專利名稱：一種生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物活性植入材料的制備領(lǐng)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制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步已使人類能夠改造和創(chuàng)建新的生命形態(tài)，器官的人工化已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)科學(xué)的尖端技術(shù)之一。其潛在的核心是醫(yī)用生物材料的開發(fā)，醫(yī)用生物材料的發(fā)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(xiàn)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(yōu)點，在人工種植體的研究和應(yīng)用中一直備受人們的關(guān)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(chǎn)生直接的生物結(jié)合，因此制備生物活性鈦及鈦合金表面材料的研究和應(yīng)用日益得到各國醫(yī)學(xué)界的重視。
在現(xiàn)有技術(shù)中，對鈦及鈦合金表面改性使其具有生物活性的技術(shù)中多采用等離子噴涂的方法制備羥基磷灰石(HA)涂層，由于等離子噴涂在高溫(12000℃)下進(jìn)行，HA涂層易分解，涂層與基體界面殘余應(yīng)力高，涂層和基體的結(jié)合強度差，涂層不致密易使生物體液滲入到基體造成界面腐蝕和植入體的松動等缺點。
1999年12月《材料開發(fā)與應(yīng)用》第14卷第6期介紹了各種羥基磷灰石生物陶瓷涂層的制備方法，比較了各種方法的優(yōu)缺點；2000年3月《中國口腔種植學(xué)雜志》第5卷第1期介紹了醫(yī)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(jìn)展；而對于本發(fā)明通過化學(xué)及電化學(xué)改性方法制備生物活性鈦及鈦合金植入材料尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種與基體結(jié)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制備方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用電化學(xué)和化學(xué)復(fù)合表面改性技術(shù)，在鈦及鈦合金表面自生長制備生物活性薄膜，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(zhì)，配制成電解液，以鈦或鈦合金為陽極，以鈦、鈦合金、不銹鋼、碳、鉑或鉛為陰極，以所述電解液為導(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行陽極氧化，電解參數(shù)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)采用1～20mol/L堿溶液，在30～80℃下浸泡5～48小時，在氧化膜表面形成一層多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層；3)將上述材料進(jìn)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層晶態(tài)化，其厚度為5～20μm；4)將經(jīng)過上述處理的材料浸入人體仿生液中1～30天，形成與骨質(zhì)相近的富含Ca、P的磷灰石層，制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(jié)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(zhuǎn)化溫度為882.5℃。由的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(zhì)作用，在表面生成各種價態(tài)的氧化膜(Ti2O3和TiO2的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能ΔG°分別為-1446kJ/mol、-852KJ/mol)，而這種氧化膜具有相當(dāng)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(shù)介質(zhì)中，Ti的鈍化電位Ep比氫的標(biāo)準(zhǔn)電極電位還要低，這是Ti和鉻特有的性質(zhì)。由于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(fā)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(zhì)水溶液中幾乎都能氧化。值得注意的是，介質(zhì)中水的存在對氧化膜的生成及膜的性能有著重要的作用。在潮濕情況下Ti的鈍化傾向大于在干燥條件下的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(xiàn)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(zhì)的水溶液中，較易得到各種氧化膜。
當(dāng)試樣經(jīng)過堿溶液處理后，會在表面形成一層多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)層是鈦酸鹽凝膠層，它是Ti合金表面的TiO2薄膜受到堿液的侵蝕而部分溶解后發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。在堿處理過程中，當(dāng)堿溶液的濃度增加時，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層的孔徑也會隨著增大，但是當(dāng)堿液濃度達(dá)到20mol/L以上時，這時鈦酸鹽凝膠層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生大的變化。因此，當(dāng)堿液濃度在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(jīng)過熱處理后，其表面的鈦酸鈉凝膠層就會脫水形成非晶態(tài)或者晶態(tài)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，并且變得越來越致密。經(jīng)過陽極氧化處理的鈦及鈦合金表面的氧化膜，通過堿處理和熱處理工藝后，浸入到人體仿生液SBF中就會形成與骨質(zhì)相近的富含Ca、P的磷灰石層。
本發(fā)明的有益效果如下1.本發(fā)明采用電化學(xué)和化學(xué)復(fù)合表面改性技術(shù)在鈦及鈦合金表面自生長具備生物活性薄膜，通過電化學(xué)方法在鈦及鈦合金表面制備厚氧化膜，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(jié)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(fā)明采用電化學(xué)和化學(xué)復(fù)合表面技術(shù)制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(zhì)成分相似的磷灰石層，可與機體硬組織形成生物結(jié)合，鈦及鈦合金對該膜層起到了堅強的支架作用，有效充當(dāng)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(fā)明由于制造技術(shù)簡單，成本較低，可廣泛應(yīng)用于骨、關(guān)節(jié)的替換和牙齒的修復(fù)和替換材料，甚至可應(yīng)用到諸如創(chuàng)傷、腫瘤造成的四肢節(jié)段性骨缺損，脊柱結(jié)核性骨缺損，以及溶骨性轉(zhuǎn)移瘤、骨髓瘤和脊椎血管瘤的椎體成形術(shù)或人工椎體術(shù)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(jīng)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(jīng)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(jīng)10天浸泡后的SEM形貌。
圖7是實施例1表面骨質(zhì)磷灰石成分的X-射線能譜。
圖8是實施例3經(jīng)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(jīng)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(jīng)5天浸泡后的SEM形貌。
具體實施例方式
實施例1在Ti6Al4V合金表面采用本發(fā)明方法進(jìn)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(jīng)過400#的耐水砂紙打磨，產(chǎn)生粗糙的表面，然后在超聲波清洗器里用丙酮清洗5次，再用蒸餾水清洗干凈，取出后吹干；2)電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的分析純硝酸鈉化學(xué)試劑，配制成電解液，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(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行陽極氧化，電解參數(shù)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、致密和較厚的氧化鈦膜，經(jīng)上述處理，制備的氧化膜厚度可達(dá)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(jīng)過陽極氧化處理后的試樣，在40℃下10mol/L濃度的NaOH溶液中浸泡36h后在氧化膜表面形成一層多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層；4)試樣經(jīng)過陽極氧化處理和NaOH溶液浸泡后，進(jìn)行熱處理，溫度800℃，保溫時間2h，隨爐升溫、隨爐冷卻，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層晶態(tài)化，其厚度為12μm；然后放置在人體仿生液SBF中，10天浸泡后，其表面形成骨質(zhì)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(jié)合是緊密的，沒有發(fā)現(xiàn)氧化膜的破碎、剝落等現(xiàn)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(xiàn)也表明了氧化膜中還含有鋁的氧化物，但是在整個圖譜中并沒有出現(xiàn)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，不能穿過致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，并沒有發(fā)現(xiàn)V元素，和上面實驗的俄歇電子能譜分析結(jié)果完全相符合，這表明由本實驗制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(jīng)過陽極氧化處理后的試樣，在40℃下10mol/L濃度的NaOH溶液中浸泡36h后的SEM表面形貌。由圖可以看出，當(dāng)試樣經(jīng)過NaOH溶液處理后，會在表面形成一層多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)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堿液的侵蝕而部分溶解后發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)的生成產(chǎn)物。
圖5為經(jīng)過陽極氧化處理后的試樣，在40℃、10mol/L的NaOH溶液中浸泡36h后，再經(jīng)過800℃熱處理2h后的SEM表面形貌。由圖可以看出，當(dāng)氧化鈦膜經(jīng)過NaOH處理和熱處理后，其表面的鈦酸鈉凝膠層就會脫水形成非晶態(tài)或者晶態(tài)的鈦酸鈉層。
圖6為經(jīng)過陽極氧化處理和10mol/LNaOH處理的試樣，然后在800℃熱處理2h后，再放置在人體仿生液SBF中，經(jīng)10天浸泡后，在其表面形成骨質(zhì)磷灰石的SEM形貌。由圖可以看出，當(dāng)試樣經(jīng)過NaOH處理后，浸泡在SBF中就會在其表面形成球形狀的骨質(zhì)磷灰石，這就說明當(dāng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)年枠O氧化和NaOH處理后，Ti合金具備了生物活性，也就具備了與骨組織進(jìn)行結(jié)合的能力。
圖7為試樣表面形成的骨質(zhì)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(zhì)磷灰石主要由Ca和P元素組成，它是一種類骨質(zhì)物質(zhì)。在整個圖譜中除了Ca、P、Ti、O、C和Al元素外，并沒有V元素出現(xiàn)，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(jié)果相符合，這表明經(jīng)由陽極氧化制備的氧化Ti膜在經(jīng)過NaOH溶液和熱處理后，并沒有金屬離子V從Ti合金基體中釋放出來。這說明由本實驗制備的氧化鈦膜具有很好的阻隔性能。當(dāng)浸泡在SBF溶液中，10天后就能在其表面形成生物活性的骨質(zhì)磷灰石，這說明經(jīng)過上述電化學(xué)、化學(xué)和熱處理等一系列過程之后，Ti6Al4V合金具備了和骨組織形成骨結(jié)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(jīng)過400#的耐水砂紙打磨，產(chǎn)生粗糙的表面，然后在超聲波清洗器里用丙酮清洗4次，再用蒸餾水清洗干凈，取出后吹干；電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的分析純硫酸鉀化學(xué)試劑，配制成電解液，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(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行陽極氧化，電解參數(shù)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、致密和較厚的氧化鈦膜，經(jīng)上述處理，制備的氧化膜厚度為40μm。
圖1(b)為所形成氧化膜斷面形貌，氧化膜與基體的結(jié)合是緊密的，沒有發(fā)現(xiàn)氧化膜的破碎、剝落等現(xiàn)象。
實施例3在金屬Ti表面采用本發(fā)明方法進(jìn)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(jīng)過400#的耐水砂紙打磨，產(chǎn)生粗糙的表面，然后在超聲波清洗器里用丙酮清洗3次，再用蒸餾水清洗干凈，取出后吹干；2)電解液的配制方法如下在1L的甲醇溶液中，加入15g的分析純硝酸鈉化學(xué)試劑，配制成電解液，電解液的濃度為15g/L，以鈦為陽極，以不銹鋼為陰極，以所述電解液為導(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行陽極氧化，電解參數(shù)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、致密和較厚的鈦氧化膜，經(jīng)上述處理，制備的氧化膜厚度為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(jīng)過陽極氧化處理后的試樣，在60℃下5mol/L濃度的NaOH溶液中浸泡18h后在氧化膜表面形成一層多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層；4)試樣經(jīng)過陽極氧化處理和NaOH溶液浸泡后，進(jìn)行熱處理，溫度600℃，保溫時間1h，隨爐升溫、隨爐冷卻，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層晶態(tài)化，其厚度為8μm；然后放置在人體仿生液SBF中，5天浸泡后，其表面形成骨質(zhì)磷灰石層。
圖8為經(jīng)過陽極氧化處理后的試樣，在60℃下5mol/L濃度的NaOH溶液中浸泡18h后的SEM表面形貌。由圖可以看出，當(dāng)試樣經(jīng)過NaOH溶液處理后，會在表面形成一層多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；這個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)層是鈦酸鈉(Na2Ti5O11)凝膠層，它是Ti表面的TiO2薄膜受到堿液的侵蝕而部分溶解后發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)的生成產(chǎn)物。
圖9為經(jīng)過陽極氧化處理后的試樣，在60℃、5mol/L的NaOH溶液中浸泡18h后，再經(jīng)過600℃熱處理1h后的SEM表面形貌。由圖可以看出，當(dāng)鈦氧化膜經(jīng)過NaOH處理和熱處理后，其表面的鈦酸鈉凝膠層就會脫水形成非晶態(tài)或者晶態(tài)的鈦酸鈉層。
圖10為試樣經(jīng)過陽極氧化處理和NaOH溶液浸泡后600℃熱處理1h，放置在人體仿生液SBF中，5天浸泡后，其表面形成骨質(zhì)磷灰石的SEM形貌。由圖可以看出，當(dāng)試樣經(jīng)過處理后，浸泡在SBF中就會在其表面形成球形狀的骨質(zhì)磷灰石，這就說明當(dāng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)年枠O氧化和NaOH處理后，Ti就已經(jīng)具備了生物活性。
權(quán)利要求
1.一種生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的制備方法，其特征在于采用電化學(xué)和化學(xué)復(fù)合表面改性的方法，在鈦及鈦合金表面自生長制備生物活性薄膜，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(zhì)，配制成電解液，以鈦或鈦合金為陽極，以鈦、鈦合金、不銹鋼、碳、鉑或鉛為陰極，以所述電解液為導(dǎo)電介質(zhì)，進(jìn)行陽極氧化，電解參數(shù)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)采用1～20mol/L堿溶液，在30～80℃下浸泡5～48小時，在氧化膜表面形成一層多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層；3)將上述材料進(jìn)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層晶態(tài)化，其厚度為5～20μm；4)將經(jīng)過上述處理的材料浸入人體仿生液中1～30天，形成與骨質(zhì)相近的富含Ca、P的磷灰石層。
2.按照權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于步驟1)所述醇類溶液為甲醇。
3.按照權(quán)利要求1所述制備方法，其特征在于步驟1)所述硝酸鹽類電解質(zhì)為硝酸鈉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物活性鈦及鈦合金硬組織植入材料的制備方法，采用電化學(xué)和化學(xué)復(fù)合表面改性，在鈦及鈦合金表面制備生物活性薄膜，首先采用電化學(xué)方法在Ti或Ti合金表面制備一定厚度的氧化膜，然后采用堿溶液化學(xué)處理的方法，在氧化膜表面形成一層多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層，再將試樣進(jìn)行熱處理，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽凝膠層晶態(tài)化，最后將經(jīng)過上述處理的材料浸入人體仿生液中，就會形成與骨質(zhì)相近的磷灰石層。本發(fā)明制造技術(shù)簡單，成本較低，可以形成硬度高、與基體結(jié)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，廣泛適用于骨、關(guān)節(jié)的替換和牙齒的修復(fù)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(yōu)先權(quán)日2002年10月18日
發(fā)明者熊天英, 吳杰, 金花子, 吳敏杰, 崔新宇, 趙穎 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所