CN103014576A

CN103014576A - 基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法

Info

Publication number: CN103014576A
Application number: CN2013100016518A
Authority: CN
Inventors: 许晓静; 朱利华; 刘敏; 牛小丫; 张体峰; 王宏宇; 凌智勇; 盛新兰; 王浩; 蔡勇
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2013-04-03

Abstract

一种基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法，其特征是它包括以下步骤：首先，以市购TiNi合金为原材料，对其进行等通道转角大应变加工（ECAP）制得超细晶TiNi合金；然后，将采用ECAP制得的超细晶TiNi合金，进行抛光，喷砂及清洗预处理；最后，将预处理后的超细晶TiNi合金，在电解液中进行阳极氧化处理，即可使TiNi合金表面具有高抗腐蚀性、高抗微动摩擦磨损性、高生物活性等优异生物医用性能。采用本发明方法处理后的TiNi合金表面具有更多纳米尺度的孔穴，更高的抗模拟体液电化学腐蚀性能，更低的摩擦系数、更高的耐磨性，以及更高的生物活性。

Description

基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法

技术领域

本发明涉及一种钛材表面改性方法，尤其是一种提高钛材生物医用性能的方法，具体地说是一种基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法。

背景技术

先进的生物医用金属材料及表面处理是国家中长期科学和技术发展的优先主题。对于与自然骨（骨水泥）接触的植入体如人工关节基干、骨创伤产品、种植牙等，其表面不仅必须要有好的生物活性，而且必须要有好的抗微动摩擦损伤性能、好的抗腐蚀性能。近年来，TiNi合金由于其较好的生物医用性能，引起了国内外研究机构和专家学者的重视，但目前表面具有高抗腐蚀性、高微动摩擦磨损性、高生物活性等的生物医用TiNi合金的获得还是一个很大的挑战。

对于生物医用钛材进行组织结构超细/纳米化处理，可较好改善其强度、生物相容性等性能，而且还可以发挥其特有的对后续表面处理所具有的神奇诱导作用等。同时，阳极氧化与其他常见的表面处理方法（如等离子喷涂技术、激光熔融技术、溶胶—凝胶法）相比，其具有以下优点：阳极氧化过程中基体内部较低的温度避免了热效应对基体的不利因素；氧化膜与基体之间的结合相当牢固；基体表面原位生长的多孔膜，避免了膜层表面开裂的问题；电解液是碱性液体，避免了电解液对环境的污染等。

但是，据申请人所知，到目前为止，尚未有一种基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对目前TiNi合金生物医用性能尚不够理想的问题，发明一种基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法，从而为我国医用钛材的发展和更加广泛的应用提供支撑。

本发明的技术方案是：

一种基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，以市购TiNi合金为原材料，对其进行等通道转角大应变加工(ECAP)制得超细晶TiNi合金；

然后，对采用ECAP制得的超细晶TiNi合金进行预处理，以获得表面清洁光滑的超细晶TiNi合金，预处理所得的超细晶TiNi合金的表面粗糙度应控制在Ra≤1μm；

最后，将预处理后的超细晶TiNi合金在电解液中进行阳极氧化处理，即可获得表面具有高抗腐蚀性、高抗微动摩擦磨损性和高生物活性的生物医用TiNi合金。

所述的等通道转角大应变加工(ECAP)是将市购TiNi合金材料在400～500℃下进行等通道转角大应变挤压。

在进行所述的抛光、喷砂及清洗预处理时先将采用ECAP制备的超细晶TiNi合金依次用400#、800#、1000#金相砂纸打磨，待其表面氧化层全部去除且无明显划痕后，再在抛光机上进行抛光到粗糙度Ra≤0.63μm；接着再用180#或以下的玻璃珠对超细晶TiNi合金进行喷砂处理，使其表面粗糙度Ra≤1μm；然后，将喷砂处理后的超细晶TiNi合金依次用丙酮超声清洗至少20min后再用去离子水超声清洗至少10min，晾干即可。

所述的阳极氧化处理所采用的工艺参数为电解液温度为室温、脉冲电压为270~280V、氧化时间为1~9min、脉冲频率为550～650Hz，占空比为5～7 %。

本发明的有益效果：

（1）采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金具有高的抗腐蚀性，以实施例一为例，采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金，其在Kokubo人体模拟体液电化学腐蚀中的腐蚀电流密度仅为1.2008ｘ10^-7Amp/cm²，腐蚀速率仅为0.001514mm/a。

（2）采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金具有高的微动摩擦磨损性，以实施例一为例，在载荷1 N、时间10 min的试验条件下，采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金表面具有较低的摩擦系数和高的耐磨性，其平均值分别约为0.1032，其体积磨损率仅为处理前的约1/5。

（3）采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金具有高的生物活性，以实施例一为例，在Kokubo人体模拟体液中，采用本发明方法处理后的Ca/P为1.436（接近于标准HA的Ca/P比1.67）,Ca-P层表现为典型的层状结构生长，Ca-P层生长速率为31.4815g/m²。

（4）本发明方法基于组织超细化和阳极氧化两种手段，使得处理后TiNi合金具有更多纳米尺度蚀坑，而纳米尺度蚀坑的作用在于贮存模拟体液，起到润滑作用，降低粘着磨损倾向。

（5）采用本发明方法处理后的TiNi合金表面具有更多纳米尺度的孔穴，更高的抗模拟体液电化学腐蚀性能，更低的摩擦系数、更高的耐磨性，以及更高的生物活性。

附图说明

图 1 是采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金表面在Kokubo人体模拟体液中浸泡21天后Ca-P层SEM形貌。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法，包括以下步骤：

首先，以市购TiNi合金为原材料，对其进行等通道转角大应变加工（即ECAP）制得超细晶TiNi合金；进行等通道转角大应变加工时（ECAP，具体方法可参见申请人在先申请的相关专利），可先将市购TiNi合金材料在400～500℃下进行等通道转角大应变挤压（其中以450℃为最佳）。然后，将采用ECAP制得的超细晶TiNi合金，进行抛光，喷砂及清洗预处理。所述抛光、喷砂及清洗预处理步骤为：首先，将采用ECAP制备的超细晶TiNi合金依次用400#、800#、1000#金相砂纸打磨，待其表面氧化层全部去除且无明显划痕后，再在抛光机上进行抛光，抛光后的表面粗糙度Ra≤0.63μm；接着，用180#的玻璃珠对超细晶TiNi合金进行喷砂处理，使超细晶TiNi合金的表面粗糙度Ra≤1μm；然后，将喷砂处理后的超细晶TiNi合金依次用丙酮超声清洗至少20min后再用去离子水超声清洗至少10min，晾干即可。

最后，将预处理后的超细晶TiNi合金，在电解液中进行阳极氧化处理，即可使TiNi合金表面具有高抗腐蚀性、高抗微动摩擦磨损性、高生物活性等优异生物医用性能。阳极氧化处理所采用的工艺参数为：电解液温度为室温、脉冲电压为270~280V、氧化时间为1~9min、脉冲频率为550～650Hz，占空比为5～7 %。

实例一。

以市购TiNi合金为原材料进行等通道转角大应变挤压，经前述方法预处理后的表面粗糙度为Ra=0.8μm，阳极氧化处理工艺参数为：电解液温度为室温、脉冲电压为270V、氧化时间为9min、脉冲频率为600Hz，占空比6 %。采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金，其具有更多尺寸在纳米尺度的蚀坑，高的抗模拟体液电化学腐蚀性能，腐蚀电流密度为1.2008ｘ10^-7Amp/cm²，腐蚀速率为0.001514mm/a，低的摩擦系数（平均值为0.1032）、高的耐磨性，更高的生物活性，Ca/P为1.436（接近于标准HA的Ca/P比1.67）,Ca-P层表现为典型的层状结构生长（图1），Ca-P层生长速率为31.4815g/m²。

实例二。

以市购TiNi合金为原材料进行等通道转角大应变挤压，经前述方法预处理后的表面粗糙度为Ra=0.63μm，阳极氧化处理工艺参数为：电解液温度为室温、脉冲电压为280V、氧化时间为3min、脉冲频率为550Hz，占空比为5 %。采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金，其具有更多尺寸在纳米尺度的蚀坑，高的的抗模拟体液电化学腐蚀性能，低的摩擦系数、高的耐磨性，更高的生物活性，Ca/P为1.628（接近于标准HA的Ca/P比1.67）,Ca-P层表现为典型的层状结构生长，Ca-P层生长速率为28.7037g/m²。

实施例三。

以市购TiNi合金为原材料进行等通道转角大应变挤压，经前述方法预处理后的表面粗糙度为Ra=1μm，阳极氧化处理工艺参数为：电解液温度为室温、脉冲电压为275V、氧化时间为1min、脉冲频率为650Hz，占空比为7 %。采用本发明方法处理后的生物医用TiNi合金，其具有更多尺寸在纳米尺度的蚀坑，高的的抗模拟体液电化学腐蚀性能，低的摩擦系数、高的耐磨性，更高的生物活性，Ca/P为1.581（接近于标准HA的Ca/P比1.67）,Ca-P层表现为典型的层状结构生长，Ca-P层生长速率为29.4576g/m²。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法，其特征是它包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的等通道转角大应变加工(ECAP)是将市购TiNi合金材料在400～500℃下进行等通道转角大应变挤压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是在进行所述的抛光、喷砂及清洗预处理时，先将采用ECAP制备的超细晶TiNi合金依次用400#、800#、1000#金相砂纸打磨，待其表面氧化层全部去除且无明显划痕后，再在抛光机上进行抛光到粗糙度Ra≤0.63μm；接着再用180#或以下的玻璃珠对超细晶TiNi合金进行喷砂处理，并控制其表面粗糙度Ra≤1μm；然后，将喷砂处理后的超细晶TiNi合金依次用丙酮超声清洗至少20min后再用去离子水超声清洗至少10min，晾干即可。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的阳极氧化处理所采用的工艺参数为电解液温度为室温、脉冲电压为270~280V、氧化时间为1~9min、脉冲频率为550～650Hz，占空比为5～7 %。