CN105060280A - 一种钛或钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛或钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：在金属基底上生长石墨烯薄膜，得到石墨烯薄膜/金属基底材料；在石墨烯薄膜/金属基底材料上覆盖一层塑料膜，得到塑料膜/石墨烯薄膜/金属基底材料；然后再将塑料膜/石墨烯薄膜/金属基底材料置入金属溶解介质中使得金属基底溶解，得到塑料膜/石墨烯薄膜材料；将塑料膜/石墨烯薄膜材料清洗干净后，将塑料膜/石墨烯薄膜材料的石墨烯薄膜所在的一面贴在钛或钛合金表面，自然干燥12小时后放入烘干，得到塑料膜/石墨烯薄膜/钛或钛合金材料。使得石墨烯涂层后的钛或钛合金植入体相比于没有石墨烯涂层的钛或钛合金植入体更适合作为医学植入材料。

Description

一种钛或钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于医用材料领域，涉及钛或钛合金，具体涉及一种钛或钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术

生物医用金属材料应用于人体内植入已有近400余年的历史，最开始人们用金、银、铜、铁以及铁基合金固定骨折。第二次世界大战期间，随着临床治疗的需求扩大，人们采用了大量的不锈钢、钴基合金和钽等抗腐蚀性能强、组织反应小的人体植入件。随着金属工业的发展，钛及其合金以其质量轻，弹性模量与骨接近而被广泛推广。研究证明，钛及钛合金制造支架具有强度高，表面光滑、耐磨损、耐腐蚀，永久修复等优点，大量临床应用证明，钛及钛合金作为人体植入件的力学效果是最好的，其中尤以钛合金Ti-6Al-4V应用最多，约占所有钛合金制品的80％。但是作为一种植入材料，虽然钛合金与组织的反应小，不易产生排斥反应，但是为了更加有效的恢复植入区域的功能，提高钛合金表面的生物相容性就显得十分必要。

石墨烯，作为一种sp2碳原子组成的新型二维纳米材料，它有着卓越的物理性能：石墨烯只有一个碳原子的厚度，是最薄的材料但由于石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，在外力作用下不易破坏，其力学强度达到了0.5–1TPa，是已知的材料中力学强度最大的；电子在石墨烯上迁移速度比其在导电性能最好的硅片上的速度高出百倍，在物理学方面石墨烯被广泛用于改善电子产品的导电性能。在生物医学领域石墨烯依旧有着不俗的表现。研究发现，石墨烯生物毒性低；具有良好的生物相容性；其表面活性强并且有一定的抗菌作用。在医学领域，目前石墨烯及其衍生已经在抗菌材料、靶向药物运输、生物监测和肿瘤治疗等方面显示出了良好的应用前景。研究发现，石墨烯对基质干细胞作用十分明显，主要是能够促进基质干细胞的增殖和分化，有大量研究报告表明石墨烯涂层的生物材料相对于没有石墨烯涂层的材料能够促进具有分化功能的基质干细胞向成骨、成神经元、成脂、成心肌细胞以及成牙周韧带细胞等方面分化。

现有技术中公开了一些钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法，：将医用钛合金进行放入piranha溶液中进行羟基化处理，然后放入氨基硅烷溶液中自组装硅烷薄膜；将氧化石墨烯粉末超声处理为稳定的氧化石墨烯胶体；将表面附有硅烷薄膜的钛合金浸入氧化石墨烯胶体中制备硅烷-氧化石墨烯薄膜；最后利用氢卤酸还原氧化石墨烯薄膜，干燥后得到还原氧化石墨烯复合薄膜。该方法工艺复杂，化学反应步骤多，操作难度大。

现有技术中公开了一种在钛合金基片表面制备稀土改性还原氧化石墨烯复合薄膜的方法，首先，将清洗后的钛合金片在氢氧化钠水溶液中进行羟基化处理；其次，在其表面采用自组装法制备硅烷薄膜；然后，将钛合金基片放入稀土改性的氧化石墨烯分散液中，在其表面制备稀土改性氧化石墨烯复合薄膜；最后，加热还原氧化石墨烯薄膜，制备成稀土改性还原氧化石墨烯复合薄膜。通过浸渍的方法获得石墨烯薄膜，膜的均匀性难以得到保障。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法，提供了一种生物相容性材料的全新的制备方法。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种钛或钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，在金属基底上生长石墨烯薄膜，得到石墨烯薄膜/金属基底材料；

步骤二，在石墨烯薄膜/金属基底材料上覆盖一层塑料膜，得到塑料膜/石墨烯薄膜/金属基底材料；

步骤三，然后再将塑料膜/石墨烯薄膜/金属基底材料置入金属溶解介质中使得金属基底溶解，得到塑料膜/石墨烯薄膜材料；

步骤四，将塑料膜/石墨烯薄膜材料清洗干净后，将塑料膜/石墨烯薄膜材料的石墨烯薄膜所在的一面贴在钛或钛合金表面，自然干燥12小时后放入烘干，得到塑料膜/石墨烯薄膜/钛或钛合金材料。

步骤五，将烘干后的塑料膜/石墨烯薄膜/钛或钛合金材料放入塑料溶解介质中溶解掉塑料膜，清洗烘干后得到石墨烯薄膜/钛或钛合金材料。

本发明还具有如下区别技术特征：

优选的，所述的金属基底为铜基底。

具体的，所述的金属基底为铜基底时步骤一的具体CVD法步骤为：

步骤1.1，将厚度0.25μm的铜片，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声洗涤10min后放于60℃的烘箱烘干；

步骤1.2，将超声洗涤后的铜片放入真空炉反应炉的石英管中，温度保持恒定，连接好真空高温反应炉的通气管之后先通入氩气，调节氩气流量为200sccm持续加入氩气2min后开始加热，升温速率为10℃/min；

步骤1.3，调节真空炉中心温度至1000℃，以65sccm的流量加入氢气缓慢退火，保持氩气的流量不变，20min后，保持氩气和氢气的流量的基础上，通入50sccm的甲烷气体，10min后关闭氢气和甲烷气体，并持续通入氩气，以10℃/min的速率缓慢降温，待温度恢复室温后将真空炉中生长有石墨烯的铜片取出，得到石墨烯薄膜/铜基底材料。

优选的，所述的塑料膜为PMMA。

具体的，所述的塑料膜为PMMA时，步骤二的具体步骤为：

步骤2.1，在无尘及有通风设备的室内，将石墨烯薄膜/金属基底材料粘贴于旋涂离心机的托盘上，将质量浓度为7％的PMMA的异丙醇溶液用移液器均匀涂于金属基底的石墨烯薄膜表面；

步骤2.2，调节旋涂离心机转速为3000r/min，旋涂20秒后放于真空150℃的烤箱中固胶15min，得到PMMA/石墨烯薄膜/金属基底材料。

优选的，所述的金属溶解介质为FeCl₃溶液。

优选的，所述的金属溶解介质的浓度为1mol/L。

具体的，所述的步骤四的具体过程为：将塑料膜/石墨烯薄膜材料用载玻片转移至去离子水中，清洗残留的金属溶解介质，再将塑料膜/石墨烯薄膜材料用物理吸附的方式转移到钛或钛合金表面，自然干燥12小时后放入烘干，得到塑料膜/石墨烯薄膜/钛或钛合金材料。

优选的，所述的塑料溶解介质为丙酮。

钛合金包括：Ti₆Al₄V、Ti₆Al_2.5Sn、ELITi₆Al₄V等合金；还包括α+β钛合金，如Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、i-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20～0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20；β钛合金，如TMZFTM(TI-12Mo-^Zr-2Fe)、Ti-13Nb-13Zr、Timetal21SRx(TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si)、Tiadyne1610(Ti-16Nb-9.5Hf)和Ti-15Mo。

钛合金制造的假体包括：钛合金内核陶瓷骨、人造髋关节、人造肩关节、人造膝关节、钛合金烤瓷牙以及钛合金支架。

优选的，所述的钛合金为植入级的医用金属钛合金Ti₆Al₄V。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本申请提供了一种全新的钛或钛合金石墨烯薄膜的制备方法，通过膜转移的方式实现石墨烯薄膜的制备，与其他制备方法相比，该方法的优点为工艺简单，可操作性强，首先在铜基底上生长薄膜，并且通过气相沉积法，使得石墨烯薄膜的均匀性能够得到保障，转移到钛或钛合金上时的石墨烯薄膜的均匀性也就得到了保证。

与没有经过石墨烯涂层的钛或钛合金相比，将石墨烯均匀的涂层在钛或钛合金表面后能够很好地提高钛或钛合金的耐磨性；提高钛或钛合金植入材料的生物相容性；提高钛或钛合金植入材料促进基质干细胞增殖和分化的特性。使得石墨烯涂层后的钛或钛合金植入体相比于没有石墨烯涂层的钛或钛合金植入体更适合作为医学植入材料。

附图说明

图1是纯钛的SEM图。

图2是石墨烯薄膜/Ti材料的SEM图。

图3是钛合金Ti₆Al₄V的SEM图。

图4是石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料的SEM图。

图5至图7为三个石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料的拉曼光谱。

图8是空白纯钛的DAPI染色图。

图9是石墨烯薄膜/Ti材料的DAPI染色图。

图10是空白钛合金Ti₆Al₄V的DAPI染色图。

图11是石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料的DAPI染色图。

图12至图15是石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料表面接种细胞后的SEM图。

图16至图19是石墨烯薄膜/Ti材料表面接种细胞后的SEM图。

图20和图21是大鼠的骨髓基质干细胞在石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料的免疫染色图。

图22是大鼠的骨髓基质干细胞在石墨烯薄膜/Ti材料的免疫染色图。

图23是基于石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料的Micro-CT测试图。

图24是基于石墨烯薄膜/Ti材料的Micro-CT测试图。

图25和图26是CVD法在钛合金基底上生长石墨烯后的拉曼光谱。

图27和图28是CVD法在钛合金基底上生长石墨烯后的SEM图。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例给出一种钛或钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，在铜基底上生长石墨烯薄膜，具体步骤为：

步骤1.1，将厚度0.25μm的铜片，修剪成5×5cm²大小的铜片，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声洗涤10min后放于60℃的烘箱烘干；

步骤1.2，将超声洗涤后的铜片放入真空炉反应炉的石英管中，温度保持恒定，连接好真空高温反应炉的通气管之后先通入氩气，调节氩气流量为200sccm(1sccm＝1ml/min)持续加入氩气2min后开始加热，升温速率为10℃/min；

步骤1.3，调节真空炉中心温度至1000℃，以65sccm的流量加入氢气缓慢退火，保持氩气的流量不变，20min后，保持氩气和氢气的流量的基础上，通入50sccm的甲烷气体，10min后关闭氢气和甲烷气体，并持续通入氩气，以10℃/min的速率缓慢降温，待温度恢复室温后将真空炉中生长有石墨烯的铜片取出，得到石墨烯薄膜/铜基底材料。

步骤二，在石墨烯薄膜/金属基底材料上覆盖一层PMMA(聚丙烯酸甲酯)，具体过程为：

步骤2.1，在无尘及有通风设备的室内，将石墨烯薄膜/金属基底材料粘贴于旋涂离心机的托盘上，将质量浓度为7％的PMMA的异丙醇溶液用移液器均匀涂于金属基底的石墨烯薄膜表面；

步骤2.2，调节旋涂离心机转速为3000r/min，旋涂20秒后放于真空150℃的烤箱中固胶15min，得到PMMA/石墨烯薄膜/金属基底材料。

步骤三，然后再将塑料膜/石墨烯薄膜/金属基底材料置入1mol/L的FeCl3溶液中，单面的铜基底石墨烯应注意将涂有PMMA的一面朝上，溶解12～24小时，使得铜基底溶解，得到PMMA/石墨烯薄膜材料；

步骤四，将PMMA/石墨烯薄膜材料用载玻片转移至去离子水中，清洗残留的金属溶解介质，清洗干净后，再将塑料膜/石墨烯薄膜材料用物理吸附的方式转移到植入级的医用金属钛合金Ti₆Al₄V表面，使得石墨烯薄膜所在的一面贴在钛合金表面，自然干燥12小时后放入烘干，得到PMMA/石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料。

步骤五，将烘干后的PMMA/石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料放入丙酮中24～48小时，溶解掉PMMA，清洗烘干后得到石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料。

上述步骤中的烘干温度一般为60℃。

上述过程将Ti₆Al₄V更换为Ti，效果也一样。

以下是本实施例的石墨烯薄膜/Ti₆Al₄V材料相关生物相容性的描述：

(A)石墨烯涂层的稳定性的测定：将石墨烯涂层修饰的钛合金(Ti₆Al₄V)及纯钛(Ti)置入PBS的烧杯中，并放置于超声机中，设置超声洗涤剂的功率为200W，频率40kHz。超声1小时后取出，在摇床上利用去离子水清洗支架并干燥。之后进行拉曼光谱及扫描电镜检测。

石墨烯涂层前后扫描电镜检测：将石墨烯涂层的钛合金(Ti₆Al₄V)及纯钛(Ti)与无石墨烯涂层的钛合金(Ti₆Al₄V)及纯钛(Ti)，比较石墨烯涂层前后钛合金(Ti₆Al₄V)及纯钛(Ti)表面形态改变如图1至图4所示。

拉曼光谱检测：分别测量生长石墨烯的铜片、随机选取石墨烯涂层金属各3个样本、空白金属各3个样本，并随机选取各个样本上10个区域进行拉曼光谱的检测。石墨烯在拉曼光谱结果中会出现特征性的1580波段的G峰和2700波段的2D峰。如图5至图7所示。

(B)DAPI(4`,6-diamidino-2-phenylindole，4`,6-二脒基-2-苯基吲哚)染色观察细胞在金属材料上的增殖情况：P3-P5代骨髓基质干细胞接种于材料上后，加入2ml含10％胎牛血清的DMEM培养基，并按DAPI：DMEM＝1：20的比例加入10ug/ml的DAPI染液。因DAPI可以特异的结合核酸，将细胞核染成蓝色，并且DAPI的细胞毒性低。细胞可以在染完DAPI后继续增殖传代，并将DAPI染液传给下一代，在荧光倒置显微镜下可以持续观察细胞在金属上的增殖情况。如图8至11所示。

(C)扫描电镜观察细胞形态：按104/孔的密度接种P3-P5代的BMSCs到实验组与对照组的金属材料上(降低接种密度是为了更清晰的在SEM下观察单个细胞的形态)。在细胞培养1天、3天时将24孔板中的培养基移除，PBS清洗。用体积分数为2.5％的戊二醛固定细胞。将固定液加入24孔板后放于4℃过夜。隔夜后实验组与对照组材料上细胞固定好后，用蒸馏水清洗3遍，清洗后的韧带材料依次经过30％、50％、70％、90％、100％、100％的梯度酒精脱水后将材料放于烘箱中干燥。因石墨烯及钛合金(Ti₆Al₄V)及纯钛(Ti)导电性良好故无需喷金直接用扫描电镜对实验组与对照组的材料进行扫描并拍照，比较实验组与对照组材料上细胞的生长状态、粘附情况。如图12至15和图16至19所示。

(D)大鼠的骨髓基质干细胞在石墨烯涂层的钛合金(Ti₆Al₄V)及纯钛(Ti)上的免疫染色：大鼠的骨髓基质干细胞在材料上接种1天后进行粘附斑、细胞骨架、细胞核的染色。骨髓基质干细胞的细胞核被DAPI染为蓝色，细胞骨架被鬼笔环肽染成红色，粘附斑蛋白被抗体染成绿色，将三种染色合成后，比较实验组与对照组的细胞伸展，细胞的投影面积及粘附斑蛋白的积分光密度。如图20至22所示。

(D)Micro-CT测试：分别在术后的4周、12周、24周三个时间点上随机的处死3只兔子。将兔子股骨髁取出并标记清楚后放于质量分数为80％的乙醇中固定2周。固定2周后对兔子股骨做Micro-CT检测，通过VGSstudio软件进行三维重建，检测金属周围500um范围的感兴趣区域。通过软件测量该区域骨体积/总体积(BV/TV，％),骨表面积/骨体积(BS/BV，1/mm),骨小梁厚度(Tb.Th,mm),骨小梁数量(TbN，1/mm)和骨小梁间距(Tb.Sp，mm)。如图23和图24所示。

对比例：

本对比例给出一种失败案例，通过CVD法在钛合金上镀石墨烯薄膜，具体过程如下：

(1)将厚度5mm直径为5mm大小的钛合金，依次用丙酮、无水乙醇各超声洗涤10min后放于60℃的烘箱烘干。

(2)将超声洗涤后的钛合金片放入真空炉反应炉石英管中的工作区内，保证中心区域受热均匀，温度保持恒定，连接好真空高温反应炉的通气管之后先通入氩气(Ar)，调节Ar流量为200sccm(1sccm＝1ml/min)持续加入Ar气体2min后开始加热，升温速率为10℃/min。

(3)调节真空炉中心温度至1000℃(设定这个温度为C02)，以65sccm的流量加入H₂，保持Ar气体的流量不变。20min(T02)后，保持Ar和H₂气体的流量的基础上，通入50sccm的甲烷(CH₄)气体。10min后关闭H₂和CH₄气体，并持续通入Ar气体，以10℃/min的速率缓慢降温。待5小时温度恢复室温真空炉停止工作后后将真空炉中生长有石墨烯的钛合金片取出。

本申请在研发过程中试着以铜基地为衬底生长石墨烯的热壁腔CVD法的条件在钛合金的衬底上生长石墨烯。以及在调整升温时间(T01)，生长温度(C02)，保温时间(T02)，腔内压强等各种不同的条件下，一个月的时间在钛合金基地生长石墨烯，经光学显微镜，扫描电镜，拉曼光谱检测后认为，通过CVD法在钛合金基地上生长石墨烯难以实现。如图25至图28所示。

Claims (10)

1.一种钛或钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一，在金属基底上生长石墨烯薄膜，得到石墨烯薄膜/金属基底材料；

步骤二，在石墨烯薄膜/金属基底材料上覆盖一层塑料膜，得到塑料膜/石墨烯薄膜/金属基底材料；

步骤三，然后再将塑料膜/石墨烯薄膜/金属基底材料置入金属溶解介质中使得金属基底溶解，得到塑料膜/石墨烯薄膜材料；

步骤四，将塑料膜/石墨烯薄膜材料清洗干净后，将塑料膜/石墨烯薄膜材料的石墨烯薄膜所在的一面贴在钛或钛合金表面，自然干燥12小时后放入烘干，得到塑料膜/石墨烯薄膜/钛或钛合金材料。

步骤五，将烘干后的塑料膜/石墨烯薄膜/钛或钛合金材料放入塑料溶解介质中溶解掉塑料膜，清洗烘干后得到石墨烯薄膜/钛或钛合金材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的金属基底为铜基底。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的金属基底为铜基底时步骤一的具体步骤为：

步骤1.1，将厚度0.25μm的铜片，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声洗涤10min后放于60℃的烘箱烘干；

步骤1.2，将超声洗涤后的铜片放入真空炉反应炉的石英管中，温度保持恒定，连接好真空高温反应炉的通气管之后先通入氩气，调节氩气流量为200sccm持续加入氩气2min后开始加热，升温速率为10℃/min；

步骤1.3，调节真空炉中心温度至1000℃，以65sccm的流量加入氢气缓慢退火，保持氩气的流量不变，20min后，保持氩气和氢气的流量的基础上，通入50sccm的甲烷气体，10min后关闭氢气和甲烷气体，并持续通入氩气，以10℃/min的速率缓慢降温，待温度恢复室温后将真空炉中生长有石墨烯的铜片取出，得到石墨烯薄膜/铜基底材料。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的塑料膜为PMMA。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的塑料膜为PMMA时，步骤二的具体步骤为：

步骤2.1，在无尘及有通风设备的室内，将石墨烯薄膜/金属基底材料粘贴于旋涂离心机的托盘上，将质量浓度为7％的PMMA的异丙醇溶液用移液器均匀涂于金属基底的石墨烯薄膜表面；

步骤2.2，调节旋涂离心机转速为3000r/min，旋涂20秒后放于真空150℃的烤箱中固胶15min，得到PMMA/石墨烯薄膜/金属基底材料。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的金属溶解介质为FeCl₃溶液。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的金属溶解介质的浓度为1mol/L。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤四的具体过程为：将塑料膜/石墨烯薄膜材料用载玻片转移至去离子水中，清洗残留的金属溶解介质，再将塑料膜/石墨烯薄膜材料用物理吸附的方式转移到钛或钛合金表面，自然干燥12小时后放入烘干，得到塑料膜/石墨烯薄膜/钛或钛合金材料。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的塑料溶解介质为丙酮。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的钛合金为植入级的医用金属钛合金Ti₆Al₄V。