CN104694992B - 一种钛表面含有钙磷的多层次孔结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛表面含有钙磷离子的多层次孔结构的制备方法，达到对钛基体进行结构和成分同时改性的目的，获得综合性能良好的钛植入体材料。将经打磨、清洗、晾干的医用纯钛片作为阳极置于NaH₂PO₄·2H₂O电解液中，铂电极作为阴极，进行微弧氧化处理；处理完毕后，将钛片从NaH₂PO₄·2H₂O电解液中取出，再作为阳极置于(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液中，铂电极作为阴极，再次进行微弧氧化处理；在钛表面得到含有钙、磷的多层次孔结构。该方法通过分步微弧氧化技术在钛表面制备出不同尺寸孔的多层次孔结构，以为成骨细胞的深入生长提供空间，同时将电解液中的钙、磷元素同时引入锐钛矿TiO₂中，使得钛植入材料具有良好的生物活性和生物相容性。

Description

一种钛表面含有钙磷的多层次孔结构的制备方法

技术领域

本发明主要涉及生物材料技术领域，更具体的说，是涉及一种钛表面含有钙磷的多层次孔结构的制备方法。

背景技术

作为生物医用金属材料，钛及钛合金具有无毒、比强度高、生物相容性好以及机械加工性能良好等一系列优点，可作为人体硬组织的替代物。但是钛及钛合金在结构和性质方面与骨组织还存在比较大的差别。它属于生物惰性材料,植入生物体后与骨骼之间只能形成简单的机械嵌合,而不能与周围骨组织形成强有力的化学性结合,容易造成植入体的松动甚至脱落。因此有必要对其表面进行改性处理，以改善钛及钛合金与周围骨组织之间的界面结合状态,对促进植入物与骨组织之间的早期结合具有十分重要的意义。

目前，对钛及钛合金进行表面改性处理主要从两个方面进行：

(1)表面微结构的仿生：已有大量研究表明植入体表面的多孔结构有利于提高植入体与骨组织之间的接触面积，增加植入体表面粗糙度，易于骨基质沉淀和成骨细胞在其表面的早期附着，骨组织能够沿着植入体表面的孔隙攀附生长，而孔的大小、形貌与结构对成骨细胞的贴附生长具有重要影响，直接决定了骨组织与种植体之间的结合力的大小。通常表面微孔的存在有利于新骨长入，纳米级孔隙则有利于蛋白质的吸附，有利于成骨细胞的突触深入其中，实现成骨细胞胞体的固定，促进成骨细胞粘附。细胞在沟槽结构的表面能够进行取向和排列，这一现象称为细胞培养的接触诱导，有利于细胞的贴壁和趋向生长。如果孔结构在垂直于基体表面呈现多层次性，将使植入材料与骨组织之间的接触面积大大增加。成骨细胞在表面先进行取向排列后，其伪足可再深入里层的孔隙中，这更有利于骨组织与植入体表面形成机械锁合而提高骨结合强度。

(2)材料表面活性组分的制备：钙、磷是成骨的必需元素，若膜层中含有一定数量的钙、磷成分，则可以提高成骨细胞合成蛋白质的能力，从而促进新骨的生长。已有大量研究表明锐钛矿具有很好的诱导类骨磷灰石矿化沉积的能力。

综上所述，对于钛的植入体来说，其表面若为含有一定数量钙、磷的锐钛矿相成分、在深入基体方向呈现多层次孔结构，这样的粗糙表面将是一种较为理想的表面形态。

目前，在对钛的表面的改性中有多种方法，其中微弧氧化具有其独特的优势，如陶瓷层是在基体上原位生成，不易从基体上脱落；微弧氧化层的特殊结构使其具有优良的耐腐蚀性能；在形状复杂的部件上能够形成均匀的膜层；可以通过对电解液的合理设计，使电解液中的溶质离子参与成膜；操作简单等。目前，微弧氧化已经用于对钛材料的表面改性中。通过对目前文献研究得知：微弧氧化所用电解液种类多样化，但欲使微弧氧化层中同时含有钙、磷元素，一般选用的电解液大多是以含有钙盐和磷盐的混合溶液(可能再含有其它添加剂)，但是钙离子和磷酸根离子在溶液中易生成沉淀，造成电解质的大量浪费，而且使得电解液的浓度不易控制，不易实现标准化生产。采用分别在磷盐和钙盐的电解液中进行微弧氧化是一种可选途径，将磷、钙分别引入膜层中，文献对此也有相关报道，但是基体材料是Ti-6Al-4V,基体不同,所选择的电解液的种类和浓度也会有所区别。而且所制备膜层虽然含有钙、磷元素，但是膜层相成分中没有生物活性好的锐钛矿成分，膜层在结构上也未能体现孔的层次性，距离植入体临床需要还有待改进。专利号为200910138585.2，发明名称为《一种钛合金表面制备生物活性涂层的方法》的专利文献公开了一种钛材料表面改性的方法，主要是在含有钙磷盐的混合电解液中进行单次的微弧氧化处理，得到基本上是单一的类似火山口状的圆形多孔形貌，而且在垂直于基体方向欠缺一定的层次结构，不利于成骨细胞深入植入体的内部。除了微弧氧化的方法，还有阳极氧化法，专利申请号为201410093637.X，发明名称为《一种医用钛表面载钙磷银纳米管阵列的制备方法》的专利文献公开了一种钛材料表面改性的方法，将钛片作为阳极置于NaF电解液中，电解液中板状石墨作为阴极进行阳极氧化处理；处理完毕后，从NaF电解液中取出钛片，作为阴极置于0.01-1M的AgNO₃电解液中，石墨电极作为阳极，进行阳极氧化处理，最终获得钛表面载钙、磷、银的纳米管阵列。这种纳米管结构也是垂直于钛基体表面，管的直径也是局限在纳米级范围，与周围骨组织之间的界面结合受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，提供一种集生物活性、诱导细胞生长的能力以及保证骨组织与植入体之间较高的结合强度于一体，综合性能良好的钛表面含有钙磷的多层次孔结构的制备方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种钛表面含有钙磷离子的多层次孔结构的制备方法，包括下述步骤：

将经打磨、清洗、晾干的医用纯钛片基体作为阳极置于0.05-0.4M的NaH₂PO₄·2H₂O电解液中，铂电极作为阴极，阴阳电极间距离为20-40mm，利用直流脉冲电源进行微弧氧化处理，反应电解液温度15-40℃、氧化电压为200-350V、氧化时间为0.3-1.5h，频率50-500Hz、占空比10-60％；处理完毕后，将钛片从NaH₂PO₄·2H₂O电解液中取出，经去离子水超声波清洗后，再作为阳极置于0.05-0.4M的(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液中，铂电极作为阴极，阴阳极间距为20-40mm，再次利用直流脉冲电源进行微弧氧化处理，反应电解液温度15-40℃，氧化电压为200-310V，氧化时间为0.3-1.5h，频率50-500Hz、占空比10-60％；经过上述两次微弧氧化处理在钛片表面得到含有钙、磷的多层次孔结构。

经过两次微弧氧化处理后获得的钛片经去离子水超声波冲洗、晾干。

所述的在NaH₂PO₄·2H₂O电解液中微弧氧化电压为270-300V,氧化时间为0.5-1h，电解液浓度为：0.1-0.2M，频率100-400Hz，占空比30-50％，反应电解液温度20-35℃。

所述的在(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液中微弧氧化电压为240-290V,氧化时间为0.5-1h，电解液浓度为：0.2-0.3M，频率100-400Hz，占空比30-50％，反应电解液温度20-35℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的方法采用纯钛作为基体，通过对电解液种类和浓度的合理选择，在含有磷盐和钙盐的电解液中分别进行微弧氧化，依次将磷、钙引入锐钛矿的氧化层中。特别是电压的选择最为重要，以试样表面开始起弧的电压为反应电压，避免试样表面剧烈放电现象的发生。重点通过对电压的控制，实现对试样表面的温度控制，使得在醋酸钙电解液环境中，部分微弧氧化产生的孔能够延迟冷却，多个孔相连变长成为沟槽状，并且多孔膜层不断向钛基体方向发展，最终成功在钛表面实现形貌和尺寸多样化的多层次孔结构。所得膜层结构为钛提供一种更加理想的生物材料表面。含有钙、磷的锐钛矿表面可以提高成骨细胞合成蛋白质的能力，从而促进新骨的生长，使得材料具有很好的生物活性。孔形貌和尺寸的多样化将为骨组织和成骨细胞提供不同的生长空间。多层次孔结构大大提高植入体的表面积，成骨细胞在表面先进行取向排列后，其伪足可再深入里层的孔隙中，从而起到固定成骨细胞胞体，促进成骨细胞粘附的目的，从而提高了细胞与基质材料之间的作用力，改善了与周围骨组织之间的界面结合状态。综上所述，本发明所得的材料集生物活性、诱导细胞生长的能力以及保证骨组织与植入体之间较高的结合强度于一体，获得了综合性能良好的钛植入材料，具有较大的临床应用前景。

2、本发明的方法依次在含有磷盐、钙盐的电解液中对钛进行微弧氧化处理，使得电解液的浓度能够得到有效控制，电解液得到充分利用，有利于进行标准化生产。

3、通过本发明的方法，在钛表面制备的膜层特征如下：(1)膜层全部由生物活性好的锐钛矿型TiO₂构成；(2)膜层中含有钙、磷两种元素，进一步提高钛表面的生物活性；(3)三维分布的膜层孔结构在垂直于基体方向呈现多层次性，有利于细胞向植入体的内部深入生长。(4)孔的形貌和尺寸多样化，即膜层表面由10μm左右的沟槽状孔、几个微米和小至近纳米级的圆孔构成。微米级的孔有利于对蛋白质的吸附，微米级孔多样化的形貌和尺寸在一段程度上可同时向骨组织、骨细胞提供生长空间，这种多极孔结构能够为细胞生长提供良好条件。综上所述，本方法制备的膜层是集生物活性、诱导细胞生长的能力以及保证骨组织与植入体之间较高的结合强度于一体，综合性能良好孔结构。

附图说明

图1所示为实施例1中制得的钛片试样表面的扫描电镜照片；

图2所示为实施例1中制得的钛片试样表面的高倍放大图；

图3所示为对实施例1中制得的钛片试样进行XRD分析结果；

图4所示为对实施例1中制得的钛片试样进行XPS分析获得的元素图谱；

图5所示为实施例1中制得的钛片试样浸于模拟体液中7天获得的扫描电镜照片；

图6所示为实施例1中制得的钛片试样浸于模拟体液中7天后的XRD分析结果；

图7所示为在实施例1中制得的钛片试样表面培养成骨细胞，所得的细胞形貌照片；

图8所示为未处理的医用纯钛试样表面培养成骨细胞，所得的细胞形貌照片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

(1)称取0.05mol的NaH₂PO₄·2H₂O粉体，溶于500ml的去离子水中，磁力搅拌均匀后获得浓度为0.1M的NaH₂PO₄·2H₂O电解液。再称取0.1mol的(CH₃COO)₂Ca·H₂O粉体溶于500ml离子水中，磁力搅拌均匀后获得浓度为0.2M的(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液。

(2)医用纯钛片(型号为：TA2，尺寸为10mm×10mm×1mm)经砂纸打磨后，再用乙醇和去离子水超声波清洗，然后作为阳极置于0.1M的NaH₂PO₄·2H₂O电解液中，此时铂电极(其尺寸为30mm×30mm×1mm)作为阴极，阴阳极间距为30mm。通过直流脉冲电源装置进行微弧氧化处理，其工艺参数为电压300V、氧化时间0.5h、频率100Hz、占空比50％、温度为25℃。处理完毕后，从电解液中取出钛片，经去离子水冲洗，静置晾干，再置于0.2M(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液中，钛片作为阳极，铂电极作为阴极，阴阳极间距为30mm，再次利用上述直流脉冲电源装置进行微弧氧化处理，此时工艺参数为电压290V、氧化时间0.5h、频率100Hz、占空比50％、温度为25℃。最终获得的钛片试样经去离子水超声波冲洗后，空气中静置备用。

得到的钛片试样表面的扫描电镜照片如图1所示，高倍放大图如图2所示，从图1和图2中可以看出，膜层表面由10μm左右的沟槽状孔、几个微米和小至近纳米级的圆孔构成，微米级的孔有利于对蛋白质的吸附，微米级孔多样化的形貌和尺寸在一段程度上可同时向骨组织、骨细胞提供生长空间。这种多极孔结构能够同时为细胞生长提供良好条件。在垂直于钛基体方向呈现多层次结构，有利于营养物质的深入输送，促进细胞向植入体的内部深入生长，从而增加骨组织和植入体之间的结合力。对膜层进行X射线衍射分析，结果表明膜层全部由生物活性好的锐钛矿型TiO₂构成，如图3所示。采用XPS考察钛片表面的化学元素的种类，结果如图4所示，微弧氧化层中含有Ti、O、Ca、P元素，说明在微弧氧化过程中，电解液中的钙、磷元素进入了微弧氧化层。钙、磷两种元素的存在能够进一步提高钛表面的生物活性。

经微弧氧化处理后的钛片试样浸于模拟体液7天后，获得的扫描电镜照片如图5所示，多层次的孔结构基本被一层网络状结构的沉积物覆盖。经XRD分析证实钛片表面覆盖的沉积物为羟基磷灰石，如图6所示，说明钛片经过处理后能够很好地诱导类骨磷灰石在其表面的沉积，生物活性良好。

在经过处理的钛片表面进行成骨细胞的培养7天后所得的细胞形貌如图7所示，细胞可以在材料表面形成大量附着，细胞结构更加清晰，细胞伸出大量伪足，有的伪足趋向伸入周围孔隙，伪足之间相连形成网状结构，形态更加舒展。细胞在其表面的生长、增殖状态良好，细胞伸出大量伪足，表明材料有较好的生物相容性。而未处理的纯钛表面成骨细胞生长状态欠佳，如图8所示，在视野范围内细胞的数量很少，细胞大致沿着试样表面的抛光纹路分布,可以说明较光滑或者有方向的钛表面并不利于细胞在其上的生长，不利于种植体与骨的结合。

由上述实验结果可知，经本工艺处理后的钛片具有良好的生物活性和生物相容性，能够很好地诱导细胞在其表面的生长。

实施例2：

(1)称取0.1mol的NaH₂PO₄·2H₂O粉体，溶于500ml的去离子水中，磁力搅拌均匀后获得浓度为0.2M的NaH₂PO₄·2H₂O电解液。再称取0.15mol的(CH₃COO)₂Ca·H₂O粉体溶于500ml离子水中，磁力搅拌均匀后获得浓度为0.3M的(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液。

(2)医用纯钛片(型号为：TA2，尺寸为10mm×10mm×1mm)经砂纸打磨后，再用乙醇和去离子水超声波清洗，然后作为阳极置于0.2M的NaH₂PO₄·2H₂O电解液中，此时铂电极(其尺寸为30mm×30mm×1mm)作为阴极，阴阳极间距为30mm。通过直流脉冲电源装置进行微弧氧化处理，其工艺参数为电压270V、氧化时间0.5h、频率100Hz、占空比50％、温度为30℃。处理完毕后，从电解液中取出钛片，经去离子水冲洗，静置晾干，再置于0.3M(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液中，钛片作为阳极，铂电极作为阴极，阴阳极间距为30mm，再次利用上述直流脉冲电源装置进行微弧氧化处理，此时工艺参数为电压250V、氧化时间0.5h、频率100Hz、占空比50％、温度为30℃。最终获得的钛片试样经去离子水超声波冲洗后，空气中静置备用。

进行与实施例1相同的性能检测发现，膜层表面由10μm左右的沟槽状孔、几个微米和小至近纳米级的圆孔构成。这种多极孔结构能够为细胞生长提供良好条件。在垂直于钛基体方向呈现多层次结构，有利于营养物质的深入输送，促进细胞向植入体的内部深入生长，从而增加骨组织和植入体之间的结合力。对膜层进行X射线衍射分析，结果表明膜层全部由生物活性好的锐钛矿型TiO₂构成。采用XPS考察钛片表面的化学元素的种类，结果表明微弧氧化层中含有Ti、O、Ca、P元素，说明在微弧氧化过程中，电解液中的钙、磷元素进入了微弧氧化层。钙、磷两种元素的存在能够进一步提高钛表面的生物活性。经微弧氧化处理后的钛片试样浸于模拟体液7天后，多层次的孔结构基本被一层网络状结构的沉积物覆盖。经XRD分析证实钛片表面覆盖的沉积物为羟基磷灰石，说明钛片经过处理后能够很好地诱导类骨磷灰石在其表面的沉积，生物活性良好。在经过处理的钛片表面进行成骨细胞的培养后发现，细胞可以在材料表面形成大量附着，细胞结构更加清晰，细胞伸出大量伪足，有的伪足趋向伸入周围孔隙，伪足之间相连形成网状结构，形态更加舒展。细胞在其表面的生长、增殖状态良好，细胞伸出大量伪足，表明材料有较好的生物相容性。而未处理的纯钛表面成骨细胞生长状态欠佳，在视野范围内细胞的数量很少，细胞大致沿着试样表面的抛光纹路分布,可以说明较光滑或者有方向的钛表面并不利于细胞在其上的生长，不利于种植体与骨的结合。由上述实验结果可知，经本工艺处理后的钛片具有良好生物活性和生物相容性，能够很好地诱导细胞在其表面的生长。

实施例3：

(1)称取0.075mol的NaH₂PO₄·2H₂O粉体，溶于500ml的去离子水中，磁力搅拌均匀后获得浓度为0.15M的NaH₂PO₄·2H₂O电解液。再称取0.1mol的(CH₃COO)₂Ca·H₂O粉体溶于500ml离子水中，磁力搅拌均匀后获得浓度为0.2M的(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液。

(2)医用纯钛片(型号为：TA2，尺寸为10mm×10mm×1mm)经砂纸打磨后，再用乙醇和去离子水超声波清洗，然后作为阳极置于0.15M的NaH₂PO₄·2H₂O电解液中，此时铂电极(其尺寸为30mm×30mm×1mm)作为阴极，阴阳极间距为30mm。通过直流脉冲电源装置进行微弧氧化处理，其工艺参数为电压280V、氧化时间1h、频率100Hz、占空比50％、温度为20℃。处理完毕后，从电解液中取出钛片，经去离子水冲洗，静置晾干，再将试样置于0.2M(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液中，钛片作为阳极，铂电极作为阴极，阴阳极间距为30mm，再次利用上述直流脉冲电源装置进行微弧氧化处理，此时工艺参数为电压270V、氧化时间1h、频率100Hz、占空比50％、温度为20℃。最终获得的钛片试样经去离子水超声波冲洗后，空气中静置备用。

进行与实施例1相同的性能检测发现，膜层表面由10μm左右的沟槽状孔、几个微米和小至近纳米级的圆孔构成。这种多极孔结构能够为细胞生长提供良好条件。在垂直于钛基体方向呈现多层次结构，有利于营养物质的深入输送，促进细胞向植入体的内部深入生长，从而增加骨组织和植入体之间的结合力。对膜层进行X射线衍射分析，结果表明膜层全部由生物活性好的锐钛矿型TiO₂构成。采用XPS考察钛片表面的化学元素的种类，结果表明微弧氧化层中含有Ti、O、Ca、P元素，说明在微弧氧化过程中，电解液中的钙、磷元素进入了微弧氧化层。钙、磷两种元素的存在能够进一步提高钛表面的生物活性。经微弧氧化处理后的钛片试样浸于模拟体液7天后，多层次的孔结构基本被一层网络状结构的沉积物覆盖。经XRD分析证实钛片表面覆盖的沉积物为羟基磷灰石，说明钛片经过处理后能够很好地诱导类骨磷灰石在其表面的沉积，生物活性良好。在经过处理的钛片表面进行成骨细胞的培养7天后发现，细胞可以在材料表面形成大量附着，细胞结构更加清晰，细胞伸出大量伪足，有的伪足趋向伸入周围孔隙，伪足之间相连形成网状结构，形态更加舒展。细胞在其表面的生长、增殖状态良好，细胞伸出大量伪足，表明材料有较好的生物相容性。而未处理的纯钛表面成骨细胞生长状态欠佳，在视野范围内细胞的数量很少，细胞大致沿着试样表面的抛光纹路分布,可以说明较光滑或者有方向的钛表面并不利于细胞在其上的生长，不利于种植体与骨的结合。由上述实验结果可知，经本工艺处理后的钛片具有良好生物活性和生物相容性，能够很好地诱导细胞在其表面的生长。

本发明的方法通过分步微弧氧化技术将电解液中的钙、磷元素引入锐钛矿TiO₂中，使得钛植入材料具有良好的生物活性和生物相容性。多层次孔结构有利于增加骨组织与种植体之间结合力，同时达到对钛基体进行结构和成分改性的目的，获得综合性能良好的钛植入体材料，具有较大的临床使用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种钛表面含有钙磷的多层次孔结构的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

以经打磨、清洗、晾干的医用纯钛片基体作为阳极置于0.15-0.2M的NaH₂PO₄·2H₂O电解液中，铂电极作为阴极，阴阳电极间距离为30mm，利用直流脉冲电源进行微弧氧化处理，反应电解液温度为20-30℃、氧化电压为270-300V、氧化时间为0.5-1h，频率100Hz、占空比50％；处理完毕后，将钛片从NaH₂PO₄·2H₂O电解液中取出，经去离子水超声波清洗后，再作为阳极置于0.2-0.3M的(CH₃COO)₂Ca·H₂O电解液中，铂电极作为阴极，阴阳极间距为30mm，再次利用直流脉冲电源进行微弧氧化处理，反应电解液温度20-30℃，氧化电压为200-310V，氧化时间为0.5-1h，频率100Hz、占空比50％；经过上述两次微弧氧化处理在钛片表面得到含有钙、磷的多层次孔结构。

2.根据权利要求1所述的钛表面含有钙磷的多层次孔结构的制备方法，其特征在于，经过两次微弧氧化处理后获得的钛片经去离子水超声波冲洗、晾干。