純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法
2023-06-05 09:12:21 2
專利名稱：純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬表面改性技術領域，具體涉及一種純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法。
背景技術：
鈦及鈦合金材料作為重要的生物醫用材料，具有高機械強度、高韌性和優良的抗疲勞性能，廣泛應用於人體的關節、牙、骨等硬組織的替換。然而，將其植入到人體中普遍存在生物活性差，結合強度低、癒合時間長等問題。金屬材料植入人體後，由於長期在體液環境中服役就會導致金屬的表面腐蝕，甚至使金屬離子進入肌體組織而使肌體組織變質。為了提高醫用鈦金屬的生物活性，促進其與人體骨組織的結合，目前常用的方法是在材料表面等離子噴塗羥基磷灰石塗層；但是塗層與基體界面結合強度低，容易開裂，大大影響了其使用效果，因此發展新技術對醫用鈦和鈦合金的表面進行生物活化改性處理，提高其與人體硬組織的結合性能，具有非常重要的意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種微弧氧化的工藝方法既能夠節能省時，又能夠在原位形成氧化物塗層與基體匹配好、膜基結合強度高可達30MPa以上，可適用於不同形狀與尺寸的零件。
上述的目的通過以下的技術方案實現
純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，本方法有二個步驟， 步驟一做基體處理將純鈦或鈦合金表面(1)打磨拋光、清洗； 步驟二 做微弧氧化將純鈦或鈦合金置於含有鹼性電解液的不鏽鋼槽體中，以純鈦或鈦合金做陽極，不鏽鋼槽體為陰極；氧化過程中通過冷卻系統控制槽液溫度< 50°C ；用雙極脈衝電源，通過對微弧氧化電參數的控制，靠鈦表面的擊穿放電使鈦表面(1)形成一層的微弧氧化塗層(2 )，微弧氧化塗層(2 )厚度為flOmm。所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的微弧氧化的脈衝電壓為200 500V、所述的微弧氧化的頻率400 800Hz、所述的微弧氧化的佔空比 4 20%、所述的微弧氧化的溶液溫度O 50°C。所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的鹼性電解液為矽酸鹽或磷酸鹽或矽酸鹽和磷酸鹽的混合物為EDTA-2Na、NaOH, Na2SiO3 · 9H20和 Ca(CH3COO)2 · H2O,濃度分別定為15克/升、20克/升、14. 2克/升和8. 8克/升，以去離子水為溶劑配製成。所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的純鈦或鈦合金的基體零件為板狀或棒狀或管狀。有益效果
1.本發明能夠在原位形成氧化物塗層與基體匹配好、膜基結合強度高可達30MPa以上，可適用於不同形狀與尺寸的零件，所獲得的緻密陶瓷層含有對人體骨組織生長有益的矽Si、鈣Ca、磷P微量元素，能夠成功的在模擬體液中誘導羥基磷灰石的生成，有助於提高Ti基體替換物植入體內與骨組織的結合能力。
本發明顯著的提高了鈦的表面生物活性，擴展了 Ti作為最理想的骨替代物的應用範圍。本發明處理後的塗層進行能譜儀EDS能譜檢測，塗層中有Na、Si、Ca微量活性元素的存在，Si，Ca元素是生物活性玻璃中的必備元素，通過微弧氧化方法將Si，Ca元素同時引入到陶瓷塗層中尚屬首次，可以使二氧化鈦的塗層材料可以具有部分生物活性玻璃的性能。模擬體液浸泡，浸泡3天以後用掃描電鏡和X射線能譜儀XRD觀察在塗層表面即有羥基磷灰石形成，當達到一周以上肉眼就可看到表面形成的羥基磷灰石，後續觀察隨浸泡時間增加羥基磷灰石形成數量也增多，一個月以上磷灰石形成數量達到飽和。表明按本發明方法弧氧化塗層在實際應用中，可以顯著提高Ti材料的生物活性。本發明處理後的塗層進行能譜儀EDS能譜檢測，塗層中有Na、P、Ca微量活性元素的存在。P、Ca元素羥基磷灰石形成的必須元素，這兩種元素的引入可以彌補塗層表面在活體內Ca、P匱乏的缺點，不利於羥基磷灰石的形成。將本發明按具體實施方式
4製備的塗層在模擬體液浸泡，浸泡3天以後用掃描電鏡和X射線能譜儀XRD觀察在塗層表面即有羥基磷灰石形成，當達到一周以上肉眼就可看到表面形成的羥基磷灰石，後續觀察隨浸泡時間增加羥基磷灰石形成數量也增多，一個月以上磷灰石形成數量達到飽和。表明按本發明方法弧氧化塗層在實際應用中，可以顯著提高Ti材料的生物活性。
附圖1是本產品中純鈦或鈦合金表面的結構示意圖。附圖2是本產品中純鈦或鈦合金表面微弧氧化塗層的結構示意圖。
具體實施例方式
實施例1
一種純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，本方法有二個步驟， 步驟一做基體處理將純鈦或鈦合金表面(1)打磨拋光、清洗； 步驟二 做微弧氧化將純鈦或鈦合金置於含有鹼性電解液的不鏽鋼槽體中，以純鈦或鈦合金做陽極，不鏽鋼槽體為陰極；氧化過程中通過冷卻系統控制槽液溫度< 50oC ；用雙極脈衝電源，通過對微弧氧化電參數的控制，靠鈦表面的擊穿放電使鈦表面(1)形成一層的微弧氧化塗層(2)，微弧氧化塗層(2)厚度為3 10mm。實施例2:
上述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的微弧氧化的脈衝電壓為200 500V、所述的微弧氧化的頻率400 800Hz、所述的微弧氧化的佔空比4 20%、所述的微弧氧化的溶液溫度0 50°C。所述的鹼性電解液為矽酸鹽或磷酸鹽或矽酸鹽和磷酸鹽的混合物為EDTA_2Na、 NaOH、Na2SiO3 · 9H20 和 Ca(CH3COO)2 · H2O,濃度分別定為 15 克 / 升、20 克 / 升、14. 2 克 / 升和8. 8克/升，以去離子水為溶劑配製成。所述的純鈦或鈦合金的基體零件為板狀或棒狀或管狀。所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的微弧氧化製備塗層(2)中引入矽Si、鈣Ca或磷P和鈣Ca等微量元素，所獲得的緻密陶瓷層含有對人體骨組織生長有益的矽Si、鈣Ca、磷P微量元素，能夠成功的在模擬體液中誘導羥基磷灰石的生成，有助於提高Ti基體替換物植入體內與骨組織的結合能力。實施例3:
根據實施例1或2所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的純鈦或鈦合金的基體零件為板狀或棒狀或管狀。實施例4:
以上實施所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，採用鹼性電解液，，純鈦或鈦合金零件作為陽極，不鏽鋼作為陰極。氧化過程中的能量由可調控高壓高頻雙極脈衝電源提供，脈衝參數為電壓20(T500V，頻率40(Γ800Ηζ，佔空比4 10%。當外加電壓超過置於電解液中鈦表面絕緣膜的臨界電壓時，零件表面產生的火花放電將基體氧化並形成緻密的T^2氧化物塗層，通過控制電解液的成分，可使對活體有益處的微量元素通過材料的氧化過程被引入到氧化層表面中去，後續通過浸入模擬體液中在氧化層表面可成功誘導羥基磷灰石沉積。這項技術製備的TiO2陶瓷層具有優異的耐腐蝕、耐摩擦和生物活性， 極大拓展Ti作為人體硬組織替換物中的應用範圍，因而本發明具有重要的經濟與應用價值。實施例5:
以上實施所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的微弧氧化過程的能量由可調控高壓高頻雙極脈衝電源提供，脈衝電壓為200 500V、頻率400 800Hz、佔空比4 20%、溶液溫度0 50°C。在上述選定的微弧氧化電參數內，微弧氧化5 分鐘，塗層的厚度可達到3 10微米。其它步驟與具體實施方式
一相同。實施例6
以上實施所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的對純鈦或鈦合金進行微弧氧化，其步驟如下
步驟一基體前處理對純鈦或鈦合金表面1打磨拋光，再放入裝有丙酮的容器後，置於超聲波清洗裝置中進行清洗；
步驟二 微弧氧化將純 Ti 置於含有 EDTA-2Na、Na0H、N￡i2Si03 .OT2(^PCaWH3COO)2 ·Η20 (濃度分別定為15克/升、20克/升、14. 2克/升和8. 8克/升)以去離子水為溶劑稀釋配製而成電解液的不鏽鋼槽體中，調節電源的電壓為400V、佔空比為8%、頻率為600Hz、氧化時間為5min，使純純鈦或鈦合金表面形成微弧氧化塗層2，厚度為3 10mm。對採用本發明處理後的塗層進行能譜儀EDS能譜檢測，塗層中有Na、Si、Ca微量活性元素的存在。模擬體液浸泡，浸泡3天以後用掃描電鏡和X射線能譜儀XRD觀察在塗層表面即有羥基磷灰石形成，當達到一周以上肉眼就可看到表面形成的羥基磷灰石，後續觀察隨浸泡時間增加羥基磷灰石形成數量也增多，一個月以上磷灰石形成數量達到飽和。表明按本發明方法弧氧化塗層在實際應用中，可以顯著提高Ti材料的生物活性。實施例7
以上實施所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，所述的對純鈦或鈦合金進行微弧氧化加入的混合物種類和數量不同，加入物為EDTA-2Na、NaOH, Ca(H2PO4)2 · H2O和Ca(CH3COO)2 · H2O濃度為濃度分別定為15克/升、15克/升、6. 3克/ 升和13. 2克/升，以去離子水為溶劑稀釋，配製成電解液的不鏽鋼槽體中，調節電源的電壓為400V、佔空比為8%、頻率為600Hz、氧化時間為5min，使純鈦或鈦合金表面形成微弧氧化塗層2，厚度為3 10mm。 對採用本發明處理後的塗層進行能譜儀EDS能譜檢測，塗層中有Na、P、Ca微量活性元素的存在。模擬體液浸泡，浸泡3天以後用掃描電鏡和X射線能譜儀XRD觀察在塗層表面即有羥基磷灰石形成，當達到一周以上肉眼就可看到表面形成的羥基磷灰石，後續觀察隨浸泡時間增加羥基磷灰石形成數量也增多，一個月以上磷灰石形成數量達到飽和。表明按本發明方法弧氧化塗層在實際應用中，可以顯著提高Ti材料的生物活性。
權利要求
1.一種純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，其特徵是本方法有二個步驟，步驟一做基體處理將純鈦或鈦合金表面(1)打磨拋光、清洗；步驟二 做微弧氧化將純鈦或鈦合金置於含有鹼性電解液的不鏽鋼槽體中，以純鈦或鈦合金做陽極，不鏽鋼槽體為陰極；氧化過程中通過冷卻系統控制槽液溫度< 50OC ；用雙極脈衝電源，通過對微弧氧化電參數的控制，靠鈦表面的擊穿放電使鈦表面(1)形成一層的微弧氧化塗層(2)，微弧氧化塗層(2)厚度為3 10mm ；根據權利要求1所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，其特徵是所述的微弧氧化的脈衝電壓為200 500V、所述的微弧氧化的頻率400 800Hz、所述的微弧氧化的佔空比4 20%、所述的微弧氧化的溶液溫度0 50°C。
2.根據權利要求1或2所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法， 其特徵是所述的鹼性電解液為矽酸鹽或磷酸鹽或矽酸鹽和磷酸鹽的混合物為EDTA-2Na、 NaOH、Na2SiO3 · 9H20 禾口 Ca(CH3COO)2 · H2O,濃度分別定為 15 克 / 升、20 克 / 升、14. 2 克 / 升和8. 8克/升，以去離子水為溶劑配製成。
3.根據權利要求1或2或3所述的純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法，其特徵是所述的純鈦或鈦合金的基體零件為板狀或棒狀或管狀。
全文摘要
純鈦或鈦合金表面製備具有生物活性陶瓷塗層的方法。鈦及鈦合金材料作為重要的生物醫用材料，具有高機械強度、高韌性和優良的抗疲勞性能，廣泛應用於人體的關節、牙、骨等硬組織的替換。本發明有二個步驟，一做基體處理將純鈦或鈦合金表面(1)打磨拋光、清洗；二做微弧氧化將純鈦或鈦合金置於含有鹼性電解液的不鏽鋼槽體中，以純鈦或鈦合金做陽極，不鏽鋼槽體為陰極；氧化過程中通過冷卻系統控制槽液溫度＜50oC；用雙極脈衝電源，通過對微弧氧化電參數的控制，靠鈦表面的擊穿放電使鈦表面(1)形成一層的微弧氧化塗層(2)，微弧氧化塗層(2)厚度為3~10mm；發明用於製作骨胳替代物。
文檔編號C25D11/26GK102418132SQ20101059619
公開日2012年4月18日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者周玉, 成夙, 魏大慶 申請人:哈爾濱工業大學