CN107236983A - 一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法 - Google Patents

一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，首先利用溶剂热法，以乙二醇为溶剂，以1,6–己二胺、六水合三氯化铁、无水乙酸钠为溶质，在反应釜中进行反应，反应结束后得到水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒；其次采用微弧氧化法，以水为溶剂，以水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒、钙盐、磷盐和弱酸为溶质，形成电解液，以钛或钛合金试样为阳极、不锈钢为阴极，采用脉冲电源对钛或钛合金试样进行微弧氧化处理，待反应结束后，即在钛或钛合金试样的表层生成四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层。该磁性材料能够响应外加磁场，通过外加交变磁场产生磁热效应使病灶区升温，杀死肿瘤细胞，从而实现骨癌磁热疗的作用。

Description

一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及钛和钛合金构件的表面改性领域，具体涉及一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法。
背景技术
利用磁场治疗骨组织疾病早已在临床上广泛开展起来。大量研究结果表明外加磁场能够促进成骨细胞的增殖和分化，从而促进新骨形成，还具有促进植入体与骨的整合、提高骨密度和钙含量，促进骨折愈合等作用。但传统的磁疗通常需要比较复杂的设备，不方便使用和携带，从而极大地限制了其应用。
磁性纳米颗粒因其在蛋白分离、细胞分离、载药媒介、核磁共振成像、癌症磁热疗、组织修复等生物领域表现出潜在的应用前景，逐渐受到科研工作者的广泛关注。已经报道了很多关于将磁性纳米颗粒复合到硬组织替代材料用作生物支架，并且显示出了良好的生物相容性及对细胞的增殖、分化等的促进作用。目前，国内外研究者在制备磁性硬组织替代材料时，主要采用静电纺丝技术、纤维沉积技术、吸附方法和球磨混匀方法等。前两种技术主要用于高分子材料，后两种方法主要用于陶瓷材料。然而高分子材料的强度和弹性模量低，陶瓷材料的断裂韧度低且在生理环境抗疲劳性差，难以独立应用于承载部位的硬组织替换。另一方面，上述制备方法得到的材料植入体内后会释放出的纳米颗粒，这些纳米颗粒对生物体的毒副作用仍然不明确。
钛及钛合金因其优异的机械强度、化学稳定性以及耐腐蚀性，受到了牙科和骨科植入研究者的青睐。但和其它金属材料一样，植入体内后不能与骨形成直接的化学键合，从而导致种植体发生松动。采用微弧氧化法对钛和钛合金进行表面处理得到多孔二氧化钛涂层，可提高其耐磨损性能、耐腐蚀性能，提高生物活性，改善种植体与骨组织的结合，已经得到了商业化应用。但是在临床应用上仍存在生物活性不足等问题，植入体内后易形成包裹性纤维膜，与组织结合不牢固，从而引起植入失败。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明制备的涂层内具有极小的微区磁场，具有良好的生物活性，利于骨细胞的附着、增殖和分化，使材料具有骨诱导性，能够促进新骨形成，促进植入体与骨的整合，促进骨折愈合
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用溶剂热法，以乙二醇为溶剂，以1,6–己二胺、六水合三氯化铁、无水乙酸钠为溶质，在反应釜中进行反应，反应结束后得到水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒；
步骤二：采用微弧氧化法，以水为溶剂，以水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒、钙盐、磷盐和弱酸为溶质，形成电解液，以钛或钛合金试样为阳极、不锈钢为阴极，采用脉冲电源对钛或钛合金试样进行微弧氧化处理，待反应结束后，即在钛或钛合金试样的表层生成四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层。
进一步地，步骤1中1,6–己二胺浓度为0.2–5.0mol/L，六水合氯化铁浓度为0.05-2.0mol/L，无水乙酸钠的浓度为0.01-0.5mol/L。
进一步地，步骤一中反应温度为180-220℃，时间为2-24h。
进一步地，步骤一中得到的水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒的粒径为20-300nm。
进一步地，步骤二中弱酸为乙酸、水杨酸、柠檬酸或草酸。
进一步地，步骤二所述的钙盐为乙酸钙、氯化钙或硝酸钙；所述的磷盐为β-甘油磷酸钠、磷酸钠或磷酸氢钠。
进一步地，步骤二电解液中水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒的浓度为0.2–50g/L，钙盐浓度为0.1-0.5mol/L，磷盐浓度为0.1-0.5mol/L，弱酸浓度为0.01-0.5mol/L。
进一步地，步骤二中采用脉冲电源在电压为350–550V、频率为50–500Hz、占空比为5-40％的条件下对钛或钛合金试样进行微弧氧化处理。
进一步地，微弧氧化处理过程中阴极和阳极之间的距离为8-12cm。
进一步地，微弧氧化处理的温度为5–25℃，处理时间1–10min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
采用本发明工艺合成的四氧化三铁/二氧化钛生物活性涂层，与钛及其合金相比，该涂层内具有极小的微区磁场，具有良好的生物活性，利于骨细胞的附着、增殖和分化，使材料具有骨诱导性，能够促进新骨形成，促进植入体与骨的整合，促进骨折愈合；同时，该磁性材料还能响应外加磁场，通过外加交变磁场产生磁热效应使病灶区升温，杀死肿瘤细胞，从而实现骨癌磁热疗的作用。
进一步地，通过控制工艺条件，本发明工艺合成的四氧化三铁/二氧化钛涂层解决了目前制备方法制备的磁性硬组织植入材料植入后的细胞毒性以及后期粒子释放等的问题，在保证涂层结合力和强度的同时，使得涂层具有一定的铁磁性(Ms为0.1-0.5emu/g)。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的Fe3O4纳米颗粒的SEM图；
图2为本发明实施例1得到的涂层的SEM图；
图3为本发明实施例1得到的涂层的能谱图；
图4为本发明实施例1得到的涂层磁滞回线。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用溶剂热法，以乙二醇为溶剂，1,6–己二胺、六水合三氯化铁、无水乙酸钠为溶质，其中1,6–己二胺浓度为0.2–5.0mol/L，六水合氯化铁浓度为0.05-2.0mol/L，无水乙酸钠的浓度为0.01-0.5mol/L，在高温高压反应釜中进行反应，反应温度为180-220℃，时间为2-24h，反应结束后得到粒径为20-300nm的水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒；
步骤二：采用微弧氧化法，以水为溶剂，以水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒、钙盐、磷盐和弱酸为溶质，形成电解液，电解液中水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒的浓度为0.2–50g/L，钙盐浓度为0.1-0.5mol/L，磷盐浓度为0.1-0.5mol/L，弱酸浓度为0.01-0.5mol/L，以钛或钛合金试样为阳极、不锈钢为阴极，采用脉冲电源在电压为350–550V、频率为50–500Hz、占空比为5-40％对钛或钛合金试样进行微弧氧化处理，处理过程中阴极和阳极之间的距离为8-12cm，且微弧氧化处理的温度为5–25℃，处理时间1–10min，待反应结束后，即在钛或钛合金试样的表层生成四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
第一步：配置180mL以1,6–己二胺、六水合三氯化铁、无水乙酸钠为溶质和以乙二醇为溶剂的溶液，其中1,6–己二胺浓度为1.4mol/L、六水合三氯化铁浓度为0.1mol/L、无水乙酸钠浓度为0.06mol/L，然后将上述溶液转入250mL高温高压反应釜内，198℃条件下保温6h，即可制备得到尺寸为160nm的水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒。
第二步：在由0.2mol/L的乙酸钙、0.2mol/L的β–甘油磷酸钠和0.167mol/L乙酸的复合溶液中，加入5.0g上述制得的胺基化四氧化三铁纳米颗粒，形成电解液，以钛为阳极、不锈钢为阴极，采用脉冲电源在电压为500V、频率为500Hz、占空比为7.5％、阴阳极板间距为8cm的条件下对钛进行微弧等离子处理，处理时间3min，保持电解液的温度在15℃，可在钛表面形成四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层，其饱和磁化强度可达0.207emu/g。
实施例2
第一步：配置180mL以1,6–己二胺、六水合三氯化铁、无水乙酸钠为溶质和以乙二醇为溶剂的溶液，其中1,6–己二胺浓度为0.2mol/L 1,6–己二胺、六水合三氯化铁浓度为2.0mol/L、无水乙酸钠浓度为0.01mol/L，然后将上述溶液转入250mL高温高压反应釜内，220℃条件下保温2h，即可制备得到尺寸为20nm的水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒。
第二步：在由0.5mol/L的氯化钙、0.5mol/L的磷酸钠和0.01mol/L草酸的复合溶液中，加入0.2g上述制得的胺基化四氧化三铁纳米颗粒，形成电解液，以钛为阳极、不锈钢为阴极，采用脉冲电源在电压为550V、频率为350Hz、占空比为5％、阴阳极板间距为10cm的条件下对钛进行微弧等离子处理，处理时间10min，保持电解液的温度在25℃，可在钛表面形成四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层，其饱和磁化强度可达0.107emu/g。
实施例3
第一步：配置180mL以1,6–己二胺、六水合三氯化铁、无水乙酸钠为溶质和以乙二醇为溶剂的溶液，其中1,6–己二胺浓度为5.0mol/L 1,6–己二胺、六水合三氯化铁浓度为0.05mol/L、无水乙酸钠浓度为0.5mol/L，然后将上述溶液转入250mL高温高压反应釜内，180℃条件下保温24h，即可制备得到尺寸为300nm的水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒。
第二步：在由0.1mol/L的硝酸钙、0.1mol/L的磷酸氢钠和0.5mol/L水杨酸的复合溶液中，加入50g上述制得的胺基化四氧化三铁纳米颗粒，形成电解液，以钛合金为阳极、不锈钢为阴极，采用脉冲电源在电压为350V、频率为50Hz、占空比为40％、阴阳极板间距为12cm的条件下对钛进行微弧等离子处理，处理时间1min，保持电解液的温度在5℃，可在钛表面形成四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层，其饱和磁化强度可达0.357emu/g。

Claims (10)

1.一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用溶剂热法，以乙二醇为溶剂，以1,6–己二胺、六水合三氯化铁、无水乙酸钠为溶质，在反应釜中进行反应，反应结束后得到水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒；
步骤二：采用微弧氧化法，以水为溶剂，以水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒、钙盐、磷盐和弱酸为溶质，形成电解液，以钛或钛合金试样为阳极、不锈钢为阴极，采用脉冲电源对钛或钛合金试样进行微弧氧化处理，待反应结束后，即在钛或钛合金试样的表层生成四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层。
2.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中1,6–己二胺浓度为0.2–5.0mol/L，六水合氯化铁浓度为0.05-2.0mol/L，无水乙酸钠的浓度为0.01-0.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中反应温度为180-220℃，时间为2-24h。
4.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中得到的水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒的粒径为20-300nm。
5.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中弱酸为乙酸、水杨酸、柠檬酸或草酸。
6.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，步骤二所述的钙盐为乙酸钙、氯化钙或硝酸钙；所述的磷盐为β-甘油磷酸钠、磷酸钠或磷酸氢钠。
7.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，步骤二电解液中水溶性胺基化四氧化三铁纳米颗粒的浓度为0.2–50g/L，钙盐浓度为0.1-0.5mol/L，磷盐浓度为0.1-0.5mol/L，弱酸浓度为0.01-0.5mol/L。
8.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中采用脉冲电源在电压为350–550V、频率为50–500Hz、占空比为5-40％的条件下对钛或钛合金试样进行微弧氧化处理。
9.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，微弧氧化处理过程中阴极和阳极之间的距离为8-12cm。
10.根据权利要求1所述的一种四氧化三铁/二氧化钛磁性生物活性涂层的制备方法，其特征在于，微弧氧化处理的温度为5–25℃，处理时间1–10min。
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