CN105734561A - 一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法。即在室温开放环境下，使用连续激光作为热源，以医用镍钛合金为衬底，利用石墨烯渗碳?析碳的生长机制，在合金表面原位生成石墨烯薄膜。石墨烯具有很强的抗渗透性、化学惰性以及低摩擦系数，因此可将其用于植入器件表面的保护层，起到隔离腐蚀介质并减少生物摩擦磨损的作用，从而阻碍镍离子的释放，提高了医用镍钛合金的生物相容性。

Description

一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法。
背景技术
目前，用近等原子比镍钛形状记忆合金制作的医疗器械有食管、气管、胆道、尿道、血管和椎体等支架，口腔正畸丝、种植牙根等牙科修复器械，加压骑缝钉、骨卡环、髓内钉，聚髌器，环抱器、哈伦顿棒等骨科内固定器械共达几十个规格；而且随着介入医学的发展，又在介入放射学，介入内窥镜检查等诸多医学领域发挥独特的作用。
医用金属材料长期置入的安全性和可靠性是其应用的第一要求，镍及其化合物对人体有潜在的毒性，其含量在体内的升高、降低都会对机体的免疫系统、造血系统等功能造成影响，甚至具有致敏、致癌、致突变等严重影响，1987年镍被国际癌症组织(IARC)确认为第一类致癌物。研究表明，镍钛合金的腐蚀产物对细胞有毒副作用，腐蚀产物浓度越高，抑制细胞生长的作用越大，其毒性还表现为改变细胞形态、引起细胞坏死和降低细胞数量等，而且当镍钛合金植入体内，必然与周围的组织发生摩擦而引起植入物的疲劳、腐蚀、以及失效等。因此，对于长期置入人体内的镍钛合金进行表面改性以提高其耐腐蚀性、耐磨性以及生物相容性是十分必要的。
石墨烯是sp2轨道杂化的碳原子按六边形紧密排列形成蜂窝状晶格的单层二维平面结构，其独特的二维结构使其具有优异的物理化学性质。研究表明，石墨烯薄膜对标准气体具有较好的抗渗透性，金属表面的石墨烯相当于一层钝化膜，将基体和周围环境隔离开，在空气中可以阻止基体被氧化，在电解液中可以阻挡离子的进入和交换，从而达到保护基体的目的作用。除此之外，石墨烯还具有优秀的机械能力，由于片层之间的剪切力很小，理论上具有更低的摩擦系数。有报道表明，镍生石墨烯薄膜摩擦系数仅为0.03。所以，考虑采用石墨烯作为医用镍钛合金的保护层或许是改善其耐腐蚀、耐磨性，从而提高生物相容性的理想途径。
目前，获得高质量石墨烯薄膜主要有三种方法，物理剥落片层石墨(撕胶带法)；化学合成石墨烯(化学气相沉积法、SiC加热法等)；氧化石墨还原法等。这些方法都面临着设备相对昂贵，退火温度高，或者在最终产物中存在含氧官能团等各种掺杂问题，限制了其实际应用问题。因此，如何能快速简单的制备出高质量的石墨烯薄膜成为本发明需要解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法。即在室温开放环境下，使用连续激光作为热源，利用镍-碳固溶体中过饱和碳沿晶体台阶析出在特定晶面上，诱导碳源直接沉积在金属衬底上。具体过程如下：首先是碳源(纳米碳粉颗粒)导入，然后聚焦激光局域加热镍钛合金表面。快速加热的镍钛合金使局域内纳米碳粉颗粒分解，同时碳原子与合金中的镍之间发生溶解与解析过程，激光移除后由于衬底的快速导热实现快速冷却，过饱和碳在镍钛合金表面析出，形成石墨烯薄膜。
本发明采取以下技术方案：
步骤一、对医用镍钛合金的表面进行机械打磨、镜面抛光，再分别放入乙醇和丙酮中超声波清洗，最后存于密封袋中备用；
步骤二、以纳米碳粉颗粒为预置粉末，乙醇为粘合剂，将两者混合搅拌均匀，制成糊状熔覆材料，利用旋涂的方法将其均匀涂覆于步骤一所述医用镍钛合金表面；所述熔覆材料浓度为1～3g/ml，预置层厚度约为7～10μm；
步骤三、在氮气保护条件下对步骤二所述的具有预置层的医用镍钛合金表面进行激光熔覆处理，在镍钛合金基材表面制备得到原位生长的石墨烯薄膜；所述激光熔覆处理的激光功率为3kW～7kW，光斑直径为2mm～4mm，扫描速度为800mm/min～1200mm/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.在室温环境下，无需高温加热及超高真空环境，在医用镍钛合金表面可以快速简单的得到大面积高质量的石墨烯薄膜。
2.石墨烯作为抗腐蚀介质的屏蔽层，有效的隔绝了医用镍钛合金与腐蚀介质的接触，提高了其耐腐蚀性能。
3.由于石墨烯的优异的自润滑性，在摩擦过程中，表面生长石墨烯薄膜的医用镍钛合金表现出更加优异的摩擦磨损性能。
4.通过改善耐腐蚀性能和耐摩擦磨损性能，石墨烯薄膜能够显著改善医用镍钛合金的生物相容性。
附图说明
图1为实施例1中制备的表面原位生长石墨烯薄膜的医用镍钛合金基体与空白试样磨损率-载荷对比曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行一下详细说明，但不能以理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实例包括以下步骤：
步骤一、对医用镍钛合金的表面进行机械打磨、镜面抛光，再分别放入乙醇和丙酮中超声波清洗，最后用保存于密封袋中备用；
步骤二、以纳米碳粉颗粒为预置粉末，乙醇为粘合剂，将两者混合搅拌均匀，制成糊状熔覆材料，利用旋涂的方法将其均匀涂覆于步骤一所述医用镍钛合金表面；所述熔覆材料浓度1g/ml，预置层厚度约为7μm；
步骤三、在氮气保护条件下对步骤二所述的具有预置层的医用镍钛合金表面进行激光熔覆处理，在镍钛合金基材表面制备得到原位生长的石墨烯薄膜；所述激光熔覆处理的激光功率为5kW，光斑直径为2mm，扫描速度为800mm/min。
对实施例1中制得的合金进行性能检测：
1.石墨烯薄膜表征：采用高分辨透射电镜(HRTEM)对实施例1样品的石墨烯薄膜结构进行观察，结果表明经实施例1处理后的样品表面石墨烯薄膜是3层石墨烯。
2.镍离子溶出：采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)测试实施例1样品与其合金基体浸泡液中镍离子含量；浸泡溶液为Hanks溶液，时间为14天。测试结果表明石墨烯薄膜的存在对抑制镍离子溶出的效果十分明显：经实施例1处理后的样品镍的释放量为13±0.9μ/L，未经处理的合金基体镍的释放量为46±0.8μg/L。
3.摩擦磨损性能：采用MS-T3000型摩擦磨损试验机测试实施例1样品与其合金基体的摩擦磨损性能。测试结果表明石墨烯薄膜的存在有效提高了合金表面的耐摩擦磨损性：如附图1可见，在各种负载条件下，经实施例1处理后的样品的耐磨性均优于未经处理的合金基体。
4.血液相容性：对实施例1样品与其合金基体进行血液相容性测试。测试结果表明石墨烯薄膜的存在可以有效抑制红细胞发生破裂而产生溶血：经实施例1处理后的样品溶血率为0.2±0.03％，未经处理的合金基体溶血率为0.9±0.06％。
实施例2
本实例包括以下步骤：
步骤一、对医用镍钛合金的表面进行机械打磨、镜面抛光，再分别放入乙醇和丙酮中超声波清洗，最后用视镜纸包好存于密封袋中备用；
步骤二、以纳米碳粉颗粒为预置粉末，乙醇为粘合剂，将两者混合搅拌均匀，制成糊状熔覆材料，利用旋涂的方法将其均匀涂覆于步骤一所述医用镍钛合金表面；所述熔覆材料浓度为3g/ml，预置层厚度约为9μm；
步骤三、在氮气保护条件下对步骤二所述的具有预置层的医用镍钛合金表面进行激光熔覆处理，在镍钛合金基材表面制备得到原位生长的石墨烯薄膜；所述激光熔覆处理的激光功率7kW，光斑直径为4mm，扫描速度900mm/min。
对实施例2中制得的合金进行性能检测：
1.石墨烯薄膜表征：采用高分辨透射电镜(HRTEM)对实施例1样品的石墨烯薄膜结构进行观察，结果表明经实施例1处理后的样品表面石墨烯薄膜是5层石墨烯。
2.镍离子溶出：采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)测试实施例1样品与其合金基体浸泡液中镍离子含量；浸泡溶液为Hank’s溶液，时间为14天。测试结果表明石墨烯薄膜的存在对抑制镍离子溶出的效果十分明显：经实施例1处理后的样品镍的释放量为9±0.7μ/L，未经处理的合金基体镍的释放量为48±0.6μg/L。
3.摩擦磨损性能：采用MS-T3000型摩擦磨损试验机测试实施例2样品与其合金基体的摩擦磨损性能。测试结果表明石墨烯薄膜的存在有效提高了合金表面的耐摩擦磨损性：在各种负载条件下，经实施例处理后的样品的耐磨性均优于未经处理的合金基体。
4.血液相容性：对实施例1样品与其合金基体进行血液相容性测试。测试结果表明石墨烯薄膜的存在可以有效抑制红细胞发生破裂而产生溶血：经实施例1处理后的样品溶血率为0.3±0.03％，未经处理的合金基体溶血率为0.9±0.06％。

Claims (6)

1.一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法，其特征在于：所述医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜为少层石墨烯。
2.一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法，其特征在于：所述的医用镍钛合金材料表面石墨烯薄膜是原位生成的。
3.一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法，其特征在于：所述基体为医用镍钛合金，镍钛原子比为1:1。
4.一种直接在生物医用镍钛合金表面制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对医用镍钛合金的表面进行机械打磨、镜面抛光，再分别放入乙醇和丙酮中超声波清洗，最后保存于密封袋中备用；
步骤二、以纳米碳粉颗粒为预置粉末，乙醇为粘合剂，将两者混合搅拌均匀，制成糊状熔覆材料，利用旋涂的方法将其均匀涂覆于步骤一所述医用镍钛合金表面；
步骤三、在氮气保护条件下对步骤二所述的具有预置层的医用镍钛合金表面进行激光熔覆处理，在镍钛合金基材表面制备得到原位生长的石墨烯薄膜。
5.如权利要求2所述的一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法，其特征在于：步骤二中所述熔覆材料浓度为1～3g/ml，预置层厚度约为7～10μm。
6.如权利要求2所述的一种在医用镍钛合金表面原位生长的石墨烯薄膜及其制备方法，其特征在于：步骤二中所述激光熔覆处理的激光功率为3kW～7kW，光斑直径为2mm～4mm，扫描速度为800mm/min～1200mm/min。
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