CN105696054B - 一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法 - Google Patents

一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，包括如下步骤：步骤A）将纯钛打磨抛光，喷砂，超声清洗并干燥；步骤B）采用氢氟酸/硝酸混合液酸蚀，双蒸水超声清洗干燥，再经浓盐酸/浓硫酸混合酸酸蚀，双蒸水超声清洗并干燥，使钛表面形成微米结构；步骤C）将喷砂酸蚀后的纯钛在70℃~90℃水浴下进行氢氧化钙双氧水水热溶液反应0.5至24小时，形成含钙纳米薄片膜层，300℃~500℃处理1~3小时。本发明制备的样品可利用表面纳米薄片膜层及其所含的钙元素，增强与骨的相容和结合能力，有利于钛表面成骨细胞的粘附、增殖、分化，以提高钛的骨整合能力。同时，该方法工艺简单，易于加工，制备成本低廉。

Description

一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料领域。具体涉及一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法。
背景技术
钛具有良好的生物相容性，现今已被广泛应用于骨科、口腔科医疗领域以作为骨内的植入体。钛表面与骨组织之间形成快速且稳定的骨结合的关键取决于钛表面的理化性状和生物活性。有学者认为：材料表面的微米级形貌，有利于增加材料的比表面积，能促进钛表面成骨细胞的分化以及细胞外基质的矿化，并能提供细胞生长的支架，而纳米级形貌可增强成骨细胞合成或吸附细胞外基质中某些蛋白，进而促进细胞粘附。
有学者的研究表明，沉积钙离子的喷砂酸蚀钛种植体表面能促进成骨细胞的粘附、迁移、增殖，并且成骨细胞的分化和矿化更快。文献[Cheng M,Qiao Y,Qi W,etal.Calcium Plasma Implanted Titanium Surface with Hierarchical Microstructurefor Improving the Bone Formation.[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2015,7.]钛表面通过喷砂酸蚀和钙离子沉积形成钛种植体表面多级结构。但其表面没有形成纳米结构，且工艺复杂，制备成本高。
亦有学者用双氧水处理喷砂酸蚀后的纯钛，文献[王永,陈虹羽,张军梅,等.经双氧水处理后的纯钛片对成骨细胞表面附着及增殖活性的影响[J].山东医药,2008,48(17):12-13.]结果显示双氧水处理后的钛具有很好的生物相容性，可提高成骨细胞的早期粘附和增殖。但并没有在其表面修饰钙元素以进一步提高成骨细胞的分化和矿化能力。
现有技术在形成微米、纳米层结构和沉积钙离子的方法还存在不足，必须分为两步或仅形成微米、纳米层结构或沉积钙离子。
发明内容
解决的技术问题：本发明针对上述现有技术的不足，提供一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，本发明制备的纯钛样品兼具了微米结构、纳米结构以及钙元素修饰，并且仅通过一步完成钙离子沉积和双氧水处理，生成含钙纳米薄片膜层，工艺简单，易于加工，制备成本低廉。
技术方案：一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，依次包括如下步骤：
步骤A)将纯钛打磨抛光，喷砂，超声清洗并干燥；步骤B)采用氢氟酸/硝酸混合液酸蚀，双蒸水超声清洗干燥，再经浓盐酸/浓硫酸混合酸酸蚀，双蒸水超声清洗并干燥，使钛表面形成微米结构；步骤C)将喷砂酸蚀后的纯钛在70℃～90℃水浴温度下进行氢氧化钙双氧水水热溶液反应0.5至24小时，形成含钙纳米薄片膜层，300℃～500℃处理1～3小时。
步骤A)中纯钛试样抛光使用标号依次为600#，800#，1200#，1500#的砂纸由粗砂到细砂将纯钛逐级打磨抛光。
步骤A)中纯钛试样喷砂使用80目Al2O3砂，压力0.4MPa，距离1.5cm，喷砂15s。
步骤B)中氢氟酸/硝酸混合液按体积比为双蒸水:0.22wt.％HF:0.57wt.％HNO3＝1000:2:4。
步骤B)中浓盐酸/浓硫酸混合酸按体积比为双蒸水:37wt.％HCl:98wt.％H2SO4＝6:1:1。
步骤C)中所述的纯钛在70℃水浴温度下进行氢氧化钙双氧水水热溶液反应。
步骤C)中所述的反应溶液是氢氧化钙饱和溶液与30wt.％双氧水的混合溶液，其中30wt.％双氧水与氢氧化钙饱和溶液的体积比为1:5至1:1，反应时间为12小时，加热处理1小时，温度为450℃
有益效果：本发明工艺简单，成本低廉，纯钛表面兼具了微米结构、纳米结构以及钙元素修饰，丰富的纳米薄片膜层以及所含的钙元素均可增强钛与骨的相容和结合能力，有利于钛表面成骨细胞的粘附、增殖、分化，以提高钛的骨整合能力。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得的样本扫描电镜图(a：2000倍；b：10000倍)；
图2为本发明实施例2所制得的样本扫描电镜图(a：2000倍；b：10000倍)；
图3为本发明实施例3所制得的样本扫描电镜图(a：2000倍；b：10000倍)；
图4为本发明实施例1、2、3所测得的EDX图谱及所含主要元素百分比；
图5为以本发明实施例1、2为实验组，SLA(喷砂酸蚀钛片)为对照组，将MC3T3-E1成骨细胞系接种于其表面培养8小时后，所制得的激光共聚焦图片(a：SLA；b：实施例1；c：
实施例2)；
图6为以本发明实施例1、2为实验组，SLA(喷砂酸蚀钛片)为对照组，将MC3T3-E1成骨细胞系接种于其表面培养1、3、6天后，所测得细胞增殖CCK-8值柱状图，*表示存在显著性差异；
图7为以本发明实施例1、2为实验组，SLA(喷砂酸蚀钛片)为对照组，将MC3T3-E1成骨细胞系接种于其表面培养7、14天后，所测得的碱性磷酸酶(ALP)活性柱状图，*表示存在显著性差异。
具体实施方式
下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，包括以下步骤：
步骤A)纯钛预处理：使用标号依次为600#、800#、1200#、1500#的砂纸由粗到细将纯钛试样逐级打磨抛光。然后用双蒸水、无水乙醇、双蒸水超声清洗各5min，干燥待用。
步骤B)喷砂处理：对步骤A)中的纯钛试样表面采用80目Al2O3砂在0.4MPa压力下距离纯钛表面1.5cm喷砂15s。
步骤C)酸蚀处理：将步骤B)处理过的纯钛试样在硝酸、氢氟酸混合液中室温处理10min，混合酸配方为按体积比双蒸水:HF(0.22wt.％):HNO3(0.57wt.％)＝1000:2:4，双蒸水冲洗、超声15min，65℃烘干；再在盐酸/硫酸混合酸中80℃处理30min，混合酸配方为按体积比双蒸水:HCl(37wt.％):H2SO4(98wt.％)＝6:1:1，双蒸水冲洗、超声清洗15min，65℃烘干备用。
步骤D)水热处理：将在步骤C)处理过的纯钛试样在H2O2/Ca(OH)2混合溶液中70℃水浴处理12h，双蒸水冲洗，65℃烘干，450℃高温处理1小时。(混合液配方按体积比：Ca(OH)2饱和溶液:30wt.％双氧水＝1:1)。
实施例2
一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，包括以下步骤：
步骤A)纯钛预处理：使用标号依次为600#、800#、1200#、1500#的砂纸由粗到细将纯钛试样逐级打磨抛光。然后用双蒸水、无水乙醇、双蒸水超声清洗各5min，干燥待用。
步骤B)喷砂处理：对步骤A)中的纯钛试样表面采用80目Al2O3砂在0.4MPa压力下距离纯钛表面1.5cm喷砂15s。
步骤C)酸蚀处理：将步骤B)处理过的纯钛试样在硝酸、氢氟酸混合液中室温处理10min，混合酸配方为按体积比双蒸水:HF(0.22wt.％):HNO3(0.57wt.％)＝1000:2:4，双蒸水冲洗、超声15min，65℃烘干；再在盐酸/硫酸混合酸中80℃处理30min，混合酸配方为按体积比双蒸水:HCl(37wt.％):H2SO4(98wt.％)＝6:1:1，双蒸水冲洗、超声清洗15min，65℃烘干备用。
步骤D)水热处理：将在步骤C)处理过的纯钛试样在H2O2/Ca(OH)2混合溶液中70℃水浴处理12h，双蒸水冲洗，65℃烘干，450℃高温处理1小时。(混合液配方按体积比：Ca(OH)2饱和溶液:30wt.％双氧水＝5:1)。
实施例3
一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，包括以下步骤：
步骤A)纯钛预处理：使用标号依次为600#、800#、1200#、1500#的砂纸由粗到细将纯钛试样逐级打磨抛光。然后用双蒸水、无水乙醇、双蒸水超声清洗各5min，干燥待用。
步骤B)喷砂处理：对步骤A)中的纯钛试样表面采用80目Al2O3砂在0.4MPa压力下距离纯钛表面1.5cm喷砂15s。
步骤C)酸蚀处理：将步骤B)处理过的纯钛试样在硝酸、氢氟酸混合液中室温处理10min，混合酸配方为按体积比双蒸水:HF(0.22wt.％):HNO3(0.57wt.％)＝1000:2:4，双蒸水冲洗、超声15min，65℃烘干；再在盐酸/硫酸混合酸中80℃处理30min，混合酸配方为按体积比双蒸水:HCl(37wt.％):H2SO4(98wt.％)＝6:1:1，双蒸水冲洗、超声清洗15min，65℃烘干备用。
步骤D)水热处理：将在步骤C)处理过的纯钛试样在H2O2/Ca(OH)2混合溶液中70℃水浴处理30min，双蒸水冲洗，65℃烘干，450℃高温处理1小时。(混合液配方按体积比：Ca(OH)2饱和溶液:30wt.％双氧水＝1:1)。
用扫描电子显微镜观察实施例1、2、3，制得扫描电镜图片如图1、2、3(a：2000倍；b：10000倍)。结果表明实施例1、2、3均具有多级微纳米结构，其表面微观结构呈纳米薄片状。
用X射线能谱仪测定实施例1、2、3，制得EDX图谱及所含主要元素百分比表格如图4(a：实施例1；b：实施例2；c：实施例3)。结果表明实施例1、2、3均含有钙元素，且实施例2的钙含量高于实施例1、3。
实施例1、2为实验组，SLA(喷砂酸蚀钛片)为对照组，将MC3-T3-E1成骨细胞系在其表面培养8小时后，通过激光共聚焦显微镜制得激光共聚焦图片如图5(a：SLA；b：实施例1；c：实施例2)。表明MC3-T3-E1成骨细胞系在实施例1、2的表面较对照组具有更好的促进细胞粘附的作用。
实施例1、2为实验组，SLA(喷砂酸蚀钛片)为对照组，将MC3-T3-E1成骨细胞系在其表面培养1、3、6天后，采用CCK－8试剂盒检测细胞增殖。图6结果表明，实施例1、2的表面较对照组具有更好的促进细胞增殖的作用。
实施例1、2为实验组，SLA(喷砂酸蚀钛片)为对照组，将MC3-T3-E1成骨细胞系在其表面培养7、14天后裂解细胞，采用碱性磷酸酶(ALP)试剂盒检测成骨细胞ALP活性。图7结果表明，实施例1、2的表面较对照组具有更好的促进细胞成骨、分化的作用，且实施例2的表面促进细胞成骨、分化的效果更优于实施例1。

Claims (7)

1.一种喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，依次包括如下步骤：步骤A）将纯钛打磨抛光，喷砂，超声清洗并干燥；步骤B）将纯钛采用氢氟酸/硝酸混合液80℃水浴温度下酸蚀，双蒸水超声清洗干燥，再经浓盐酸/浓硫酸混合酸酸蚀，双蒸水超声清洗并干燥，使钛表面形成微米结构；其特征在于：步骤C）将喷砂酸蚀后的纯钛在70℃~90℃水浴温度下进行氢氧化钙双氧水水热溶液反应0.5至24小时，形成含钙纳米薄片膜层，300℃~500℃处理1~3小时。
2.根据权利要求1所述喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，其特征在于步骤A）中纯钛试样抛光使用标号依次为 600#，800#，1200#，1500#的砂纸由粗砂到细砂将纯钛逐级打磨抛光。
3.根据权利要求1所述喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，其特征在于步骤A）中纯钛试样喷砂使用80目Al2O3砂，压力0.4 MPa，距离1.5 cm，喷砂15 s。
4.根据权利要求1所述喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，其特征在于步骤B）中氢氟酸/硝酸混合液按体积比为双蒸水:0.22wt.%HF:0.57 wt.%HNO3=1000:2:4。
5.根据权利要求1所述喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，其特征在于步骤B）中浓盐酸/浓硫酸混合酸按体积比为双蒸水:37 wt.%HCl:98 wt.%H2SO4=6:1:1。
6.根据权利要求1所述喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，其特征在于步骤C）中所述的纯钛在70℃水浴温度下进行氢氧化钙双氧水水热溶液反应。
7.根据权利要求1或6所述喷砂酸蚀钛表面形成含钙纳米薄片膜层的制备方法，其特征在于步骤C）中所述的反应溶液是氢氧化钙饱和溶液与30 wt.%双氧水的混合溶液，其中30wt.%双氧水与氢氧化钙饱和溶液的体积比为1:5至1:1，反应时间为12小时，加热处理1小时，温度为450℃。
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