專利名稱：鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)用植入體領(lǐng)域，特別是純鈦或鈦合金材質(zhì)的生物醫(yī)用植入體制備技術(shù)，具體為一種鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法。
背景技術(shù)：
以鈦(包括純鈦和鈦合金)作為基體材質(zhì)制備生物醫(yī)用植入體技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但將純鈦或鈦合金材質(zhì)植入體不做表面處理直接植入生物體后，植入體與周圍骨組織的結(jié)合形式主要是機械嵌合，即植入體與周圍骨組織只能是在宏觀層面的結(jié)合，微觀上植入體不平整的表面與骨組織不平整的表面只是在局部區(qū)域結(jié)合，由于純鈦或鈦合金表面的彈性模量與骨組織的彈性模量不一致，這就會導(dǎo)致在結(jié)合處產(chǎn)生應(yīng)力集中，對植入體和骨組織均會產(chǎn)生破壞作用導(dǎo)致植入失敗。為了解決這一問題，人們在植入體表面沉積生物活性層，誘導(dǎo)骨生長從而使骨組織與植入體在微觀層面實現(xiàn)緊密結(jié)合。目前，廣泛采用的技術(shù)是在植入體表面沉積生物活性物質(zhì)羥基磷灰石(HA)層。這一技術(shù)存在如下問題:在植入初期，骨組織還未能與植入體形成微觀結(jié)合，而純鈦或鈦合金表面的彈性模量與骨組織的彈性模量不一致，即應(yīng)力集中的問題依然存在，應(yīng)力的作用會導(dǎo)致骨組織的慢性疲勞。另外，應(yīng)力還會使生物活性層發(fā)生崩解，崩解的生物活性層顆粒在植入體周圍積聚后，可激發(fā)各種吞噬細胞反應(yīng)，吞噬細胞吞噬顆粒后，可分泌多種與骨吸收有關(guān)的細胞因子和炎性介質(zhì)，刺激破壞骨細胞進行骨吸收，導(dǎo)致植入體松動，而松動的植入體又加劇了生物活性層的崩解，形成惡性循環(huán)。盡管可以在植入初期使植入體不承受載荷直到骨組織生長與植入體形成微觀結(jié)合，這一時期即臨床上的無負荷期，但比較長的無負荷期會增加病患的痛苦。為此，人們通過粉末冶金法等技術(shù)制備多孔結(jié)構(gòu)的植入體，即鈦或鈦合金植入體本身具有多微小的孔結(jié)構(gòu)，這會降低植入體表面的彈性模量，進而減小應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。但這種方案也帶來如下問題:多孔植入體內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)內(nèi)表面難以加工形成氧化膜，而在體液和負載條件下，純鈦或鈦的合金的耐腐蝕性較差，腐蝕比較嚴(yán)重，容易向肌體釋放金屬離子，對受體的健康造成不利影響；另外，多孔結(jié)構(gòu)植入體本身的強度還是要低于實體結(jié)構(gòu)植入體的強度，這不利于植入體長時間承受載荷。從這一點來看，實體結(jié)構(gòu)的植入體還是比較好的選擇，但需要解決實體結(jié)構(gòu)植入體存在的表面彈性模量高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，該方法可以在實體結(jié)構(gòu)植入體表面形成多孔結(jié)構(gòu)層，降低植入體表面的彈性模量。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:—種鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其工藝流程為:純鈦或鈦合金實體一化學(xué)除油一 酸洗一粉末冶金法制備多孔結(jié)構(gòu)層一微弧氧化法制備含鈣、磷的二氧化鈦膜一電沉積法制備羥基磷灰石層一烘干。所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔隙率為30 70%，平均孔徑為50 200微米，多孔結(jié)構(gòu)層的厚度為30 80微米；所述二氧化鈦膜的厚度為5 15微米；所述羥基磷灰石層的厚度為5 20微米。具體制備過程如下:所述化學(xué)除油:將純鈦或鈦合金浸入除油溶液中，除油過程中，溶液溫度30 50°C，除油時間5 IOmin ;所述除油溶液組成為:氫氧化鈉40 60g/L，磷酸鈉5 IOg/L，其余為水。所述酸洗:將純鈦或鈦合金表面經(jīng)過化學(xué)除油后進行酸洗，酸洗液包括無機酸和有機酸，無機酸和有機酸的摩爾比為(5 10): I ;所述無機酸為氫氟酸、硝酸、硫酸之一種或兩種水溶液，所述有機酸為檸檬酸、酒石酸、草酸和苯甲酸之任意一種；酸洗后，純鈦或鈦合金表面得到鈍化膜，鈍化膜的厚度為I 2 μ m，該鈍化膜能夠防止純鈦或鈦合金在氧化初期被微弧氧化電解液所腐蝕，提高初期氧化膜的生長速率。所述氫氟酸為體積濃度40%的氫氟酸、硝酸為體積濃度70%的硝酸，硫酸為體積濃度95%的硫酸。所述粉末冶金法制備多孔結(jié)構(gòu)層，包括如下步驟:I)將純鈦或鈦合金粉末和尿素粉?；旌?，鈦或鈦合金粉末的粒徑為30 50微米，尿素粉粒平均粒徑為50 200微米；尿素粉粒與純鈦或鈦合金粉末的體積比根據(jù)多孔結(jié)構(gòu)層的孔隙率確定；2)將步驟I)形成的混合料包覆純鈦或鈦合金基體表面進行燒結(jié)，其工藝參數(shù)如下:首先，將包覆混合料的植入體基體置于180 220°C、真空度I 5Pa下0.5 I小時；然后，在真空度I 5Pa，溫度800 900°C條件下，保溫0.5 2小時；最后，在1200 1300°C下,燒結(jié)I 3小時 ,植入體基體表面形成多孔結(jié)構(gòu)層。步驟I)選擇的純鈦或鈦合金粉末與植入體基體的材質(zhì)相同。所述微弧氧化法制備含鈣、磷的二氧化鈦膜，步驟如下:I)配制電解液:電解液組成為:0.04 0.lmol/L的β -甘油磷酸鈉(C3H7Na2O6P.5Η20)或甘油磷酸鈣(CaC3H5(OH)2PO4)、0.01 0.2mol/L 乙酸鈣((CH3COO)2Ca)、
0.01mol/L乙酸鎂和0.05 0.lOmol/L磷酸鹽，溶劑為水；所述磷酸鹽為磷酸二氫鈣、磷酸
二氫鈉、磷酸二氫鉀、偏磷酸鈉或偏磷酸鉀；2)將植入體具有多孔結(jié)構(gòu)層的表面置于上述電解液中作為一個電極，惰性導(dǎo)體作為對電極與多孔結(jié)構(gòu)層的表面構(gòu)成電解回路；所述惰性導(dǎo)體為石墨、鉬或不銹鋼；3)向電解回路施加直流脈沖電壓，多孔結(jié)構(gòu)層的表面作為陽極，施加的直流脈沖電壓變化范圍300 500V，脈沖頻率50 1000Hz，占空比20 60%，施加時間2 30分鐘；4)向電解回路施加交流脈沖電壓，交流脈沖電壓的脈沖頻率范圍為50 1000Hz，施加時間0.5 2小時，正向脈沖占空比為30-60%，負向脈沖占空比為50 20%，植入體的多孔結(jié)構(gòu)層陽極化時陽極化電壓幅值范圍為200 400V，植入體的多孔結(jié)構(gòu)層陰極化時陰極化電壓幅值范圍為20 100V。向電解回路施加交流脈沖電壓的方法為:陽極化電壓幅值和陰極化電壓幅值相同保持不變，施加時間為0.5 2小時；向電解回路施加交流脈沖電壓的方法還可以為:陽極化電壓幅值和陰極化電壓幅值同步上升或下降或一種電壓幅值上升同時另一種電壓幅值下降，施加時間為0.5 2小時；向電解回路施加交流脈沖電壓的方法還可以為:陽極化電壓幅值或陰極化電壓幅值保持不變，另一電壓幅值提升至50 60V后保持不變并持續(xù)0.1 0.3小時，然后再以5 10V/min的速度升至施加交流脈沖電壓要求達到最高值，施加交流脈沖電壓過程時間為0.5 2小時。所述采用電沉積法制備羥基磷灰石層，步驟如下:I)將微弧氧化處理后的多孔結(jié)構(gòu)層置于電沉積介質(zhì)中，采用脈沖直流電源施加電泳電場，將羥基磷灰石、T1、Y2O3和ZrO2混合電泳沉積在多孔結(jié)構(gòu)層上；脈沖頻率50 500Hz,電場強度30 60V/cm,沉積時間10 30min ；2)經(jīng)電泳沉積后的多孔結(jié)構(gòu)層在600°C進行熱處理，升溫速度為40 60°C /min,保溫時間10 30分鐘，自然冷卻后，在多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面上沉積羥基磷灰石層；所述電沉積介質(zhì)成分:三乙醇胺10 15mL/L，羥基磷灰石粉(HA粉)10 30g/L，Ti粉4 16g/L，Y2O3粉和ZrO2粉的總濃度為6 12g/L，溶劑為正丁醇；所述Y2O3粉和ZrO2粉以任意比例混合；HA粉、Ti粉、Y2O3粉和ZrO2粉的粒度為50 100納米。本發(fā)明制備的植入體可以應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)效果:1、本發(fā)明的植入體制備方法能夠在植入體表面形成多孔結(jié)構(gòu)層，多孔結(jié)構(gòu)層具有比實體結(jié)構(gòu)植入體低的彈性模量，相當(dāng)于在植入體和周圍骨組織之間形成了緩沖層，改善了植入體與骨組織界面的應(yīng)力分布，緩沖骨組織與植入體間的壓力，有效解決了實體結(jié)構(gòu)植入體的應(yīng)力集中問題。以純鈦為材質(zhì)的植入體的彈性模量為lOOGPa，鈦合金(T1-6A1-4V)植入體的彈性模量為llOGpa，而采用本發(fā)明的方法在其表面形成多孔結(jié)構(gòu)層后，植入體表面的彈性模量根據(jù)孔隙率的變化，可降低到5 40GPa。這遠遠低于鈦材自身的彈性模量，而且，與人骨本身的彈性模量10 30GPa很接近。而且，這種多孔結(jié)構(gòu)是構(gòu)建在實體材料的基礎(chǔ)上，與單純的多孔鈦相比，具有更高的強度和抗壓性，因而其應(yīng)用范圍更廣。2、由于鈦材表面的多孔結(jié)構(gòu)層具有大的比表面積和大量的孔隙，支持造骨細胞向內(nèi)生長，并可以大幅度增加骨性結(jié)合界面的面積，更好地起到釘錨和骨化作用，改善生物活性液體物質(zhì)的擴散，有助于實現(xiàn)生物學(xué)功能。3、本發(fā)明利用微弧氧化法在多孔結(jié)構(gòu)層的孔內(nèi)表面形成二氧化鈦膜，由于二氧化鈦耐腐蝕性強，可以保護鈦或鈦合金，避免向周圍環(huán)境釋放金屬離子。在微弧氧化過程中，通過選擇適當(dāng)?shù)拟}鹽和磷酸鹽配置的電解液，還可以在二氧化鈦膜中滲入鈣、磷。鈣、磷是成骨的必需元素，二氧化鈦膜在植入體周圍形成一個高濃度的鈣磷區(qū)，將加速骨組織的誘導(dǎo)沉積，有利于新骨的形成，使植入體與骨組織形成牢固的結(jié)合。4、本發(fā)明在二氧化鈦膜表面沉積生物活性的羥基磷灰石(HA)，由于HA與人骨的化學(xué)成分最為接近，因此，不僅不影響多孔鈦彈性模量，而且，可以進一步促進成骨細胞在植入體表面快速生長。



圖1為多孔結(jié)構(gòu)層的形貌圖。
圖2為在多孔結(jié)構(gòu)層孔表面形成二氧化鈦膜的形貌圖。圖3為在多孔結(jié)構(gòu)層孔外表面沉積羥基磷灰石層的形貌圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步描述。實施例11、選用純鈦TC2作為植入體的實體結(jié)構(gòu)2、化學(xué)除油:氫氧化鈉50g/L，磷酸鈉5g/L，其余為水；溫度:30°C ;時間5分鐘；3、酸洗:70% (體積濃度)HN0310ml/L，檸檬酸5g/L，其余為水。溫度:室溫，處理2分鐘，取出后立即用自來水清洗I 2分鐘，再用去離子水清洗I 2分鐘。4、粉末冶金法制備多孔層:將純鈦粉粒和尿素粉?；旌?，純鈦的平均粒徑為30微米，尿素粉粒作為空間支撐體，尿素粉粒的粒徑為50微米。純鈦與尿素粉粒的比例根據(jù)需要得到的多孔結(jié)構(gòu)層的孔隙率確定，孔隙率優(yōu)選為50%。純鈦粉粒與實體結(jié)構(gòu)植入體基體的材質(zhì)相同，這樣產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)層與植入體基體的結(jié)合力更強。將上述制備的粉料放入滾動的容器中攪拌直到純鈦粉粒與尿素粉粒充分混合，在攪拌時加入少量乙醇溶劑避免 粉料形成不均勻聚團。這樣，純鈦粉末便會粘附在尿素填料表面。將實體結(jié)構(gòu)植入體基體表面包覆上述充分混合后的粉料，包覆在所述基體上粉料的厚度為最后形成的多孔結(jié)構(gòu)層的近似厚度。具體方法是將實體結(jié)構(gòu)植入體基體置入模具中，所述基體與模具間的空隙填充上述混合后的粉料。將上述包覆粉料的植入體基體進行燒結(jié)，過程如下:先將包覆粉料的植入體基體置于180°C真空2Pa下0.5小時，這可以避免固體物質(zhì)(NH2CO)2NH過燒而導(dǎo)致產(chǎn)生過多的雜質(zhì)。然后，在真空3Pa，850°C條件下，保溫I小時，這一步驟可以去除粉料中的氣體，而表面氧化物、水分子和污染物可以在燒結(jié)前揮發(fā)掉。最后，在1200°C下，燒結(jié)2小時，在實體結(jié)構(gòu)植入體基體表面形成了多孔結(jié)構(gòu)層，多孔結(jié)構(gòu)層的厚度為50微米。在燒結(jié)過程后，對多孔結(jié)構(gòu)層進行微弧氧化處理。利用微弧氧化法在多孔結(jié)構(gòu)層的孔表面形成二氧化鈦膜，二氧化鈦耐腐蝕性強，可以保護純鈦，避免向周圍環(huán)境釋放金屬離子。微弧氧化處理工藝參數(shù)如下:(I)配制電解液:用0.04mol/Lβ -甘油磷酸鈉、0.05mol/L乙酸I丐、0.01mol/L乙酸鎂和0.08mol/L磷酸二氫鈣配成電解液,溶劑為水；電解液中含有鈣、磷離子，可以在二氧化鈦膜中滲入鈣、磷。鈣、磷是成骨的必需元素，二氧化鈦膜在植入體周圍形成一個高濃度的鈣磷區(qū)，將加速骨組織的誘導(dǎo)沉積，有利于新骨的形成，使植入體與骨組織形成牢固的結(jié)合。(2)將植入體具有多孔結(jié)構(gòu)層的表面置于上述電解液中作為一個電極，惰性導(dǎo)體鉬作為對電極與所述植入體的多孔結(jié)構(gòu)層的表面構(gòu)成電解回路。向電解回路施加直流脈沖電壓，植入體的多孔結(jié)構(gòu)層的表面作為陽極(陽極化)，施加的直流脈沖電壓300V，脈沖頻率200Hz，占空比20%，施加時間10分鐘。 (3)向電解回路施加交流脈沖電壓，交流脈沖電壓的脈沖頻率范圍為500Hz，正負脈沖占空比分別為30%和60%，陽極化時施加于電解回路的電壓幅值(陽極化電壓幅值)為200V。也可以將植入體的多孔結(jié)構(gòu)層的表面作為陰極(陰極化)，這時施加于電解回路的電壓幅值(陰極化電壓幅值)為80V，其他參數(shù)不變。向電解回路施加交流脈沖電壓的方法是如下步驟:陽極化電壓幅值和陰極化電壓幅值同步上升或下降，施加時間為I小時。利用微弧氧化法在所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔的內(nèi)表面形成二氧化鈦膜，二氧化鈦膜的厚度為10微米。在完成微弧氧化處理后，再對多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面采用電泳沉積法制備羥基磷灰石(HA)層，具體方法如下:介質(zhì)成分:三乙醇胺10mL/L，HA粉10g/L，Ti粉10g/L，Y2O3粉和ZrO2粉分別為為6g/L和10g/L，溶劑為正丁醇，HA粉、Ti粉、Y2O3粉和ZrO2粉的粒度均為50納米。將多孔結(jié)構(gòu)層置于所述介質(zhì)中，采用脈沖直流電源施加電泳電場，脈沖頻率50Hz，電場強度30V/cm，沉積時間10分鐘，涂層在600°C進行熱處理，升溫速度為40°C /min，保溫時間10分鐘，自然冷卻。本發(fā)明中，在多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面形成羥基磷灰石(HA)層，羥基磷灰石層的厚度為15微米。最終，在鈦或鈦合金表面形成泡沫多孔層低彈性模量生物活性陶瓷膜，其性能參數(shù)如下:彈性模量:35GPa ;耐蝕性:在生物模擬溶液中陶瓷層的自腐蝕電流密度為
3.59E-9A/cm2 ;結(jié)合強度:大于 30MPa。實施例21、選用純鈦TC4作為植入體的實體結(jié)構(gòu)2、化學(xué)除油:氫氧化鈉50g/L，磷酸鈉5g/L，其余為水；溫度:30°C ;時間5分鐘；3、酸洗:40 % (體積濃度)HF4ml/L, 95 % (體積濃度)H2S0410ml/L,酒石酸10g/L，其余為水。溫度:室溫，處理2分鐘，取出后立即用自來水清洗I分鐘，再用去離子水清洗I分鐘，鈍化膜厚度為I μ m。4、粉末冶金法制備多孔層:將純鈦粉粒和尿素粉粒混合，純鈦的平均粒徑為30微米，尿素粉粒作為空間支撐體，尿素粉粒的粒徑為80微米。純鈦與尿素粉粒的比例根據(jù)需要得到的多孔結(jié)構(gòu)層的孔隙率確定，孔隙率優(yōu)選為40%。純鈦粉粒與實體結(jié)構(gòu)植入體基體的材質(zhì)相同，這樣產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)層與植入體基體的結(jié)合力更強，將上述制備的粉料放入滾動的容器中攪拌直到純鈦粉粒與尿素粉粒充分混合，在攪拌時加入少量乙醇溶劑避免粉料形成不均勻聚團。這樣，純鈦粉末便會粘附在尿素填料表面。將實體結(jié)構(gòu)植入體基體表面包覆上述充分混合后的粉料，包覆在所述基體上粉料的厚度為最后形成的多孔結(jié)構(gòu)層的近似厚度。具體方法是將實體結(jié)構(gòu)植入體基體置入模具中，所述基體與模具間的空隙填充上述混合后的粉料。將上述包覆粉料的植入體基體進行燒結(jié)，過程如下:先將包覆粉料的植入體基體置于200°C真空2Pa下I小時，這可以避免固體物質(zhì)(NH2CO) 2NH過燒而導(dǎo)致產(chǎn)生過多的雜質(zhì)。然后，在真空4Pa，900 V條件下，保溫2小時，這一步驟可以去除粉料中的氣體，而表面·氧化物、水分子和污染物可以在燒結(jié)前揮發(fā)掉。最后，在1250°C下，燒結(jié)1.5小時，在實體結(jié)構(gòu)植入體基體表面形成了多孔結(jié)構(gòu)層，多孔結(jié)構(gòu)層的厚度為60微米。在燒結(jié)過程后，對多孔結(jié)構(gòu)層進行微弧氧化處理。利用微弧氧化法在多孔結(jié)構(gòu)層的孔表面形成二氧化鈦膜，二氧化鈦耐腐蝕性強，可以保護純鈦，避免向周圍環(huán)境釋放金屬離子。微弧氧化處理方法如下:(I)配制電解液:用0.06mol/Lβ _甘油磷酸鈉、0.15mol/L乙酸I丐，0.01mol/L乙酸鎂，0.08mol/L偏磷酸鈉，溶劑為水。電解液中含有鈣、磷離子,可以在二氧化鈦膜中滲入鈣、磷。鈣、磷是成骨的必需元素，二氧化鈦膜在植入體周圍形成一個高濃度的鈣磷區(qū)，將加速骨組織的誘導(dǎo)沉積，有利于新骨的形成，使植入體與骨組織形成牢固的結(jié)合。(2)將植入體具有多孔結(jié)構(gòu)層的表面置于上述電解液中作為一個電極，惰性導(dǎo)體(石墨)作為對電極與所述植入體的多孔結(jié)構(gòu)層的表面構(gòu)成電解回路。向電解回路施加直流脈沖電壓，植入體的多孔結(jié)構(gòu)層表面作為陽極(陽極化)，施加的直流脈沖電壓變化范圍350V，脈沖頻率800Hz，占空比40%，施加時間20分鐘。(3)向電解回路施加交流脈沖電壓，交流脈沖電壓的脈沖頻率為1000Hz，正負脈沖占空比分別為40%和40%，陽極化時施加于電解回路的電壓幅值(陽極化電壓幅值)為300V。也可以將植入體的多孔結(jié)構(gòu)層的表面作為陰極(陰極化)，這時施加于電解回路的電壓幅值(陰極化電壓幅值)為50V，其他參數(shù)不變。向電解回路施加交流脈沖電壓的方法如下:陽極化電壓幅值和陰極化電壓幅值相同保持不變，施加時間為I小時。本發(fā)明中，通過微弧氧化處理在多孔結(jié)構(gòu)層的孔表面形成二氧化鈦膜，二氧化鈦膜的厚度為10微米。在完成微弧氧化處理后，可以采用電泳沉積法在多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面沉積羥基磷灰石，具體方法如下:介質(zhì)成分:三乙醇胺12mL/L，HA粉25g/L，Ti粉12g/L，Y2O3粉和ZrO2粉分別為6g/L和12g/L，溶劑為正丁醇，HA粉、Ti粉、Y2O3粉和ZrO2粉的粒度為100納米。將多孔結(jié)構(gòu)層置于所述介質(zhì)中，采用脈沖直流電源施加電泳電場，脈沖頻率200Hz，電場強度40V/cm，將羥基磷灰石(HA)或羥基磷灰石(HA)與T1、Y203/Zr02-合電泳沉積在多孔結(jié)構(gòu)層上，沉積時間12分鐘，涂層在600°C進行熱處理，升溫速度為45°C /min，保溫時間8分鐘，自然冷卻。本發(fā)明中，在多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面形成羥基磷灰石(HA)層，羥基磷灰石層的厚度為10微米。最終，在鈦或鈦合金表面形成泡沫多孔層低彈性模量生物活性陶瓷膜，其性能參數(shù)如下:彈性模量:22GPa ;耐蝕性:在生物模擬溶液中陶瓷層的自腐蝕電流密度為
9.35E-8A/cm2 ;結(jié)合強度:大于 25MPa。實施例3
1、選用Ti6A14V作為植入體的實體結(jié)構(gòu)2、化學(xué)除油:氫氧化鈉50g/L，磷酸鈉5g/L，其余為水；溫度:30°C ;時間5分鐘；3、酸洗:70% (體積濃度)HN034ml/L，95% (體積濃度)H2S048ml/L，草酸 5g/L，其余為水。溫度:室溫，處理3分鐘，取出后立即用自來水清洗I分鐘，再用去離子水清洗I分鐘，鈍化膜厚度為I μ m。4、粉末冶金法制備多孔層:將純鈦粉粒和尿素粉粒混合，純鈦的平均粒徑為40微米，尿素粉粒作為空間支撐體，尿素粉粒的粒徑為70微米，鈦合金與尿素粉粒的比例根據(jù)需要得到的多孔結(jié)構(gòu)層的孔隙率確定，孔隙率優(yōu)選為50%。鈦合金粉粒與實體結(jié)構(gòu)植入體基體的材質(zhì)相同，這樣產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)層與植入體基體的結(jié)合力更強，將上述制備的粉料放入滾動的容器中攪拌直到鈦合金粉粒與尿素粉粒充分混合，在攪拌時加入少量乙醇溶劑避免粉料形成不均勻聚團。這樣，純鈦粉末便會粘附在尿素填料表面。將實體結(jié)構(gòu)植入體基體表面包覆上述充分混合后的粉料，包覆在所述基體上粉料的厚度為最后形成的多孔結(jié)構(gòu)層的近似厚度。具體方法是將實體結(jié)構(gòu)植入體基體置入模具中，所述基體與模具間的空隙填充上述混合后的粉料。將上述包覆粉料的植入體基體進行燒結(jié)，過程如下:先將包覆粉料的植入體基體置于220°C，真空3Pa下I小時，這可以避免固體物質(zhì)(NH2CO) 2NH過燒而導(dǎo)致產(chǎn)生過多的雜質(zhì)。然后，在真空2Pa下，900 V條件下，保溫1.5小時，這一步驟可以去除粉料中的氣體，而表面氧化物、水分子和污染物可以在燒結(jié)前揮發(fā)掉。最后，在1300°C下，燒結(jié)2小時，在實體結(jié)構(gòu)植入體基體表面形成了多孔結(jié)構(gòu)層，多孔結(jié)構(gòu)層的厚度為80微米。在燒結(jié)過程后，利用微弧氧化法在多孔結(jié)構(gòu)層的孔表面形成二氧化鈦膜，二氧化鈦耐腐蝕性強，可以保護鈦合金，避免向周圍環(huán)境釋放金屬離子。微弧氧化處理方法如下:(I)配制電解液:0.05mol/L 甘油磷酸鈣(CaC3H5(OH)2PO4)、0.05mol/L 乙酸鈣、
0.01mol/L乙酸鎂和0.lOmol/L磷酸二氫鈉配成電解液，溶劑為水；電解液中含有鈣、磷離子，可以在二氧化鈦膜中滲入鈣、磷。鈣、磷是成骨的必需元素，二氧化鈦膜在植入體周圍形成一個高濃度的鈣磷區(qū)，將加速骨組織的誘導(dǎo)沉積，有利于新骨的形成，使植入體與骨組織形成牢固的結(jié)合。(2)將植入體具有多孔結(jié)構(gòu)層的表面置于上述電解液中作為一個電極，惰性導(dǎo)體(石墨)作為對電極與所述植入體的多孔結(jié)構(gòu)層的表面構(gòu)成電解回路。向電解回路施加直流脈沖電壓，植入體的多孔結(jié)構(gòu)層的表面作為陽極(陽極化)，施加的直流脈沖電壓變化范圍400V，脈沖頻率1000Hz,占空比60%，施加時間10分鐘。(3)向電解回路施加交流脈沖電壓，交流脈沖電壓的脈沖頻率范圍為100Hz，正負脈沖占空比分別為50%和20%，陽 極化時施加于電解回路的電壓幅值(陽極化電壓幅值)為350V。也可以將植入體的多孔結(jié)構(gòu)層的表面作為陰極(陰極化)，這時施加于電解回路的電壓幅值(陰極化電壓幅值)范圍為100V，其他參數(shù)不變
向電解回路施加交流脈沖電壓的方法是如下步驟:陽極化電壓幅值或陰極化電壓幅值保持不變，另一電壓幅值提升至50V值后保持不變并持續(xù)0.3小時，然后再提升至施加交流脈沖電壓最高值，施加交流脈沖電壓過程時間為I小時。本發(fā)明中，通過微弧氧化處理在多孔結(jié)構(gòu)層的孔的內(nèi)表面形成二氧化鈦膜，二氧化鈦膜的厚度為10微米。在完成微弧氧化處理后，還可以采用電泳沉積法在多孔結(jié)構(gòu)層的孔表面沉積羥基磷灰石，具體方法如下:介質(zhì)成分:三乙醇胺15mL/L，HA粉30g/L，Ti粉10g/L，Y2O3粉和ZrO2粉分別為8和12g/L，溶劑為正丁醇，HA粉、Ti粉、Y2O3粉和ZrO2粉的粒度為80納米。將多孔結(jié)構(gòu)層置于所述介質(zhì)中，采用脈沖直流電源施加電泳電場，脈沖頻率500Hz，電場強度30V/cm，沉積時間5分鐘，涂層在600°C進行熱處理，升溫速度為60°C /min，保溫時間5分鐘，自然冷卻。本發(fā)明中，在多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面形成羥基磷灰石(HA)層，羥基磷灰石層的厚度為5微米。最終，在鈦或鈦合金表面形成泡沫多孔層低彈性模量生物活性陶瓷膜，其性能參數(shù)如下:彈性模量:30GPa ;耐蝕性:在生物模擬溶液中陶瓷層的自腐蝕電流密度為
5.92E-9A/cm2 ;結(jié)合強度:大 于 25MPa。
權(quán)利要求
1.一種鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:首先，利用粉末冶金法在實體結(jié)構(gòu)的純鈦或鈦合金植入體基體表面制備多孔結(jié)構(gòu)層；然后，利用微弧氧化法在所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔表面形成含鈣和磷的二氧化鈦膜；最后，用電沉積法在所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面上制備羥基磷灰石層；所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔隙率為30 70%，平均孔徑為50 200微米，多孔結(jié)構(gòu)層的厚度為30 80微米；所述二氧化鈦膜的厚度為5 15微米；所述羥基磷灰石層的厚度為5 20微米。
2.按照權(quán)利要求1所述的鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:利用粉末冶金法制備多孔結(jié)構(gòu)層包括如下步驟: 1)將純鈦或鈦合金粉末和尿素粉?；旌?，鈦或鈦合金粉末的粒徑為30 50微米，尿素粉粒平均粒徑為50 200微米；尿素粉粒與純鈦或鈦合金粉末的體積比根據(jù)多孔結(jié)構(gòu)層的孔隙率確定； 2)將步驟I)形成的混合料包覆純鈦或鈦合金基體表面進行燒結(jié)，其工藝參數(shù)如下:首先，將包覆混合料的植入體基體置于180 220°C、真空度I 5Pa下0.5 I小時；然后，在真空度I 5Pa，溫度800 900°C條件下，保溫0.5 2小時；最后，在1200°C 1300°C下，燒結(jié)I 3小時,在植入體基體表面形成多孔結(jié)構(gòu)層。
3.按照權(quán)利要求2所述的鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:步驟I)選擇的純鈦或鈦合金粉末與植入體基體的材質(zhì)相同。
4.按照權(quán)利要求1所述的鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:利用微弧氧化法形成二氧化鈦膜，步驟如下: 1)配制電解液:電解液組成為:0.04 0.lmol/L的β -甘油磷酸鈉或甘油磷酸鈣、0.01 0.2mol/L乙酸鈣、0.01mol/L乙酸鎂和0.05 0.1OmoI/L磷酸鹽，溶劑為水；所述磷酸鹽為磷酸二氫鈣、磷酸 二氫鈉、磷酸二氫鉀、偏磷酸鈉或偏磷酸鉀； 2)將植入體具有多孔結(jié)構(gòu)層的表面置于上述電解液中作為一個電極，惰性導(dǎo)體作為對電極與多孔結(jié)構(gòu)層的表面構(gòu)成電解回路；所述惰性導(dǎo)體為石墨、鉬或不銹鋼； 3)向電解回路施加直流脈沖電壓，多孔結(jié)構(gòu)層的表面作為陽極，施加的直流脈沖電壓變化范圍300 500V，脈沖頻率50 1000Hz，占空比20 60%，施加時間2 30分鐘； 4)向電解回路施加交流脈沖電壓，交流脈沖電壓的脈沖頻率范圍為50 1000Hz，施加時間0.5 2小時，正向脈沖占空比為30-60%，負向脈沖占空比為50 20%，植入體的多孔結(jié)構(gòu)層陽極化時，陽極化電壓幅值范圍為200 400V，植入體的多孔結(jié)構(gòu)層陰極化時，陰極化電壓幅值范圍為20 100V。
5.按照權(quán)利要求4所述的鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:向電解回路施加交流脈沖電壓的方法為:陽極化電壓幅值和陰極化電壓幅值相同保持不變，施加時間為0.5 2小時； 或者，陽極化電壓幅值和陰極化電壓幅值同步上升或下降，或一種電壓幅值上升同時另一種電壓幅值下降，施加時間為0.5 2小時； 或者，陽極化電壓幅值或陰極化電壓幅值保持不變，另一電壓幅值提升至50 60V后保持不變并持續(xù)0.1 0.3小時，然后再以5 10V/min的速度升至施加交流脈沖電壓要求達到最高值，施加交流脈沖電壓過程時間為0.5 2小時。
6.按照權(quán)利要求1所述的鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:采用電沉積法制備羥基磷灰石層，步驟如下: 1)將微弧氧化處理后的多孔結(jié)構(gòu)層置于電沉積介質(zhì)中，采用脈沖直流電源施加電泳電場，將羥基磷灰石、T1、Y203和ZrO2混合電泳沉積在多孔結(jié)構(gòu)層上；脈沖頻率50 500Hz，電場強度30 60V/cm,沉積時間10 30分鐘； 2)經(jīng)電泳沉積后的多孔結(jié)構(gòu)層在600°C進行熱處理，升溫速度為40 60°C/min,保溫時間10 30分鐘，自然冷卻后，在多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面上形成羥基磷灰石層； 所述電沉積介質(zhì)成分:三乙醇胺10 15mL/L，羥基磷灰石粉10 30g/L，Ti粉4 16g/L，Y2O3粉和ZrO2粉的總濃度為6 12g/L，溶劑為正丁醇；所述Y2O3粉和ZrO2粉以任意比例混合；羥基磷灰石粉、Ti粉、Y2O3粉和ZrO2粉的粒度為50 100納米。
7.按照權(quán)利要求1所述的鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:粉末冶金法制備多孔結(jié)構(gòu)層前，將純鈦或鈦合金表面經(jīng)過化學(xué)除油后進行酸洗，酸洗液包括無機酸和有機酸，無機酸和有機酸的摩爾比為(5 10): I;所述無機酸為氫氟酸、硝酸和硫酸之一種或兩種水溶液，所述有機酸為檸檬酸、酒石酸、草酸和苯甲酸之任意一種；酸洗后，純鈦或鈦合金表面得到鈍化膜，鈍化膜的厚度為I 2μπι。
8.按照權(quán)利要求7所述的鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:化學(xué)除油過程為將純鈦或鈦合金浸入除油溶液中，溶液溫度30 50°C，除油時間5 IOmin ;所述除油溶液組成為:氫氧化鈉40 60g/L,磷酸鈉5 10g/L,其余為水。
9.按照權(quán)利要求1所述的鈦表 面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:該方法制備的植入體應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。
10.按照權(quán)利要求7所述的鈦表面泡沫多孔層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，其特征在于:所述氫氟酸為體積濃度40%的氫氟酸、硝酸為體積濃度70%的硝酸，硫酸為體積濃度95%的硫酸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦表面多孔結(jié)構(gòu)層低彈性模量生物活性陶瓷膜的制備方法，涉及生物醫(yī)用植入體領(lǐng)域，特別是鈦或鈦合金材質(zhì)的生物醫(yī)用植入體制備技術(shù)。首先，利用粉末冶金法在實體結(jié)構(gòu)的純鈦或鈦合金植入體基體表面制備多孔結(jié)構(gòu)層；然后，利用微弧氧化法在所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔表面形成含鈣和磷的二氧化鈦膜；最后，用電沉積法在所述多孔結(jié)構(gòu)層的孔外表面上制備羥基磷灰石層。本發(fā)明可以在實體結(jié)構(gòu)純鈦或鈦合金植入體表面形成多孔結(jié)構(gòu)層，降低植入體表面的彈性模量，同時，羥基磷灰石層可使植入體具有較高的生物活性，應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。
文檔編號A61L27/56GK103088348SQ20111034207
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者張偉, 杜克勤, 趙寶紅, 王福會 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所