CN1490058A - 一种生物活性钛及钛合金硬组织植入材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物活性钛及钛合金硬组织植入材料的制备方法，采用电化学和化学复合表面改性，在钛及钛合金表面制备生物活性薄膜，首先采用电化学方法在Ti或Ti合金表面制备一定厚度的氧化膜，然后采用碱溶液化学处理的方法，在氧化膜表面形成一层多孔的网状结构的钛酸盐凝胶层，再将试样进行热处理，使网状结构的钛酸盐凝胶层晶态化，最后将经过上述处理的材料浸入人体仿生液中，就会形成与骨质相近的磷灰石层。本发明制造技术简单，成本较低，可以形成硬度高、与基体结合强度高的磷灰石层，从而有效解决钛及钛合金生物植入材料存在的生物惰性、金属离子释放等问题，广泛适用于骨、关节的替换和牙齿的修复和替换材料。
Description
技术领域
本发明涉及生物活性植入材料的制备领域，具体地说是一种生物活性钛及钛合金硬组织植入材料的制备方法。
背景技术
现代科学技术的进步已使人类能够改造和创建新的生命形态，器官的人工化已成为当今医学科学的尖端技术之一。其潜在的核心是医用生物材料的开发，医用生物材料的发展将使人们把处理人体失去功能组织的方法由组织去除、组织替代最终实现组织重建，Ti合金具有强度高、弹性模量低、耐腐蚀性能好等优点，在人工种植体的研究和应用中一直备受人们的关注，但是钛及钛合金是一种生物惰性金属材料，和人体组织不能产生直接的生物结合，因此制备生物活性钛及钛合金表面材料的研究和应用日益得到各国医学界的重视。
在现有技术中，对钛及钛合金表面改性使其具有生物活性的技术中多采用等离子喷涂的方法制备羟基磷灰石(HA)涂层，由于等离子喷涂在高温(12000℃)下进行，HA涂层易分解，涂层与基体界面残余应力高，涂层和基体的结合强度差，涂层不致密易使生物体液渗入到基体造成界面腐蚀和植入体的松动等缺点。
1999年12月《材料开发与应用》第14卷第6期介绍了各种羟基磷灰石生物陶瓷涂层的制备方法，比较了各种方法的优缺点；2000年3月《中国口腔种植学杂志》第5卷第1期介绍了医用钛及钛合金种植体的研究，从四个方面综述了近几年来钛及钛合金种植材料的研究进展；而对于本发明通过化学及电化学改性方法制备生物活性钛及钛合金植入材料尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种与基体结合强度高、薄膜厚度均匀，能有效解决钛及钛合金生物惰性的生物活性钛及钛合金硬组织植入材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是采用电化学和化学复合表面改性技术，在钛及钛合金表面自生长制备生物活性薄膜，薄膜同时具有高硬度、耐磨性和阻止金属离子释放的能力，具体方法如下：
1)在醇类有机溶剂中加入5～40g/L的硝酸盐或硫酸盐类电解质，配制成电解液，以钛或钛合金为阳极，以钛、钛合金、不锈钢、碳、铂或铅为阴极，以所述电解液为导电介质，进行阳极氧化，电解参数：电解液温度为10～80℃，电流密度为5～40mA/cm2，阳极氧化时间为20～120min，使钛及钛合金表面形成一层厚度为5～50μm的氧化膜，用工艺控制氧化膜的成分使其不含有害金属，如V等；
2)采用1～20mol/L碱溶液，在30～80℃下浸泡5～48小时，在氧化膜表面形成一层多孔的网状结构的钛酸盐凝胶层；
3)将上述材料进行热处理，温度400～900℃，保温时间0.5～3小时，随炉升温、随炉冷却，使网状结构的钛酸盐凝胶层晶态化，其厚度为5～20μm；
4)将经过上述处理的材料浸入人体仿生液中1～30天，形成与骨质相近的富含Ca、P的磷灰石层，制备的植入材料具有较高硬度、耐磨性，可以阻止基体中有害离子的释放，薄膜与基体结合强度高、厚度均匀。
金属Ti一般具有两种晶型：一种是α-Ti，密排六方晶系；另一种是β-Ti，体心立方晶系，其转化温度为882.5℃。由 的标准电极电位为°＝-1.63V(SHE)可见Ti是非常活泼的金属。Ti在一般情况下表现出非常好的耐蚀性，这是因为Ti极易与空气中的氧或其他氧化性介质作用，在表面生成各种价态的氧化膜(Ti2O3和TiO2的标准生成自由能ΔG°分别为-1446kJ/mol、-852KJ/mol)，而这种氧化膜具有相当强的惰性。α-Ti在常温下，可以吸收14.5％(at)氧而形成固溶体，在大多数介质中，Ti的钝化电位Ep比氢的标准电极电位还要低，这是Ti和铬特有的性质。由于Ti的钝化电位很低，即使在能溶解Ti的非氧化性酸(如HCl、H2SO4等)中，只要存在溶解的氧或其它氧化剂，或存在重金属离子如Fe3+、Cu2+、Al3+、Pt4+等，均能使Ti发生钝化。除了HF等几种对Ti基体溶解性较强的酸以外，Ti在其他电解质水溶液中几乎都能氧化。值得注意的是，介质中水的存在对氧化膜的生成及膜的性能有着重要的作用。在潮湿情况下Ti的钝化倾向大于在干燥条件下的Ti的钝化倾向，尤其是在有机溶剂中水对Ti的钝化行为的影响更为显著，可见在非水溶液或水分较少的溶液中，Ti很难表现出其惰性。从上述氧化特性看，钛及钛合金在含有氧化性物质的水溶液中，较易得到各种氧化膜。
当试样经过碱溶液处理后，会在表面形成一层多孔的网状结构，这个网状的结构层是钛酸盐凝胶层，它是Ti合金表面的TiO2薄膜受到碱液的侵蚀而部分溶解后发生一系列的化学反应的产物。在碱处理过程中，当碱溶液的浓度增加时，网状结构层的孔径也会随着增大，但是当碱液浓度达到20mol/L以上时，这时钛酸盐凝胶层的网状结构并没有发生大的变化。因此，当碱液浓度在1～20mol/L时，会在Ti合金表面形成一层均匀的钛酸钠凝胶层。再分别经过热处理后，其表面的钛酸钠凝胶层就会脱水形成非晶态或者晶态的钛酸盐层。而且随着热处理温度的不断升高，钛酸钠凝胶层就会逐渐晶化，并且变得越来越致密。经过阳极氧化处理的钛及钛合金表面的氧化膜，通过碱处理和热处理工艺后，浸入到人体仿生液SBF中就会形成与骨质相近的富含Ca、P的磷灰石层。
本发明的有益效果如下：
1.本发明采用电化学和化学复合表面改性技术在钛及钛合金表面自生长具备生物活性薄膜，通过电化学方法在钛及钛合金表面制备厚氧化膜，目的是在Ti或Ti合金表面形成一层保护膜，一是防止有害金属离子释放，二是提高材料的耐磨性，薄膜厚度均匀、硬度高、与基体结合强度高，可有效解决目前钛及钛合金生物植入材料存在的生物惰性、金属离子释放等问题。
2.本发明采用电化学和化学复合表面技术制备的钛及钛合金植入材料表面自生长具有生物活性的微晶氧化薄膜，该薄膜在人体仿生液中能生成富含Ca和P的、与骨质成分相似的磷灰石层，可与机体硬组织形成生物结合，钛及钛合金对该膜层起到了坚强的支架作用，有效充当新生骨形成的支架，自生长生物活性薄膜具有良好的生物相容性，最终与骨组织形成一体，因此是一种理想的人工合成骨移植材料。
3.本发明由于制造技术简单，成本较低，可广泛应用于骨、关节的替换和牙齿的修复和替换材料，甚至可应用到诸如创伤、肿瘤造成的四肢节段性骨缺损，脊柱结核性骨缺损，以及溶骨性转移瘤、骨髓瘤和脊椎血管瘤的椎体成形术或人工椎体术临床中。
附图说明
图1(a)、(b)分别是实施例1、2不同阳极氧化条件下氧化钛膜的断面形貌。
图2是图1(a)中氧化钛膜组成元素的俄歇电子能谱分析。
图3是图1(a)中氧化钛膜成分的X-射线能谱分析。
图4是实施例1经过阳极氧化和10mol/L浓度NaOH溶液处理的SEM形貌。
图5是实施例1经过800℃热处理温度下的SEM形貌。
图6是实施例1放置在人体仿生液SBF中，经10天浸泡后的SEM形貌。
图7是实施例1表面骨质磷灰石成分的X-射线能谱。
图8是实施例3经过阳极氧化和5mol/L浓度NaOH溶液处理的SEM形貌。
图9是实施例3经过600℃热处理温度下的SEM形貌。
图10是实施例3放置在人体仿生液SBF中，经5天浸泡后的SEM形貌。
具体实施方式
实施例1
在Ti6Al4V合金表面采用本发明方法进行处理，具体如下：
1)选用Ti6Al4V合金，试样尺寸为25×15×1mm3，试样先经过400#的耐水砂纸打磨，产生粗糙的表面，然后在超声波清洗器里用丙酮清洗5次，再用蒸馏水清洗干净，取出后吹干；
2)电解液的配制方法如下：在1L的甲醇溶液(含水量小于1％)中，加入25g的分析纯硝酸钠化学试剂，配制成电解液，电解液的浓度为25g/L，以Ti6Al4V合金为阳极，以碳棒为阴极，以所述电解液为导电介质，进行阳极氧化，电解参数：电解液温度为50℃，电流密度为25mA/cm2，氧化时间为80min时，得到均匀、致密和较厚的氧化钛膜，经上述处理，制备的氧化膜厚度可达35μm，用工艺控制氧化膜的成分使其不含有害金属，如V等；
3)经过阳极氧化处理后的试样，在40℃下10mol/L浓度的NaOH溶液中浸泡36h后在氧化膜表面形成一层多孔的网状结构的钛酸盐凝胶层；
4)试样经过阳极氧化处理和NaOH溶液浸泡后，进行热处理，温度800℃，保温时间2h，随炉升温、随炉冷却，使网状结构的钛酸盐凝胶层晶态化，其厚度为12μm；然后放置在人体仿生液SBF中，10天浸泡后，其表面形成骨质磷灰石层。
图1(a)为步骤2)所形成氧化膜断面形貌，而且氧化膜与基体的结合是紧密的，没有发现氧化膜的破碎、剥落等现象。
图2是氧化膜组成元素的俄歇电子能谱分析。(a)为氧化膜边缘的俄歇电子能谱；(b)为氧化膜中心部的俄歇电子能谱；(c)为氧化膜与基体界面的俄歇电子能谱。由图谱可以看出，氧化膜主要是由Ti和0元素组成，以Ti的氧化物为主，而Al峰的出现也表明了氧化膜中还含有铝的氧化物，但是在整个图谱中并没有出现V峰，说明氧化膜中没有钒的氧化物形成，而V的扩散激活能较小，不能穿过致密钛氧化薄膜向外扩散，这表明该氧化膜有很好的阻隔性能，能阻止金属V离子的释放。
图3是氧化膜成分的X-射线能谱点分析EDX图谱。由图谱可以看出，氧化膜的成分主要是Ti的氧化物。在整个图谱中除了Ti、O、Al、C和N元素外，并没有发现V元素，和上面实验的俄歇电子能谱分析结果完全相符合，这表明由本实验制备的氧化钛膜有很好的阻隔性能，能有效地阻止金属离子的释放。
图4所示为经过阳极氧化处理后的试样，在40℃下10mol/L浓度的NaOH溶液中浸泡36h后的SEM表面形貌。由图可以看出，当试样经过NaOH溶液处理后，会在表面形成一层多孔的网状结构，这个网状的结构层是钛酸钠(Na2Ti5O11)凝胶层，它是在Ti6Al4V合金表面的钛氧化薄膜受到碱液的侵蚀而部分溶解后发生一系列的化学反应的生成产物。
图5为经过阳极氧化处理后的试样，在40℃、10mol/L的NaOH溶液中浸泡36h后，再经过800℃热处理2h后的SEM表面形貌。由图可以看出，当氧化钛膜经过NaOH处理和热处理后，其表面的钛酸钠凝胶层就会脱水形成非晶态或者晶态的钛酸钠层。
图6为经过阳极氧化处理和10mol/LNaOH处理的试样，然后在800℃热处理2h后，再放置在人体仿生液SBF中，经10天浸泡后，在其表面形成骨质磷灰石的SEM形貌。由图可以看出，当试样经过NaOH处理后，浸泡在SBF中就会在其表面形成球形状的骨质磷灰石，这就说明当经过适当的阳极氧化和NaOH处理后，Ti合金具备了生物活性，也就具备了与骨组织进行结合的能力。
图7为试样表面形成的骨质磷灰石元素成分的X-射线能谱分析图，由图谱可以看出，试样表面形成的骨质磷灰石主要由Ca和P元素组成，它是一种类骨质物质。在整个图谱中除了Ca、P、Ti、O、C和Al元素外，并没有V元素出现，和图2的俄歇电子能谱分析氧化Ti膜的阻止离子释放实验结果相符合，这表明经由阳极氧化制备的氧化Ti膜在经过NaOH溶液和热处理后，并没有金属离子V从Ti合金基体中释放出来。这说明由本实验制备的氧化钛膜具有很好的阻隔性能。当浸泡在SBF溶液中，10天后就能在其表面形成生物活性的骨质磷灰石，这说明经过上述电化学、化学和热处理等一系列过程之后，Ti6Al4V合金具备了和骨组织形成骨结合的能力。
实施例2
与实施例1不同之处：选用Ti6Al4V合金，试样尺寸为25×15×1mm3，试样先经过400#的耐水砂纸打磨，产生粗糙的表面，然后在超声波清洗器里用丙酮清洗4次，再用蒸馏水清洗干净，取出后吹干；电解液的配制方法如下：在1L的甲醇溶液(含水量小于1％)中，加入10g的分析纯硫酸钾化学试剂，配制成电解液，电解液的浓度为10g/l，以Ti6Al4V合金为阳极，以铂片为阴极，以所述电解液为导电介质，进行阳极氧化，电解参数：电解液温度为20℃，电流密度为10mA/cm2，氧化时间为120min时，得到均匀、致密和较厚的氧化钛膜，经上述处理，制备的氧化膜厚度为40μm。
图1(b)为所形成氧化膜断面形貌，氧化膜与基体的结合是紧密的，没有发现氧化膜的破碎、剥落等现象。
实施例3
在金属Ti表面采用本发明方法进行处理，具体如下：
1)选用金属Ti，试样尺寸为20×10×1mm3，试样先经过400#的耐水砂纸打磨，产生粗糙的表面，然后在超声波清洗器里用丙酮清洗3次，再用蒸馏水清洗干净，取出后吹干；
2)电解液的配制方法如下：在1L的甲醇溶液中，加入15g的分析纯硝酸钠化学试剂，配制成电解液，电解液的浓度为15g/L，以钛为阳极，以不锈钢为阴极，以所述电解液为导电介质，进行阳极氧化，电解参数：电解液温度为60℃，电流密度为15mA/cm2，氧化时间为90min时，得到均匀、致密和较厚的钛氧化膜，经上述处理，制备的氧化膜厚度为40μm，用工艺控制氧化膜的成分使其不含有害金属，如V等；
3)经过阳极氧化处理后的试样，在60℃下5mol/L浓度的NaOH溶液中浸泡18h后在氧化膜表面形成一层多孔的网状结构的钛酸盐凝胶层；
4)试样经过阳极氧化处理和NaOH溶液浸泡后，进行热处理，温度600℃，保温时间1h，随炉升温、随炉冷却，使网状结构的钛酸盐凝胶层晶态化，其厚度为8μm；然后放置在人体仿生液SBF中，5天浸泡后，其表面形成骨质磷灰石层。
图8为经过阳极氧化处理后的试样，在60℃下5mol/L浓度的NaOH溶液中浸泡18h后的SEM表面形貌。由图可以看出，当试样经过NaOH溶液处理后，会在表面形成一层多孔的网状结构；这个网状的结构层是钛酸钠(Na2Ti5O11)凝胶层，它是Ti表面的TiO2薄膜受到碱液的侵蚀而部分溶解后发生一系列的化学反应的生成产物。
图9为经过阳极氧化处理后的试样，在60℃、5mol/L的NaOH溶液中浸泡18h后，再经过600℃热处理1h后的SEM表面形貌。由图可以看出，当钛氧化膜经过NaOH处理和热处理后，其表面的钛酸钠凝胶层就会脱水形成非晶态或者晶态的钛酸钠层。
图10为试样经过阳极氧化处理和NaOH溶液浸泡后600℃热处理1h，放置在人体仿生液SBF中，5天浸泡后，其表面形成骨质磷灰石的SEM形貌。由图可以看出，当试样经过处理后，浸泡在SBF中就会在其表面形成球形状的骨质磷灰石，这就说明当经过适当的阳极氧化和NaOH处理后，Ti就已经具备了生物活性。
Claims (3)
1.一种生物活性钛及钛合金硬组织植入材料的制备方法，其特征在于采用电化学和化学复合表面改性的方法，在钛及钛合金表面自生长制备生物活性薄膜，具体方法如下：
1)在醇类有机溶剂中加入5～40g/L的硝酸盐或硫酸盐类电解质，配制成电解液，以钛或钛合金为阳极，以钛、钛合金、不锈钢、碳、铂或铅为阴极，以所述电解液为导电介质，进行阳极氧化，电解参数：电解液温度为10～80℃，电流密度为5～40mA/cm2，阳极氧化时间为20～120min，使钛及钛合金表面形成一层厚度为5～50μm的氧化膜；
2)采用1～20mol/L碱溶液，在30～80℃下浸泡5～48小时，在氧化膜表面形成一层多孔的网状结构的钛酸盐凝胶层；
3)将上述材料进行热处理，温度400～900℃，保温时间0.5～3小时，随炉升温、随炉冷却，使网状结构的钛酸盐凝胶层晶态化，其厚度为5～20μm；
4)将经过上述处理的材料浸入人体仿生液中1～30天，形成与骨质相近的富含Ca、P的磷灰石层。
2.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤1)所述醇类溶液为甲醇。
3.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤1)所述硝酸盐类电解质为硝酸钠。
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