金材料或聚醚醚酮,其表面残留的颗粒显著减少,而同时保持了钛及钛合金材料或聚醚醚酮良好的生物相容性;
2.采用液体喷砂处理技术,不容易出现粉尘颗粒飘散,对操作人员和环境无危害;
3.经过液体喷砂处理后的钛植入物材料,不需要进行酸蚀等处理,降低了潜在的危害性;
4.经过液体喷砂处理的钛及钛合金表面的粗糙度明显高于未处理的钛及钛合金表面,但略低于干喷砂处理的钛及钛合金材料;
5.本发明的方法工艺简单,经清洗、液体喷砂处理的钛材料或聚醚醚酮材料的粗糙表面不需要复杂的化学实验。
附图说明
图1是显示采用800号SiC砂纸打磨的样品(a)、干喷砂处理的样品(b)和根据本发明的液体喷砂处理方法处理的样品(c)的表面的显微镜图;
图2A-图2C分别是采用800号SiC砂纸打磨的样品(a)、干喷砂处理的样品(b)和根据本发明的液体喷砂处理方法处理的样品(c)的表面的扫描电镜(SEM)图;以及
图3是分别是采用800号SiC砂纸打磨的样品(a)、干喷砂处理的样品(b)和根据本发明的液体喷砂处理方法处理的样品(c)的X射线能量色散谱图(EDX)。
具体实施方式
根据本发明的一个方面,提供一种在植入物材料表面进行液体喷砂处理的方法,该方法包括:使用砂纸打磨切割的植入物材料;用有机溶剂及水清洗,并且将清洗后的植入物材料放置在干燥箱中干燥;以及对该材料进行液体喷砂处理,获得表面粗糙度增加的植入物材料,其中用于喷射液体砂浆的喷枪的工作压强为0.2~0.7MPa,喷枪口与要处理的表面之间的距离为3~25cm,喷砂处理时间为3~30秒。所述喷枪是本技术领域中常用的喷枪。优选该喷枪的工作压强为0.3~0.6MPa,更优选为0.35~0.5MPa。进一步优选喷枪口与要处理的植入物材料的表面之间的距离为3.5~22cm,更优选为4~18cm,甚至更优选为4~15cm。液体喷砂处理的时间一般为3~30秒,优选为3.5~25秒,更优选3.5~20秒,甚至更优选为3.5~15秒。
根据本发明方法处理的植入物材料可以是纯金属钛,包括Ti-6A1-4V在内的钛合金材料,或者聚醚醚酮(PEEK)。从与骨结构的生物相容性方面来看,该植入物材料优选为纯度在99.8%以上且适于用作诸如口腔植入物材料的金属钛,更优选为纯金属钛。
根据本发明方法的优选实施方式,所述用于本发明液体喷砂处理的液体砂浆为包括喷砂颗粒和液体溶剂的均匀悬浮液。进一步优选地所述喷砂颗粒为所述液体砂浆重量的5~30%,更优选为5.5~21%。根据进一步优选的实施方式,所述喷砂颗粒是选自三氧化二铝、氧化锆、二氧化铈、碳化硅、二氧化钛、不溶性磷酸盐、不溶性钙盐及不溶性镁盐中的至少一种颗粒。更优选所述喷砂颗粒为三氧化二铝。根据本发明方法的进一步优选的实施方式,所述喷砂颗粒的平均粒径为30~450μm,优选为35~300μm,更优选为80~300μm。进一步优选地,所述液体溶剂是选自水、乙醇和丙酮中的至少一种溶剂。
根据本发明的优选实施方式,切割后的植入物材料的高度为0.5~5mm,直径为5~50mm。根据进一步优选的实施方式,本发明分别使用国标80号、400号和800号的砂纸进行打磨。优选地,经过打磨后的植入物材料的表面的粗糙度为0.1~0.55μm。根据本发明进一步优选的实施方式,经过液体喷砂处理后的植入物材料表面的粗糙度为经过打磨后的植入物材料表面的粗糙度的12~50倍。更优选地,经过液体喷砂处理后的钛表面的粗糙度为经过打磨后的钛表面的粗糙度的12~50倍。
根据本发明的另一个方面,提供一种植入物材料,其是由根据本发明的液体喷砂处理方法处理后而获得的具有增加的表面粗糙度的材料。所述增加的表面粗糙度是指与未处理的植入物材料或者打磨后的材料的表面相比增加的表面粗糙度。从适合用于植入物材料方面来看,优选所述增加的表面粗糙度为1.0~4.5μm,更优选为1.0~3.5μm范围内,最优选为1.2~3.0μm范围内。其中,通过扫描电镜观察,经过液体喷砂处理后的植入物表面与经过干喷砂处理的植入物材料的表面相比,残留的喷砂颗粒显著降低,甚至经液体喷砂处理后的植入物表面没有喷砂颗粒的残留。进一步优选地,由根据本发明的液体喷砂处理方法处理钛或钛合金材料的表面后而获得的具有增加的表面粗糙度的材料的表面粗糙度为1.0~3.5μm范围内,更优选为1.2~3.0μm范围内,甚至更优选为1.2~2.75μm。进一步地,通过扫描电镜观察,经过液体喷砂处理后的钛或钛合金材料的表面与经过干喷砂处理的钛或钛合金材料的表面相比,残留的喷砂颗粒显著降低,甚至经液体喷砂处理后的钛或钛合金材料的表面没有喷砂颗粒的残留。
经过本发明的液体喷砂处理方法处理后的植入物材料,其表面粗糙度增加,提高了植入物材料与骨组织的结合面积。所述的表面粗糙度指通常使用的粗糙度仪对以上三种处理方法得到的样品进行粗糙度测试,干喷砂处理的样品的粗糙度为只打磨处理的样品的15~50倍;液体喷砂处理的样品的粗糙度为只打磨处理的样品的12~50倍。
经扫描电子显微镜(SEM)显示经传统的干喷砂处理后样品有大量颗粒残留,EDX能谱显示颗粒元素残留较多;而根据本发明的液体喷砂处理后几乎没有颗粒残留或者残留颗粒明显减少,且EDX能谱显示颗粒元素残留非常少。
实施例
实施例1:液体喷砂处理钛植入物材料表面
首先,将纯钛材料切割成直径为15mm,高度为1mm的样品。然后依次使用国标80号、400号和800号的SiC砂纸进行打磨8分钟。将打磨后的样品顺次置于丙酮、乙醇中清洗15分钟,然后放在40℃的干燥箱中干燥8小时。
利用粗糙度仪(TR200,时代集团公司,北京)室温条件下测试打磨后的纯钛样品的表面粗糙度,其Ra值为0.114±0.0154μm,利用扫描电镜(SEM)观察表面,EDX能谱显示表面钛元素占100%。
利用双面胶或固定钳将上述打磨后的样品粘贴或固定在喷砂处理工作台上,对纯钛进行液体喷砂处理。其中,喷砂浆由重量百分比为75%的水和25%的颗粒直径为250-300μm的三氧化二铝砂粒组成,该喷砂浆由喷枪头喷出,工作压强为0.45MPa,工作时间为10秒,工作距离为5cm。
利用粗糙度仪(TR200,时代集团公司,北京)在室温条件下测试所获得的植入物材料的表面粗糙度,Ra值为1.813±0.084μm。SEM显示三氧化二铝残留颗粒较少,EDX能谱显示表面钛元素原子百分比为83.32%,铝元素占4.99%,氧元素占11.69%。
实施例2:液体喷砂处理纯钛植入物材料表面
首先,将纯钛材料切割成直径为15mm,高度为1mm的样品。然后依次使用国标80号、400号和800号的SiC砂纸进行打磨8分钟。将打磨后的样品顺次置于丙酮、乙醇中清洗15分钟,然后放在40℃的干燥箱中干燥8小时。
利用粗糙度仪(TR200,时代集团公司,北京)在室温条件下测试打磨后的纯钛植入物材料的表面粗糙度,其Ra值为0.114±0.0154μm,利用扫描电镜(SEM)观察表面,EDX能谱显示表面钛元素占100%。
利用双面胶或固定钳将上述打磨后的样品粘贴或固定在喷砂处理工作台上,对钛进行液体喷砂处理。其中,喷砂浆由重量百分比80%的水和20%的颗粒直径为250-300μm的三氧化二铝砂粒组成,该喷砂浆由喷枪头喷出,工作压强为0.45MPa,工作时间为10秒,工作距离为5cm。
利用粗糙度仪(TR200,时代集团公司,北京)在室温条件下测试所获得的植入物材料的表面粗糙度,Ra值为1.783±0.084μm。SEM显示三氧化二铝残留颗粒较少,EDX能谱显示表面钛元素原子百分比为85.31%,铝元素占4.78%,氧元素占10.91%。
比较例3:干喷砂处理的纯钛植入物材料
首先,按照实施例1或2的方法将纯钛切割成直径为15mm,高度为1mm的样品,并且依次使用国标80号、400号和800号的SiC砂纸打磨。然后将样品顺次置于丙酮、乙醇中超声清洗15分钟,然后放在40℃的干燥箱中干燥8小时。
利用双面胶或者固定钳将样品粘贴或者固定在喷砂工作台上,对钛样品进行干喷砂处理。其中,喷砂颗粒为直径为250-300μm的三氧化二铝,工作压强为0.6Mpa,工作时间为10秒,工作距离为5cm。
将干喷砂处理后的样品放在乙醇和去离子水中依次超声清洗15分钟,然后放在干燥箱中干燥2小时;
利用粗糙度仪测试得到的样品表面的粗糙度,得到表面粗糙度Ra值为2.151±0.271μm,利用扫描电镜(SEM)观察表面,发现表面有较多三氧化二铝颗粒残留,EDX能谱显示表面钛元素原子百分比为34.41%,铝元素占22.91%,氧元素占42.68%。
通过以上实施例1-2与比较例1可知,根据本发明的液体喷砂处理方法与传统的干喷砂处理方法相比,极大地减少了在植入物材料表面上的喷砂颗粒残留,而同时可以同样地增加植入物材料的表面粗糙度。
以上具体实施例仅是描述本发明方法的优选实施例,其所使用的液体喷砂技术的工作压强、工作时间和工作距离是是可以变化的,凡根据本发明原理进行的等效变换,均不应排除在本发明的保护范围之外。