一種生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的製備方法
2023-06-14 16:08:51
專利名稱：一種生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及生物活性植入材料的製備領域，具體地說是一種生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的製備方法。
背景技術：
現代科學技術的進步已使人類能夠改造和創建新的生命形態，器官的人工化已成為當今醫學科學的尖端技術之一。其潛在的核心是醫用生物材料的開發，醫用生物材料的發展將使人們把處理人體失去功能組織的方法由組織去除、組織替代最終實現組織重建，Ti合金具有強度高、彈性模量低、耐腐蝕性能好等優點，在人工種植體的研究和應用中一直備受人們的關注，但是鈦及鈦合金是一種生物惰性金屬材料，和人體組織不能產生直接的生物結合，因此製備生物活性鈦及鈦合金表面材料的研究和應用日益得到各國醫學界的重視。
在現有技術中，對鈦及鈦合金表面改性使其具有生物活性的技術中多採用等離子噴塗的方法製備羥基磷灰石(HA)塗層，由於等離子噴塗在高溫(12000℃)下進行，HA塗層易分解，塗層與基體界面殘餘應力高，塗層和基體的結合強度差，塗層不緻密易使生物體液滲入到基體造成界面腐蝕和植入體的鬆動等缺點。
1999年12月《材料開發與應用》第14卷第6期介紹了各種羥基磷灰石生物陶瓷塗層的製備方法，比較了各種方法的優缺點；2000年3月《中國口腔種植學雜誌》第5卷第1期介紹了醫用鈦及鈦合金種植體的研究，從四個方面綜述了近幾年來鈦及鈦合金種植材料的研究進展；而對於本發明通過化學及電化學改性方法製備生物活性鈦及鈦合金植入材料尚未見報導。
發明內容
本發明的目的是提供一種與基體結合強度高、薄膜厚度均勻，能有效解決鈦及鈦合金生物惰性的生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的製備方法。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是採用電化學和化學複合表面改性技術，在鈦及鈦合金表面自生長製備生物活性薄膜，薄膜同時具有高硬度、耐磨性和阻止金屬離子釋放的能力，具體方法如下1)在醇類有機溶劑中加入5～40g/L的硝酸鹽或硫酸鹽類電解質，配製成電解液，以鈦或鈦合金為陽極，以鈦、鈦合金、不鏽鋼、碳、鉑或鉛為陰極，以所述電解液為導電介質，進行陽極氧化，電解參數電解液溫度為10～80℃，電流密度為5～40mA/cm2，陽極氧化時間為20～120min，使鈦及鈦合金表面形成一層厚度為5～50μm的氧化膜，用工藝控制氧化膜的成分使其不含有害金屬，如V等；2)採用1～20mol/L鹼溶液，在30～80℃下浸泡5～48小時，在氧化膜表面形成一層多孔的網狀結構的鈦酸鹽凝膠層；3)將上述材料進行熱處理，溫度400～900℃，保溫時間0.5～3小時，隨爐升溫、隨爐冷卻，使網狀結構的鈦酸鹽凝膠層晶態化，其厚度為5～20μm；4)將經過上述處理的材料浸入人體仿生液中1～30天，形成與骨質相近的富含Ca、P的磷灰石層，製備的植入材料具有較高硬度、耐磨性，可以阻止基體中有害離子的釋放，薄膜與基體結合強度高、厚度均勻。
金屬Ti一般具有兩種晶型一種是α-Ti，密排六方晶系；另一種是β-Ti，體心立方晶系，其轉化溫度為882.5℃。由的標準電極電位為°＝-1.63V(SHE)可見Ti是非常活潑的金屬。Ti在一般情況下表現出非常好的耐蝕性，這是因為Ti極易與空氣中的氧或其他氧化性介質作用，在表面生成各種價態的氧化膜(Ti2O3和TiO2的標準生成自由能ΔG°分別為-1446kJ/mol、-852KJ/mol)，而這種氧化膜具有相當強的惰性。α-Ti在常溫下，可以吸收14.5％(at)氧而形成固溶體，在大多數介質中，Ti的鈍化電位Ep比氫的標準電極電位還要低，這是Ti和鉻特有的性質。由於Ti的鈍化電位很低，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劑，或存在重金屬離子如Fe3+、Cu2+、Al3+、Pt4+等，均能使Ti發生鈍化。除了HF等幾種對Ti基體溶解性較強的酸以外，Ti在其他電解質水溶液中幾乎都能氧化。值得注意的是，介質中水的存在對氧化膜的生成及膜的性能有著重要的作用。在潮溼情況下Ti的鈍化傾向大於在乾燥條件下的Ti的鈍化傾向，尤其是在有機溶劑中水對Ti的鈍化行為的影響更為顯著，可見在非水溶液或水分較少的溶液中，Ti很難表現出其惰性。從上述氧化特性看，鈦及鈦合金在含有氧化性物質的水溶液中，較易得到各種氧化膜。
當試樣經過鹼溶液處理後，會在表面形成一層多孔的網狀結構，這個網狀的結構層是鈦酸鹽凝膠層，它是Ti合金表面的TiO2薄膜受到鹼液的侵蝕而部分溶解後發生一系列的化學反應的產物。在鹼處理過程中，當鹼溶液的濃度增加時，網狀結構層的孔徑也會隨著增大，但是當鹼液濃度達到20mol/L以上時，這時鈦酸鹽凝膠層的網狀結構並沒有發生大的變化。因此，當鹼液濃度在1～20mol/L時，會在Ti合金表面形成一層均勻的鈦酸鈉凝膠層。再分別經過熱處理後，其表面的鈦酸鈉凝膠層就會脫水形成非晶態或者晶態的鈦酸鹽層。而且隨著熱處理溫度的不斷升高，鈦酸鈉凝膠層就會逐漸晶化，並且變得越來越緻密。經過陽極氧化處理的鈦及鈦合金表面的氧化膜，通過鹼處理和熱處理工藝後，浸入到人體仿生液SBF中就會形成與骨質相近的富含Ca、P的磷灰石層。
本發明的有益效果如下1.本發明採用電化學和化學複合表面改性技術在鈦及鈦合金表面自生長具備生物活性薄膜，通過電化學方法在鈦及鈦合金表面製備厚氧化膜，目的是在Ti或Ti合金表面形成一層保護膜，一是防止有害金屬離子釋放，二是提高材料的耐磨性，薄膜厚度均勻、硬度高、與基體結合強度高，可有效解決目前鈦及鈦合金生物植入材料存在的生物惰性、金屬離子釋放等問題。
2.本發明採用電化學和化學複合表面技術製備的鈦及鈦合金植入材料表面自生長具有生物活性的微晶氧化薄膜，該薄膜在人體仿生液中能生成富含Ca和P的、與骨質成分相似的磷灰石層，可與機體硬組織形成生物結合，鈦及鈦合金對該膜層起到了堅強的支架作用，有效充當新生骨形成的支架，自生長生物活性薄膜具有良好的生物相容性，最終與骨組織形成一體，因此是一種理想的人工合成骨移植材料。
3.本發明由於製造技術簡單，成本較低，可廣泛應用於骨、關節的替換和牙齒的修復和替換材料，甚至可應用到諸如創傷、腫瘤造成的四肢節段性骨缺損，脊柱結核性骨缺損，以及溶骨性轉移瘤、骨髓瘤和脊椎血管瘤的椎體成形術或人工椎體術臨床中。
圖1(a)、(b)分別是實施例1、2不同陽極氧化條件下氧化鈦膜的斷面形貌。
圖2是圖1(a)中氧化鈦膜組成元素的俄歇電子能譜分析。
圖3是圖1(a)中氧化鈦膜成分的X-射線能譜分析。
圖4是實施例1經過陽極氧化和10mol/L濃度NaOH溶液處理的SEM形貌。
圖5是實施例1經過800℃熱處理溫度下的SEM形貌。
圖6是實施例1放置在人體仿生液SBF中，經10天浸泡後的SEM形貌。
圖7是實施例1表面骨質磷灰石成分的X-射線能譜。
圖8是實施例3經過陽極氧化和5mol/L濃度NaOH溶液處理的SEM形貌。
圖9是實施例3經過600℃熱處理溫度下的SEM形貌。
圖10是實施例3放置在人體仿生液SBF中，經5天浸泡後的SEM形貌。
具體實施例方式
實施例1在Ti6Al4V合金表面採用本發明方法進行處理，具體如下1)選用Ti6Al4V合金，試樣尺寸為25×15×1mm3，試樣先經過400#的耐水砂紙打磨，產生粗糙的表面，然後在超聲波清洗器裡用丙酮清洗5次，再用蒸餾水清洗乾淨，取出後吹乾；2)電解液的配製方法如下在1L的甲醇溶液(含水量小於1％)中，加入25g的分析純硝酸鈉化學試劑，配製成電解液，電解液的濃度為25g/L，以Ti6Al4V合金為陽極，以碳棒為陰極，以所述電解液為導電介質，進行陽極氧化，電解參數電解液溫度為50℃，電流密度為25mA/cm2，氧化時間為80min時，得到均勻、緻密和較厚的氧化鈦膜，經上述處理，製備的氧化膜厚度可達35μm，用工藝控制氧化膜的成分使其不含有害金屬，如V等；3)經過陽極氧化處理後的試樣，在40℃下10mol/L濃度的NaOH溶液中浸泡36h後在氧化膜表面形成一層多孔的網狀結構的鈦酸鹽凝膠層；4)試樣經過陽極氧化處理和NaOH溶液浸泡後，進行熱處理，溫度800℃，保溫時間2h，隨爐升溫、隨爐冷卻，使網狀結構的鈦酸鹽凝膠層晶態化，其厚度為12μm；然後放置在人體仿生液SBF中，10天浸泡後，其表面形成骨質磷灰石層。
圖1(a)為步驟2)所形成氧化膜斷面形貌，而且氧化膜與基體的結合是緊密的，沒有發現氧化膜的破碎、剝落等現象。
圖2是氧化膜組成元素的俄歇電子能譜分析。(a)為氧化膜邊緣的俄歇電子能譜；(b)為氧化膜中心部的俄歇電子能譜；(c)為氧化膜與基體界面的俄歇電子能譜。由圖譜可以看出，氧化膜主要是由Ti和0元素組成，以Ti的氧化物為主，而Al峰的出現也表明了氧化膜中還含有鋁的氧化物，但是在整個圖譜中並沒有出現V峰，說明氧化膜中沒有釩的氧化物形成，而V的擴散激活能較小，不能穿過緻密鈦氧化薄膜向外擴散，這表明該氧化膜有很好的阻隔性能，能阻止金屬V離子的釋放。
圖3是氧化膜成分的X-射線能譜點分析EDX圖譜。由圖譜可以看出，氧化膜的成分主要是Ti的氧化物。在整個圖譜中除了Ti、O、Al、C和N元素外，並沒有發現V元素，和上面實驗的俄歇電子能譜分析結果完全相符合，這表明由本實驗製備的氧化鈦膜有很好的阻隔性能，能有效地阻止金屬離子的釋放。
圖4所示為經過陽極氧化處理後的試樣，在40℃下10mol/L濃度的NaOH溶液中浸泡36h後的SEM表面形貌。由圖可以看出，當試樣經過NaOH溶液處理後，會在表面形成一層多孔的網狀結構，這個網狀的結構層是鈦酸鈉(Na2Ti5O11)凝膠層，它是在Ti6Al4V合金表面的鈦氧化薄膜受到鹼液的侵蝕而部分溶解後發生一系列的化學反應的生成產物。
圖5為經過陽極氧化處理後的試樣，在40℃、10mol/L的NaOH溶液中浸泡36h後，再經過800℃熱處理2h後的SEM表面形貌。由圖可以看出，當氧化鈦膜經過NaOH處理和熱處理後，其表面的鈦酸鈉凝膠層就會脫水形成非晶態或者晶態的鈦酸鈉層。
圖6為經過陽極氧化處理和10mol/LNaOH處理的試樣，然後在800℃熱處理2h後，再放置在人體仿生液SBF中，經10天浸泡後，在其表面形成骨質磷灰石的SEM形貌。由圖可以看出，當試樣經過NaOH處理後，浸泡在SBF中就會在其表面形成球形狀的骨質磷灰石，這就說明當經過適當的陽極氧化和NaOH處理後，Ti合金具備了生物活性，也就具備了與骨組織進行結合的能力。
圖7為試樣表面形成的骨質磷灰石元素成分的X-射線能譜分析圖，由圖譜可以看出，試樣表面形成的骨質磷灰石主要由Ca和P元素組成，它是一種類骨質物質。在整個圖譜中除了Ca、P、Ti、O、C和Al元素外，並沒有V元素出現，和圖2的俄歇電子能譜分析氧化Ti膜的阻止離子釋放實驗結果相符合，這表明經由陽極氧化製備的氧化Ti膜在經過NaOH溶液和熱處理後，並沒有金屬離子V從Ti合金基體中釋放出來。這說明由本實驗製備的氧化鈦膜具有很好的阻隔性能。當浸泡在SBF溶液中，10天後就能在其表面形成生物活性的骨質磷灰石，這說明經過上述電化學、化學和熱處理等一系列過程之後，Ti6Al4V合金具備了和骨組織形成骨結合的能力。
實施例2與實施例1不同之處選用Ti6Al4V合金，試樣尺寸為25×15×1mm3，試樣先經過400#的耐水砂紙打磨，產生粗糙的表面，然後在超聲波清洗器裡用丙酮清洗4次，再用蒸餾水清洗乾淨，取出後吹乾；電解液的配製方法如下在1L的甲醇溶液(含水量小於1％)中，加入10g的分析純硫酸鉀化學試劑，配製成電解液，電解液的濃度為10g/l，以Ti6Al4V合金為陽極，以鉑片為陰極，以所述電解液為導電介質，進行陽極氧化，電解參數電解液溫度為20℃，電流密度為10mA/cm2，氧化時間為120min時，得到均勻、緻密和較厚的氧化鈦膜，經上述處理，製備的氧化膜厚度為40μm。
圖1(b)為所形成氧化膜斷面形貌，氧化膜與基體的結合是緊密的，沒有發現氧化膜的破碎、剝落等現象。
實施例3在金屬Ti表面採用本發明方法進行處理，具體如下1)選用金屬Ti，試樣尺寸為20×10×1mm3，試樣先經過400#的耐水砂紙打磨，產生粗糙的表面，然後在超聲波清洗器裡用丙酮清洗3次，再用蒸餾水清洗乾淨，取出後吹乾；2)電解液的配製方法如下在1L的甲醇溶液中，加入15g的分析純硝酸鈉化學試劑，配製成電解液，電解液的濃度為15g/L，以鈦為陽極，以不鏽鋼為陰極，以所述電解液為導電介質，進行陽極氧化，電解參數電解液溫度為60℃，電流密度為15mA/cm2，氧化時間為90min時，得到均勻、緻密和較厚的鈦氧化膜，經上述處理，製備的氧化膜厚度為40μm，用工藝控制氧化膜的成分使其不含有害金屬，如V等；3)經過陽極氧化處理後的試樣，在60℃下5mol/L濃度的NaOH溶液中浸泡18h後在氧化膜表面形成一層多孔的網狀結構的鈦酸鹽凝膠層；4)試樣經過陽極氧化處理和NaOH溶液浸泡後，進行熱處理，溫度600℃，保溫時間1h，隨爐升溫、隨爐冷卻，使網狀結構的鈦酸鹽凝膠層晶態化，其厚度為8μm；然後放置在人體仿生液SBF中，5天浸泡後，其表面形成骨質磷灰石層。
圖8為經過陽極氧化處理後的試樣，在60℃下5mol/L濃度的NaOH溶液中浸泡18h後的SEM表面形貌。由圖可以看出，當試樣經過NaOH溶液處理後，會在表面形成一層多孔的網狀結構；這個網狀的結構層是鈦酸鈉(Na2Ti5O11)凝膠層，它是Ti表面的TiO2薄膜受到鹼液的侵蝕而部分溶解後發生一系列的化學反應的生成產物。
圖9為經過陽極氧化處理後的試樣，在60℃、5mol/L的NaOH溶液中浸泡18h後，再經過600℃熱處理1h後的SEM表面形貌。由圖可以看出，當鈦氧化膜經過NaOH處理和熱處理後，其表面的鈦酸鈉凝膠層就會脫水形成非晶態或者晶態的鈦酸鈉層。
圖10為試樣經過陽極氧化處理和NaOH溶液浸泡後600℃熱處理1h，放置在人體仿生液SBF中，5天浸泡後，其表面形成骨質磷灰石的SEM形貌。由圖可以看出，當試樣經過處理後，浸泡在SBF中就會在其表面形成球形狀的骨質磷灰石，這就說明當經過適當的陽極氧化和NaOH處理後，Ti就已經具備了生物活性。
權利要求
1.一種生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的製備方法，其特徵在於採用電化學和化學複合表面改性的方法，在鈦及鈦合金表面自生長製備生物活性薄膜，具體方法如下1)在醇類有機溶劑中加入5～40g/L的硝酸鹽或硫酸鹽類電解質，配製成電解液，以鈦或鈦合金為陽極，以鈦、鈦合金、不鏽鋼、碳、鉑或鉛為陰極，以所述電解液為導電介質，進行陽極氧化，電解參數電解液溫度為10～80℃，電流密度為5～40mA/cm2，陽極氧化時間為20～120min，使鈦及鈦合金表面形成一層厚度為5～50μm的氧化膜；2)採用1～20mol/L鹼溶液，在30～80℃下浸泡5～48小時，在氧化膜表面形成一層多孔的網狀結構的鈦酸鹽凝膠層；3)將上述材料進行熱處理，溫度400～900℃，保溫時間0.5～3小時，隨爐升溫、隨爐冷卻，使網狀結構的鈦酸鹽凝膠層晶態化，其厚度為5～20μm；4)將經過上述處理的材料浸入人體仿生液中1～30天，形成與骨質相近的富含Ca、P的磷灰石層。
2.按照權利要求1所述製備方法，其特徵在於步驟1)所述醇類溶液為甲醇。
3.按照權利要求1所述製備方法，其特徵在於步驟1)所述硝酸鹽類電解質為硝酸鈉。
全文摘要
本發明涉及一種生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的製備方法，採用電化學和化學複合表面改性，在鈦及鈦合金表面製備生物活性薄膜，首先採用電化學方法在Ti或Ti合金表面製備一定厚度的氧化膜，然後採用鹼溶液化學處理的方法，在氧化膜表面形成一層多孔的網狀結構的鈦酸鹽凝膠層，再將試樣進行熱處理，使網狀結構的鈦酸鹽凝膠層晶態化，最後將經過上述處理的材料浸入人體仿生液中，就會形成與骨質相近的磷灰石層。本發明製造技術簡單，成本較低，可以形成硬度高、與基體結合強度高的磷灰石層，從而有效解決鈦及鈦合金生物植入材料存在的生物惰性、金屬離子釋放等問題，廣泛適用於骨、關節的替換和牙齒的修復和替換材料。
文檔編號C25D11/02GK1490058SQ0213321
公開日2004年4月21日 申請日期2002年10月18日 優先權日2002年10月18日
發明者熊天英, 吳傑, 金花子, 吳敏傑, 崔新宇, 趙穎 申請人:中國科學院金屬研究所