CN102181904B - 一种钛表面活化处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层的方法，该方法先将钛打磨抛光，超声清洗；然后配制NaOH浓度为2～10mol/L和AgNO₃浓度为0.01～0.05mol/L的混合水溶液为电解液；再在所述电解质溶液中以钛为阳极，铜箔片为阴极，采用直流电源进行电解，电压为15～20V。本发明制备的生物活性多孔膜层，孔径在10～10um之间，孔洞呈微纳米多级结构，大孔内附有小孔，膜层呈三维互穿网络结构，且表面没有微裂纹产生，膜层和基体之间呈化学键性结合，没有结合缝隙，结合强度较高，细胞在其表面可以更好的黏附、增殖、分化，同时具有高效的抗菌作用，可广泛应用于骨修复领域。

Description

一种钛表面活化处理的方法

技术领域

本发明涉及在医用金属材料钛表面活化处理的方法，特别是涉及一种钛表面生成具有抗菌作用的三维纳米多孔网络膜层的方法。

背景技术

钛具有优良的力学性能、生物相容性、耐腐蚀性及可塑性，是较为理想的植入体材料。但是，致密钛为生物惰性材料，作为骨修复材料，与骨界面结合差，愈合时间久，存在着植入体松动和发炎等现象。研究表明材料表面的纳米结构直接影响细胞在材料表面的增殖、分化等细胞学行为。因此，在材料表面生成纳米结构可以提高其生物活性，改善这一不良现象。迄今，国内外生物材料在这一领域取得了一定的研究进展。例如：中国发明专利200510114407.8公开了“一种医用金属表面生物活性纳米复合层制备方法”，通过酸液侵蚀，阳极氧化，碱液活化处理及热处理等工艺在钛金属表面制备出具有纳米结构的二氧化钛膜层，提高了其表面活性，但是其步骤较为繁琐；中国发明专利200610136835.5公开了“一种多孔结构钛种植体及其制备方法”，公开了将多孔钛制品置于3～5mol/L的NaOH溶液中，在70～80℃的水浴中处理24～36h，将碱处理后的制品放入热处理炉中，加热至600℃～700℃保温1～2h，随炉冷却。但是这种活化处理方法得到的膜层，其表面有微裂纹存在，降低了膜层和基体的结合强度。

目前，表面活化处理得到的孔径多为微米级且有微裂纹存在，或者孔洞不能呈相互贯穿，不具备三维结构。研究表明细胞在三维纳米结构表面能够更好的生长。因此如果活化处理后的材料表面能够呈三维纳米多孔网络结构，将大大提高其表面生物活性，促进细胞的粘附和生殖。然而，这种生物活性环境同时也利于细菌的粘附和繁殖，因此在三维纳米多孔网络膜层表面沉积具有高效抗菌作用的Ag等重金属离子，可以构建出具有高效抗菌特性的生物活性膜层。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种钛表面构建具有抗菌特性的三维纳米多孔网络膜层的方法。

本发明的上述目的是通过如下措施来达到的。

一种钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层的方法，包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：预处理

将医用纯钛打磨抛光，超声清洗；

步骤二：配制电解质溶液

配制NaOH浓度为2～10mol/L和AgNO₃浓度为0.01～0.05mol/L的混合水溶液为电解液；

步骤三；电化学处理

在所述电解质溶液中以预处理后的医用纯钛为阳极，铜箔片为阴极，采用直流电源进行电解，电压为15～20V，电解时间为4h～8h；钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层。

为了更好地实现本发明，所述NaOH浓度优选为4～8mol/L；AgNO₃浓度优选为0.02～0.04mol/L。

所述打磨抛光优选依次用180#、360#、600#、800#、1000#砂纸打磨抛光。

所述清洗优选依次用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗，超声功率为30-50KW，频率为100-200khz。

所述超声清洗时间优选为15-25min。

本发明中电解质选用NaOH水溶液；提供银离子的电解质选用AgNO₃水溶液。

本发明与现有技术相比，具有如下突出的优点和显著的效果：

1、本发明直接使用氢氧化钠、硝酸银水溶液做电解液，将碱处理工艺和阳极氧化法相结合。制备出的具有抗菌作用的三维纳米多孔网络膜层，网络结构均匀分布，没有裂纹出现，与单纯的碱热处理制得的多孔膜层相比，与基体结合强度高，不存在膜层收缩开裂等问题。

2、本发明制备的具有抗菌作用的三维纳米多孔网络膜层，其表面孔洞呈架状网络结构，一些大孔洞内附有小孔洞，部分孔洞相互连通，孔径为微纳米多级结构，细胞能够更好的在其表面黏附、增殖、分化。

3、本发明制备的具有抗菌作用的三维纳米多孔网络膜层，其表面含有高效抗菌作用的银离子，可以抑制细菌的粘附和繁殖。

4、本发明工艺简单，生产周期相对较短，成本较低。

附图说明

图1为实施例3处理形成的具有抗菌作用的三维纳米网络膜层的SEM照片。

图2为采用实施例3处理形成的具有抗菌作用的三维纳米网络膜层SEM截面图。

图3为经实施例3处理的具有抗菌作用三维纳米网络膜层表面的细胞黏附图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种钛表面生成具有抗菌作用的三维纳米多孔网络膜层的方法，包括以下步骤及工艺条件：

步骤一：预处理

选用医用纯钛(纯度≥99.9％)，尺寸裁剪为10mm×3mm×1mm；依次用180#、360#、600#、800#、1000#砂纸打磨抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗20min，超声功率为40KW，频率为150khz。

步骤二：配制电解质溶液

配制NaOH浓度为2mol/L和AgNO₃浓度为0.01mol/L的混合水溶液为电解液。

步骤三：电化学处理

以步骤一预处理后的医用纯钛为阳极，铜箔片为阴极，在15V直流电压下，电解4h。此时在电场力作用下，电解液中的OH^-定向撞击钛表面，表层的TiO₂膜层被OH^-腐蚀，逐渐形成大小不一的孔洞，同时，钛表面带负电荷的Ti-OH吸附Ag⁺，即可制得直径在10nm～10um之间的开放状纳米多孔膜层。膜层为三维互穿网络结构，孔壁呈纤维状，孔洞呈微纳米多级结构，且膜层具有抗菌作用。

实施例2

步骤一：预处理

选用医用纯钛(纯度≥99.9％)，尺寸裁剪为10mm×3mm×1mm；依次用180#、360#、600#、800#、1000#砂纸打磨抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水别超声清洗20min，超声功率为40KW，频率为150khz。

步骤二：配制电解质溶液

配制NaOH浓度为4mol/L和AgNO₃浓度为0.02mol/L的混合水溶液为电解液。

步骤三：电化学处理

以步骤一预处理后的医用纯钛为阳极，铜箔片为阴极，在15V直流电压下，电解6h。此时在电场力作用下，电解液中的OH^-定向撞击钛表面，表层的TiO₂膜层被OH^-腐蚀，逐渐形成大小不一的孔洞，同时，钛表面带负电荷的Ti-OH吸附Ag⁺，即可制得直径在10～100nm之间的开放状纳米多孔膜层，膜层为三维互穿网络结构，孔壁呈纤维状，且膜层具有抗菌作用。

实施例3

步骤一：预处理

选用医用纯钛(纯度≥99.9％)，尺寸裁剪为10mm×3mm×1mm；依次用180#、360#、600#、800#、1000#砂纸打磨抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水别超声清洗20min，超声功率为40KW，频率为150khz。

步骤二：配制电解质溶液

配制NaOH浓度为6mol/L和AgNO₃浓度为0.03mol/L的混合水溶液为电解液。

步骤三：电化学处理

以步骤一预处理后的医用纯钛为阳极，铜箔片为阴极，在15V直流电压下，电解8h。此时在电场力作用下，电解液中的OH^-定向撞击钛表面，表层的TiO₂膜层被OH^-腐蚀，逐渐形成大小不一的孔洞，同时，钛表面带负电荷的Ti-OH吸附Ag⁺，即可制得直径在10～100nm之间的开放状纳米多孔膜层，膜层为三维互穿网络结构，孔壁呈纤维状，且膜层具有抗菌作用。

图1是本实施例采用阳极氧化法在纯钛表面生成的具有抗菌作用的纳米多孔网络膜层的表面微观形貌SEM图(放大50000倍)。由图1可见，三维纳米多孔网络结构膜层的孔径在10～10um之间，孔洞呈微纳米多级结构，大孔内附有小孔，膜层呈三维互穿网络结构，且表面没有微裂纹产生。

图2是本实施例在纯钛表面生成的具有抗菌作用的三维纳米多孔网络膜层的SEM(放大50000倍)截面形貌图。由图2可见，膜层和基体之间呈化学键性结合，没有结合缝隙，结合强度较高。

采用第3代人的骨髓间质干细胞与本实施例制备的三维纳米多孔钛进行复合培养。种植细胞前，每组材料在L-DMEM完全培养液中浸泡过夜，然后将材料从培养基中取出，在无菌超净台内吹至30min，无菌环境下移至12孔培养板，每孔一个材料。将消化后细胞浓度为3×10⁶个/ml的细胞悬液接种到每个材料表面，每个样品接种20ul。在37℃，5％CO₂的恒温培养箱中静置培养。复合培养1d后，移除培养液，用PBS缓冲液清洗材料表面3次，4℃下加入2.5％戊二醛固定4h，梯度酒精脱水10-30min，通风橱自然干燥，喷金后在扫描电镜下观察的细胞黏附形态。图3观察表明，在三维纳米多孔钛网状结构膜层表面，由于膜层具备微纳米多级孔洞结构，所以细胞铺展良好，丝状突起丰富，黏附在孔内生长，具有良好的生物相容性。而纯钛表面细胞粘附量少，细胞沿表面生长，且部分细胞呈圆球状，开始凋亡，生物相容性相对较差。

本发明其他实施例制备的具有抗菌作用的纳米多孔网络膜层的表面微观形貌与本实施例图1基本相同；其他实施例制备的具有抗菌作用的纳米多孔网络膜层的截面形貌图与图2基本相同；经其他实施例处理的具有抗菌作用的三维纳米网络膜层表面的细胞黏附图与图3基本相同，不再一一提供。

实施例4

步骤一：预处理

选用医用纯钛(纯度≥99.9％)，尺寸裁剪为10mm×3mm×1mm；钛依次用180#、360#、600#、800#、1000#砂纸打磨抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水别超声清洗20min，超声功率为40KW，频率为150khz。

步骤二：配制电解质溶液

配制NaOH浓度为8mol/L和AgNO₃浓度为0.04mol/L的混合水溶液为电解液。

步骤三：电化学处理

以步骤一预处理后的医用纯钛为阳极，铜箔片为阴极，在20V直流电压下，电解4h。此时在电场力作用下，电解液中的OH^-定向撞击钛表面，表层的TiO₂膜层被OH^-腐蚀，逐渐形成大小不一的孔洞，同时，钛表面带负电荷的Ti-OH吸附Ag⁺，即可制得直径在10～100nm之间的开放状纳米多孔膜层，膜层为三维互穿网络结构，孔壁呈纤维状，且膜层具有抗菌作用。

实施例5

步骤一：预处理

选用医用纯钛(纯度≥99.9％)，尺寸裁剪为10mm×3mm×1mm；依次用180#、360#、600#、800#、1000#砂纸打磨抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水别超声清洗15min，超声功率为30KW，频率为200khz。

步骤二：配制电解质溶液

配制NaOH浓度为10mol/L和AgNO₃浓度为0.05mol/L的混合水溶液为电解液。

步骤三：电化学处理

以步骤一预处理后的医用纯钛为阳极，铜箔片为阴极，在20V直流电压下，电解6h。此时在电场力作用下，电解液中的OH^-定向撞击钛表面，表层的TiO₂膜层被OH^-腐蚀，逐渐形成大小不一的孔洞，同时，钛及其表面带负电荷的Ti-OH吸附Ag⁺，即可制得直径在10～200nm之间的开放状纳米多孔膜层，膜层为三维互穿网络结构，孔壁呈纤维状，且膜层具有抗菌作用。

实施例6

步骤一：预处理

选用医用纯钛(纯度≥99.9％)，尺寸裁剪为10mm×3mm×1mm；依次用180#、360#、600#、800#、1000#砂纸打磨抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水别超声清洗25min，超声功率为50KW，频率为100khz。

步骤二：配制电解质溶液

配制NaOH浓度为12mol/L和AgNO₃浓度为0.05mol/L的混合水溶液为电解液。

步骤三：电化学处理

以步骤一预处理后的医用纯钛为阳极，铜箔片为阴极，在20V直流电压下，电解8h。此时在电场力作用下，电解液中的OH^-定向撞击钛表面，表层的TiO₂膜层被OH^-腐蚀，逐渐形成大小不一的孔洞，同时，钛及其表面带负电荷的Ti-OH吸附Ag⁺，即可制得直径在10～100nm之间的开放状纳米多孔膜层，膜层为三维互穿网络结构，孔壁呈纤维状，且膜层具有抗菌作用。

Claims (5)

1.一种钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层的方法，其特征在于包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：预处理

将医用纯钛打磨抛光，超声清洗；

步骤二：配制电解质溶液

配制NaOH浓度为2～10mol/L和AgNO₃浓度为0.01～0.05mol/L的混合水溶液为电解液；

步骤三；电化学处理

在所述电解质溶液中以预处理后的医用纯钛为阳极，铜箔片为阴极，采用直流电源进行电解，电压为15～20V，电解时间为4h～8h；钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层。

2.根据权利要求1所述的钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层的方法，其特征在于：所述NaOH浓度为4～8mol/L；AgNO₃浓度为0.02～0.04mol/L。

3.根据权利要求1所述的钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层的方法，其特征在于：所述打磨抛光是依次用180#、360#、600#、800#、1000#砂纸打磨抛光。

4.根据权利要求1所述的钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层的方法，其特征在于：所述清洗是依次用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗，超声功率为30-50KW，频率为100-200khz。

5.根据权利要求4所述的钛表面生成具有抗菌作用三维纳米多孔网络膜层的方法，其特征在于：所述超声清洗时间为15-25min。

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