本發(fā)明屬于生物醫(yī)用金屬表面改性技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種酸洗預(yù)處理并結(jié)合感應(yīng)加熱技術(shù)在鈦合金表面制備雙重粗糙度的微、納米尺度生物活性氧化膜的方法。

背景技術(shù)：

由于鈦及其合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性，因此被廣泛應(yīng)用于承載的整形外科、骨科和牙科等醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域。但鈦及其合金骨誘導(dǎo)能力差，表現(xiàn)為生物惰性。因此，需要對其進行表面改性以提高其生物活性、骨誘導(dǎo)性和耐蝕性等，更好的應(yīng)用于醫(yī)用植入體領(lǐng)域。目前應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的鈦及其合金表面改性的方法中，根據(jù)其形成機理大致可分為機械法、化學(xué)法、物理法。其中表面氧化法是比較常用的表面改性方法，如化學(xué)氧化法、陽極氧化法(AO)、微弧氧化法(MAO)和熱氧化法等，能夠在鈦及鈦合金表面制備具有一定形貌和性能的二氧化鈦氧化膜。由于二氧化鈦(銳鈦礦和金紅石相)與羥基磷灰石在晶體結(jié)構(gòu)上非常像似，因此TiO₂能夠很好的誘導(dǎo)磷灰石在其表面沉積，另外還具有良好的耐腐蝕性和血液相容性，在人體環(huán)境中穩(wěn)定性較好且具有良好的生物活性。在鈦及其合金表面制備具有生物活性的二氧化鈦膜層已成為目前改善鈦及鈦合金表面生物活性最理想的方法之一。

生物金屬材料(如鈦及鈦合金)的表面納米化技術(shù)是一種新興的并且非常有效的表面改性方法。納米技術(shù)的不斷發(fā)展也促使了對納米材料獨特性質(zhì)的探索，與傳統(tǒng)的材料相比納米材料具有增強了的磁性、催化、光學(xué)、電氣和機械性能。近年來，研究人員已經(jīng)在探索納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用表現(xiàn)出了更大的興趣。文獻TiO₂nanotubes,nanochannels and mesosponge:Self-organized formation and applications(Nano Today,8(2013),235-264)全面地闡述了TiO₂納米管、納米通道以及微觀海綿體的特殊性質(zhì)、形成機理和不同的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。這種TiO₂納米管的尺寸對植入體和人體體液、細胞和組織的反應(yīng)都有非常顯著的影響。并且清楚地說明了TiO₂納米管的尺寸大約為15nm時能夠顯著地增加人體間充質(zhì)干細胞在其表面的附著、增殖和分化，但其尺寸達到大約100納米時可以引起細胞的程序性死亡。因此，如何快速有效地得到可控的納米尺寸形貌的TiO₂氧化膜層是今后研究的重點。

目前應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)︹伡捌浜辖鸬谋砻嫣幚矸椒ㄖ卸几髯跃哂芯窒扌裕热缛苣z-凝膠、電沉積等技術(shù)制備的膜層與基體的結(jié)合力有待進一步提高。感應(yīng)加熱技術(shù)本身是一種高效、綠色的快速氧化方法，但是感應(yīng)加熱技術(shù)在鈦合金表面制備的氧化層的氧化顆粒數(shù)量無法增加，無法進一步增加羥基磷灰石(HA)在鈦合金表面沉積的形核位置，從而減低了鈦合金植入體內(nèi)的生物活性和相位相容性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述不足，本發(fā)明提供了一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，該方法酸洗預(yù)處理能夠在鈦合金基體上形成具有腐蝕坑的比較粗糙的表面，接下來的感應(yīng)加熱氧化過程又在酸洗后的表面上生成了細小的TiO₂氧化顆粒，進而在微區(qū)上形成了更小粗糙度的表面，使得本發(fā)明制備的氧化層表面具有階梯性的粗糙度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種鈦合金表面的微納尺度生物活性氧化膜，所述氧化膜為在基體上生長的TiO₂納米顆粒層，且所述TiO₂納米顆粒層附著若干TiO₂微米顆粒，所述TiO₂微米顆粒由若干TiO₂納米顆粒堆積形成。

本發(fā)明的微納尺度生物活性氧化膜不僅具有納米結(jié)構(gòu)的TiO₂顆粒，還具有微米結(jié)構(gòu)的TiO₂顆粒，使氧化膜表面具有階梯性的粗糙度，這樣具有雙重粗糙度的表面形貌和化學(xué)成分為羥基磷灰石(HA)在其表面沉積提供了更多的形核位置，有利于在其表面快速地生成生物活性陶瓷層(HA層)，提高鈦合金植入體的生物活性和生物相容性。另外，這種具有階梯粗糙度的表面更有利于植入體植入人體后不同種類的細胞在其表面附著、生長和分化，使得植入體植入人體后能夠與周圍組織更快更好的愈合，提高組織相容性。

一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，包括鈦合金酸洗處理及感應(yīng)加熱氧化處理；

所述鈦合金酸洗處理為，將鈦合金浸入至鹽酸和氫氟酸的混合酸溶液中浸泡85-95s，所述鹽酸和氫氟酸的體積比為1:0.95-1.05，所述鹽酸質(zhì)量分數(shù)為36-38％，所述氫氟酸的質(zhì)量分數(shù)為39-41％；

所述感應(yīng)加熱氧化處理為，將酸洗處理后的鈦合金超音頻感應(yīng)加熱20～35s。

所述超音頻感應(yīng)加熱是利用其發(fā)出高周波的大電流流向被繞制成環(huán)形狀態(tài)或需要的形狀的加熱感應(yīng)線圈，高周波感應(yīng)通常是用紫銅空心管制作而成。由高周波感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生極性瞬間變化的強大磁束，將需要熱處理的金屬放置在高頻線圈內(nèi)，磁束就會貫通整個被加熱的金屬物體。在感應(yīng)加熱物體的內(nèi)部與感應(yīng)加熱電流相反的方向，產(chǎn)生相對應(yīng)的強大渦電流。因為感應(yīng)加熱的金屬內(nèi)存在電阻，因此產(chǎn)生強的焦耳熱能，使感應(yīng)加熱物體物體溫度迅速上升，從而達到熱處理的目的。

優(yōu)選的，所述鈦合金酸洗處理的浸泡時間為90s。

優(yōu)選的，所述鈦合金酸洗處理在浸泡后需進行超聲清洗。

本發(fā)明所述的超聲清洗指的是超聲波清洗，是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的。

進一步優(yōu)選的，所述超聲清洗為先在蒸餾水中超聲清洗，然后在酒精中超聲清洗。

更進一步優(yōu)選的，在蒸餾水中清洗及在酒精中清洗的清洗時間均為10-20min。

進一步優(yōu)選的，所述鈦合金酸洗處理在浸泡、超聲清洗后需進行干燥。

更進一步優(yōu)選的，所述浸泡、超聲清洗后的干燥條件為35℃溫度下干燥6h。

優(yōu)選的，所述鹽酸和氫氟酸的體積比為1:1。

優(yōu)選的，所述鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％。

優(yōu)選的，所述氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％。

優(yōu)選的，所述鈦合金酸洗處理之前還包括鈦合金預(yù)處理。

進一步優(yōu)選的，所述鈦合金預(yù)處理的步驟為：依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h。

優(yōu)選的，所述超音頻感應(yīng)加熱的功率為60kW。

優(yōu)選的，超音頻感應(yīng)加熱之后需進行冷卻、洗滌、干燥。

進一步優(yōu)選的，超音頻感應(yīng)加熱之后冷卻至室溫。

本發(fā)明所述的室溫為進行超音頻感應(yīng)加熱的儀器所處的環(huán)境的溫度，一般指25±5℃。

進一步優(yōu)選的，超音頻感應(yīng)加熱之后的洗滌為超聲清洗。

更進一步優(yōu)選的，超音頻感應(yīng)加熱之后的超聲清洗的步驟為先經(jīng)去離子水超聲清洗4-6min，再經(jīng)酒精超聲清洗4-6min。

進一步優(yōu)選的，超音頻感應(yīng)加熱之后的干燥條件為40±3℃溫度下干燥24-25h。

優(yōu)選的，其步驟為：

(1)依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h；

(2)將步驟(1)烘干后的鈦合金試樣浸入100mL的混合酸液中，其中所用鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％，所用氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％，所述混合酸液為氫氟酸與鹽酸的體積比為1:1的混合液；經(jīng)不斷攪拌浸泡90s后取出經(jīng)蒸餾水、酒精各超聲清洗15min，最后在35℃溫度下干燥6h；

(3)將步驟(2)酸洗預(yù)處理后的鈦合金試樣置于額定功率為60kW的超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備的感應(yīng)線圈中，并在感應(yīng)線圈兩側(cè)加鐵氧體導(dǎo)磁體；待加熱20～35s后，在緩慢冷卻至室溫；最后經(jīng)去離子水和酒精超聲清洗5min，40℃溫度下干燥24h。

本發(fā)明中所述的酒精為體積分數(shù)大于等于95％的乙醇。

一種上述方法制備的微納尺度生物活性氧化膜。

一種上述微納尺度生物活性氧化膜在整形外科、骨科和牙科中的應(yīng)用。

本發(fā)明制備雙重粗糙度微納尺寸TiO₂生物活性氧化膜的工藝可作為一種新的醫(yī)用鈦合金表面改性技術(shù)，其主要用途是承受載荷的整形外科、骨科和牙科等醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域，可顯著提高植入體的生物活性、生物相容性和骨整合能力。

本發(fā)明包含以下有益效果：

1.本發(fā)明通過特定的酸進行酸洗預(yù)處理，在鈦合金基體上形成具有腐蝕坑的比較粗糙的表面，然后通過特定時間的感應(yīng)加熱氧化過程又在酸洗后的表面上生成了細小的TiO₂氧化顆粒，進而在微區(qū)上形成了更小粗糙度的表面，使得本發(fā)明制備的氧化模表面具有階梯性的粗糙度，從而制備了具有微納尺度生物活性氧化膜。

2.本發(fā)明使用酸洗預(yù)處理方法，工藝簡單易操作，能夠快速清除試樣表面的污染物和不均勻氧化層，并能預(yù)先在鈦合金表面制備出具有一定生物活性的粗糙表面。

3.本發(fā)明使用的感應(yīng)加熱技術(shù)具有高效、環(huán)保、節(jié)能和快速氧化的特點，是一種簡便易操作的醫(yī)用鈦合金表面改性方法。

4.本發(fā)明能夠在鈦合金表面制備一層具有雙重粗糙度的TiO₂的微、納米尺度晶粒，進而能夠形成具有均勻結(jié)構(gòu)、表面形貌和化學(xué)成分的氧化膜層。

5.本發(fā)明制得的具有特殊形貌的氧化膜層浸泡在1.5倍模擬體液(1.5×SBF)中，氧化膜層表面沉積了大量的羥基磷灰石，表明該氧化膜層具有良好的生物活性。

6.本發(fā)明制備的雙重粗糙度的微、納米結(jié)構(gòu)TiO₂氧化膜經(jīng)體外細胞(MG63)培養(yǎng)24h之后可以明顯觀察到有偽足生成，細胞在鈦合金表面能夠很好地附著，表明制得的TiO₂氧化膜有很好的細胞反應(yīng)能力。

附圖說明

圖1為參照本發(fā)明實施例一制備的雙重粗糙度的微、納米尺度TiO₂氧化膜的XRD曲線；

圖2為參照本發(fā)明實施例一制備的雙重粗糙度的微、納米尺寸TiO₂氧化膜的表面相貌SEM圖，其中，圖2b為圖2a方框中的放大圖；

圖3為參照本發(fā)明實施例一制備的TiO₂氧化膜浸泡在1.5×SBF中14天后表面沉積羥基磷灰石的SEM圖；

圖4為參照本發(fā)明實施例一制備的TiO₂氧化膜經(jīng)人成骨肉瘤細胞(MG63)培養(yǎng)24h后細胞附著情況的SEM圖；

XRD曲線：對氧化膜進行X射線衍射表征后獲得的曲線圖。

SEM圖：對氧化膜進行掃描電子顯微鏡表征后得到的掃描電鏡照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1

一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，其步驟如下：

1.鈦合金(Ti6Al4V)試樣依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h；

2.將步驟1干燥后的試樣浸入到氫氟酸與鹽酸的體積比為1:1的100mL酸液中，其中所用鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％，所用氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％，經(jīng)不斷攪拌浸泡90s后取出經(jīng)蒸餾水、酒精各超聲清洗15min，最后在35℃溫度下干燥6h；

3.將步驟2干燥后的試樣放置在額定功率為60kW的超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備中，加熱30s后緩慢冷卻至室溫，最后經(jīng)去離子水和酒精超聲清洗5min，40℃溫度下干燥24h，即在鈦合金表面獲得微納尺度生物活性氧化膜。

對鈦合金表面獲得的微納尺度生物活性氧化膜進行X射線衍射表征和掃描電子顯微鏡表征后的結(jié)果如圖1-2所示，結(jié)果表明在氧化膜為在鈦合金表面上生長的TiO₂納米顆粒層，且TiO₂納米顆粒層附著若干TiO₂微米顆粒，同時TiO₂微米顆粒由若干TiO₂納米顆粒堆積形成。

為驗證上述制備的氧化膜的生物活性，將感應(yīng)加熱30s后的Ti6Al4V試樣經(jīng)殺菌、消毒后在1.5×SBF中浸泡后取出用去離子水和酒精沖洗并在40℃干燥48h。經(jīng)檢測、分析發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱后的試樣表面沉積有大量的羥基磷灰石，如圖3所示，表明有良好的生物活性。

為驗證上述制備的TiO₂氧化膜的細胞反應(yīng)能力，將感應(yīng)加熱30s后的鈦合金試樣經(jīng)殺菌、消毒后進行體外細胞(MG63)培養(yǎng)實驗。培養(yǎng)24h后，如圖4所示，可以明顯觀察到有偽足生成，細胞在鈦合金表面能夠很好地附著，表明制得的雙重粗糙度TiO₂氧化膜具有很好的細胞反應(yīng)能力。

實施例2

一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，其步驟如下：

1.鈦合金(Ti6Al4V)試樣依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h；

2.將步驟1干燥后的試樣浸入到氫氟酸與鹽酸的體積比為1:1的100mL酸液中，其中所用鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％，所用氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％，經(jīng)不斷攪拌浸泡90s后取出經(jīng)蒸餾水、酒精各超聲清洗15min，最后在35℃溫度下干燥6h；

3.將步驟2干燥后的試樣放置在額定功率為60kW的超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備中，加熱20s后緩慢冷卻至室溫，最后經(jīng)去離子水和酒精超聲清洗5min，40℃溫度下干燥24h，即在鈦合金表面獲得微納尺度生物活性氧化膜。

實施例3

一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，其步驟如下：

1.鈦合金(Ti6Al4V)試樣依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h；

2.將步驟1干燥后的試樣浸入到氫氟酸與鹽酸的體積比為1:1的100mL酸液中，其中所用鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％，所用氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％，經(jīng)不斷攪拌浸泡90s后取出經(jīng)蒸餾水、酒精各超聲清洗15min，最后在35℃溫度下干燥6h；

3.將步驟2干燥后的試樣放置在額定功率為60kW的超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備中，加熱25s后緩慢冷卻至室溫，最后經(jīng)去離子水和酒精超聲清洗5min，40℃溫度下干燥24h，即在鈦合金表面獲得微納尺度生物活性氧化膜。

實施例4

一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，其步驟如下：

1.鈦合金(Ti6Al4V)試樣依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h；

2.將步驟1干燥后的試樣浸入到氫氟酸與鹽酸的體積比為1:1的100mL酸液中，其中所用鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％，所用氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％，經(jīng)不斷攪拌浸泡90s后取出經(jīng)蒸餾水、酒精各超聲清洗15min，最后在35℃溫度下干燥6h；

3.將步驟2干燥后的試樣放置在額定功率為60kW的超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備中，加熱35s后緩慢冷卻至室溫，最后經(jīng)去離子水和酒精超聲清洗5min，40℃溫度下干燥24h，即在鈦合金表面獲得微納尺度生物活性氧化膜。

實施例2-4進行如實施例1的表征結(jié)果與實施例1的表征結(jié)果一致。

實施例5

一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，其步驟如下：

1.鈦合金(Ti6Al4V)試樣依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h；

2.將步驟1干燥后的試樣浸入到氫氟酸與鹽酸的體積比為1:1的100mL酸液中，其中所用鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％，所用氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％，經(jīng)不斷攪拌浸泡90s后取出經(jīng)蒸餾水、酒精各超聲清洗15min，最后在35℃溫度下干燥6h；

3.將步驟2干燥后的試樣放置在額定功率為60kW的超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備中，加熱40s后緩慢冷卻至室溫，最后經(jīng)去離子水和酒精超聲清洗5min，40℃溫度下干燥24h，即在鈦合金表面獲得微納尺度生物活性氧化膜。

實施例6

一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，其步驟如下：

1.鈦合金(Ti6Al4V)試樣依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h；

2.將步驟1干燥后的試樣浸入到氫氟酸、鹽酸與水的體積比為1:1:10的100mL酸液中，其中所用鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％，所用氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％，經(jīng)不斷攪拌浸泡90s后取出經(jīng)蒸餾水、酒精各超聲清洗15min，最后在35℃溫度下干燥6h；

3.將步驟2干燥后的試樣放置在額定功率為60kW的超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備中，加熱30s后緩慢冷卻至室溫，最后經(jīng)去離子水和酒精超聲清洗5min，40℃溫度下干燥24h，即在鈦合金表面獲得微納尺度生物活性氧化膜。

實施例7

一種在鈦合金表面制備微納尺度生物活性氧化膜的方法，其步驟如下：

1.鈦合金(Ti6Al4V)試樣依次采用240#、400#、600#和1000#SiC砂紙對鈦合金試樣進行打磨后，用丙酮、去離子水和酒精依次進行超聲清洗，再在40℃溫度下干燥24h；

2.將步驟1干燥后的試樣浸入到氫氟酸與鹽酸體積比為1:2的100mL酸液中，其中所用鹽酸中HCl的質(zhì)量分數(shù)為37％，所用氫氟酸中HF的質(zhì)量分數(shù)為40％，經(jīng)不斷攪拌浸泡90s后取出經(jīng)蒸餾水、酒精各超聲清洗15min，最后在35℃溫度下干燥6h；

3.將步驟2干燥后的試樣放置在額定功率為60kW的超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備中，加熱30s后緩慢冷卻至室溫，最后經(jīng)去離子水和酒精超聲清洗5min，40℃溫度下干燥24h，即在鈦合金表面獲得微納尺度生物活性氧化膜。

經(jīng)過對實施例5-7制備的氧化膜的表征，無法得到實施例1的在鈦合金表面獲得均勻的微納尺度生物活性氧化膜，且膜與基體的結(jié)合強度不高很容易脫落。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。