CN102168242B - 一种多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法，方法步骤为：(一)多孔NiTi合金表面预处理，去油、SiC砂纸打磨、机械抛光和电化学抛光；(二)将预处理后的多孔NiTi合金放入盛有去离子水的高压水热釜中进行水热处理，去离子水占高压水热釜体积的30～70%，水热处理温度为200～300℃，处理时间为8～12小时；(三)冲洗，自然干燥或在50～80℃条件下烘干，即获得具有彩色二氧化钛薄膜的多孔镍钛合金。本发明制备方法简单，成本低，不受多孔NiTi合金形状的影响，对环境无污染，可用于骨、关节及人工牙根等硬组织修复和替代，而且薄膜的鲜艳颜色可起到鉴别和美观作用。

Description

一种多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种制备彩色二氧化钛薄膜的方法，尤其涉及一种多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法。 
背景技术
近几十年来，生物医用材料的研究与发展取得了令人瞩目的成就，使得数以百万计的患者得到康复，大大提高了人们的生命质量。随着科学技术的发展、人口老龄化以及各种意外事故导致的创伤增加等，人们对生物医用材料及其制品的需求越来越大。目前临床上人体承重硬组织植入物使用最多的是医用金属材料，如医用不锈钢、钴铬合金、钛及钛合金及NiTi形状记忆合金，但这些材料不能圆满地解决免疫性和生物力学相容性等问题，如医用金属材料属于生物惰性材料，与人体组织不能形成骨性结合、弹性模量与骨组织不匹配，使载荷不能很好地由种植体传递到相邻骨组织，出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动和断裂，造成种植失败。 
为了解决上述问题，国内外材料研究学者提出研制多孔NiTi合金。通过调整多孔NiTi形状记忆合金的孔隙率和孔形态，使其弹性模量与骨组织相近满足生物力学相容性的要求；多孔合金的可压缩性与多孔结构有利于新生骨组织的长入，使植入物的固定更自然、更可靠；其形状记忆效应和独特的体积记忆效应使植入过程变得简单，大大减轻了病人的痛苦；其超弹性保障了植入物与肌体组织间的生物力学兼容性。由此可见多孔NiTi合金在骨、关节和牙齿等硬组织修复和替换的外科用植入材料领域有广阔的应用前景。 
当多孔NiTi合金植入人体后，因多孔结构造成其暴露于体液介质的表面积增大，三维连通的孔隙结构会引起缝隙腐蚀效应，使其比致密NiTi合金更易于释放出具有潜在毒性的Ni离子。Jiang等采用原子吸收分光光度计分析了多孔NiTi合金与致密NiTi合金的Ni释放情况，发现多孔NiTi的Ni离子释放量比致密合金高出2个数量级。Li等采用动点位极化曲线方法对多孔NiTi合金在37℃生理盐水和Hank’s溶液中进行腐蚀行为试验，结果发现多孔NiTi合金的击穿电位低于致密NiTi合金，而腐蚀电流高于致密NiTi合金，说明多孔NiTi合金由于多孔结构的存在而降低了合金的耐腐蚀性能，这势必也将促进Ni离子的释放。为了提高多孔NiTi合金的使用安全性，就需要对多孔NiTi合金进行表面改性，以抑制或避免Ni离子溶出而进入人体。但是多孔结构使表面改性变得困难，因为孔隙内部也需要处理，对致密NiTi合金所采用的激光表面改性、离子注入等方法因难以渗入孔内而已不合适。因此，只能采用液体或气体等可达性好的方法对多孔NiTi合金进行表面改性。 
TiO2薄膜已被证实具有优异的抗腐蚀性，但由于合金表面自然形成的氧化膜不致密、易剥落和发生局部腐蚀，因而可对表面进行重新氧化处理，以提高其致密性和耐腐蚀性。将多孔NiTi合金加热到500℃以上可在表面和孔隙内部形成均匀二氧化钛薄膜，但是此时NiTi合金中将析出Ni3Ti相，影响合金的形状记忆效应和超弹性，恶化了基体固有的热机械性能。 
发明内容
本发明的目的在于提供了一种多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法，解决即抑制多孔NiTi合金的Ni离子溶出，又不恶化合金的固有热机械性能的问题。 
本发明是这样来实现的，方法步骤为： 
(一) 多孔NiTi合金表面预处理，去油、SiC砂纸打磨、机械抛光和电化学抛光；
(二) 将预处理后的多孔NiTi合金放入盛有去离子水的高压水热釜中进行水热处理，去离子水占高压水热釜体积的30～70%，水热处理温度为200～300℃，处理时间为8～12小时；
(三) 冲洗,自然干燥或在50~80℃条件下烘干，即获得具有彩色二氧化钛薄膜的多孔镍钛合金。
所述高压水热釜的容器部分由不锈钢制成。 
预处理后的多孔NiTi合金须悬空于高压水热釜中。 
本发明可在多孔NiTi表面及孔隙内部形成均匀二氧化钛薄膜，薄膜颜色可为金黄色、蓝色、绿色、紫色等。此彩色二氧化钛薄膜无毒，不易剥离、脱落，能有效抑制Ni离子溶出，并提高多孔NiTi合金的耐蚀性、耐磨性和生物相容性。 
本发明制备方法简单，成本低，不受多孔NiTi合金形状的影响，对环境无污染，可用于骨、关节及人工牙根等硬组织修复和替代，而且薄膜的鲜艳颜色可起到鉴别和美观作用。 
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法按以下步骤进行：(一) 多孔NiTi合金表面预处理；(二) 将预处理后的多孔NiTi合金放入盛有工作液的高压水热釜中进行水热处理；(三) 冲洗,干燥，即获得具有彩色二氧化钛薄膜的多孔镍钛合金。 
本实施方式在多孔NiTi表面及孔隙内部形成均匀二氧化钛薄膜，薄膜颜色可为金黄色、蓝色、绿色、紫色等。此彩色二氧化钛薄膜无毒，不易剥离、脱落，能有效抑制Ni离子溶出，并提高多孔NiTi合金的耐蚀性、耐磨性和生物相容性。 
本实施方式制备方法简单，成本低，不受多孔NiTi合金形状的影响，对环境无污染，可用于骨、关节及人工牙根等硬组织修复和替代，而且薄膜的鲜艳颜色可起到鉴别和美观作用。 
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤（一）多孔NiTi合金的表面预处理依次为去油、SiC砂纸打磨、机械抛光和电化学抛光。其它步骤及所选参数与实施方式一相同。 
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤（二）中高压水热釜的容器部分由不锈钢制成。其它步骤及所选参数与实施方式一相同。 
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤（三）中多孔NiTi合金蒸馏水冲洗后自然干燥或在50~80℃条件下烘干。其它步骤及所选参数与实施方式一相同。 
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤（二）中的预处理后的多孔NiTi合金须悬空于高压水热釜中。其它步骤及所选参数与实施方式一相同。 
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤（二）中的工作液为去离子水或含有少量双氧水的去离子水。其它步骤及所选参数与实施方式一相同。 
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤（二）步骤（二）中的工作液为高压水热釜体积的30～70%。其它步骤及所选参数与实施方式一相同。 
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：步骤（二）中中水热处理温度为200～300℃。其它步骤及所选参数与实施方式一相同。 
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤（二）中水热处理时间为8～12小时。其它步骤及所选参数与实施方式一相同。 
具体实施方式九：本实施方式多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法按以下步骤进行：(一) 多孔NiTi合金依次经去油、SiC砂纸打磨、机械抛光和电化学抛光表面预处理；(二) 将预处理后的多孔NiTi合金放入盛有30%去离子水的高压水热釜中进行300℃水热处理24小时；（三）多孔NiTi合金蒸馏水冲洗3次后自然干燥，即得到表面覆盖二氧化钛的多孔NiTi合金。 
本实施方式高压水热釜的压强为9MPa，多孔NiTi合金表面及孔隙内部均覆盖一层～50nm厚的草绿色二氧化钛薄膜，薄膜表面平滑，结构致密，与基体结合牢固，不易剥离、脱落。经XPS分析，表面Ni含量为1.2at.%，Ti主要以四价态形式存在，还有少量的三价态和二价态。耐蚀性较基体提高1个数量级以上。 
具体实施方式十：本实施方式多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法按以下步骤进行：(一) 多孔NiTi合金依次经去油、SiC砂纸打磨、机械抛光和电化学抛光表面预处理；(二) 将预处理后的多孔NiTi合金放入盛有50%去离子水的高压水热釜中进行300℃水热处理24小时；（三）多孔NiTi合金蒸馏水冲洗3次后自然干燥，即得到表面覆盖二氧化钛的多孔NiTi合金。 
本实施方式高压水热釜的压强为9MPa，多孔NiTi合金表面及孔隙内部均覆盖一层～60nm厚的蓝色二氧化钛薄膜，薄膜表面平滑，结构致密，与基体结合牢固，不易剥离、脱落。经XPS分析，表面Ni含量为1.0at.%，Ti主要以四价态形式存在，还有少量的三价态和二价态。耐蚀性较基体提高1个数量级以上。 
具体实施方式十一：本实施方式多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法按以下步骤进行：(一) 多孔NiTi合金依次经去油、SiC砂纸打磨、机械抛光和电化学抛光表面预处理；(二) 将预处理后的多孔NiTi合金放入盛有70%去离子水的高压水热釜中进行270℃水热处理8小时；（三）多孔NiTi合金蒸馏水冲洗3次后自然干燥，即得到表面覆盖二氧化钛的多孔NiTi合金。 
本实施方式高压水热釜的压强可达到12MPa，多孔NiTi合金表面及孔隙内部均覆盖一层～65nm厚的金黄色二氧化钛薄膜，薄膜表面平滑，结构致密，与基体结合牢固，不易剥离、脱落。经XPS分析，表面Ni含量为0.2at.%，Ti主要以四价态形式存在，还有少量的三价态。耐蚀性较基体提高近2个数量级。 
具体实施方式十一：本实施方式多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法按以下步骤进行：(一) 多孔NiTi合金依次经去油、SiC砂纸打磨、机械抛光和电化学抛光表面预处理；(二) 将预处理后的多孔NiTi合金放入盛有70%工作液的高压水热釜中进行280℃水热处理24小时；（三）多孔NiTi合金蒸馏水冲洗3次后自然干燥，即得到表面覆盖二氧化钛的多孔NiTi合金。其中步骤(二)中的工作液为含有5ml双氧水的去离子水。 
本实施方式高压水热釜的压强可达到17.2MPa，多孔NiTi合金表面及孔隙内部均覆盖一层～150nm厚的紫色二氧化钛薄膜，薄膜表面平滑，结构致密，与基体结合牢固，不易剥离、脱落。经XPS分析，表面Ni含量为0.1at%，Ti主要以四价态形式存在，还有极少量的三价态。耐蚀性较基体提高2个数量级。 

Claims (3)

1.一种多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法，其特征是方法步骤为：
(一) 多孔NiTi合金表面预处理，去油、SiC砂纸打磨、机械抛光和电化学抛光；
(二) 将预处理后的多孔NiTi合金放入盛有去离子水的高压水热釜中进行水热处理，去离子水占高压水热釜体积的30～70%，水热处理温度为200～300℃，处理时间为8～12小时；
(三) 冲洗，自然干燥或在50~80℃条件下烘干，即获得具有彩色二氧化钛薄膜的多孔镍钛合金。
2.根据权利要求1所述的一种多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法，其特征在于所述高压水热釜的容器部分由不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种多孔NiTi合金表面低温制备彩色二氧化钛薄膜的方法，其特征在于预处理后的多孔NiTi合金须悬空于高压水热釜中。
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