CN107352502B - 一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，为了提高纯钛表面的生物结合性，本发明在难以用微铣加工的纯钛表面实现了微凸起阵列结构的加工，使用一种新的电化学刻蚀方法，高效地在曲面钛表面加工出表面微纳米结构，微凸起阵列的尺寸范围可以很大，每个凸起大小为100‑300μm，高度最大达到140μm，微凸起阵列的尺寸精度不高，在微凸起之间存在更小尺度微纳米粗糙表面结构，有益于生物细胞与钛金属植入体间生物结合性的增强，本发明在无热影响的基础上，能够高效地在晶粒细化的曲面纯钛表面加工出微米结构的凸起阵列结构，达到增强生物结合性和细胞黏附性的目的。

Description

一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法
技术领域
本发明属于3D-电化学刻蚀领域，更具体地说，本发明涉及一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法。
背景技术
由于钛金属与人体骨组织之间优良生物相容性和结合性，钛可以作为植入性假肢的主要材料。经过大塑性变形处理的纯钛具有良好的成骨细胞和成纤维细胞的附着性，然而，植入钛的生物结合性还需要在细晶化基础上，在钛表面制备开放的多孔或微纳米结构。
现有的激光加工、等离子表面刻蚀或聚焦离子束刻蚀(FIB)等方法基于高温过程，对加工对象的组织和性能产生不利影响。
现有的室温表面微加工方法：微铣、放电微细加工(EDM)和电解微细加工(ECM，电极间短距离的电化学加工方法)，这些方法均适用于室温加工，但是应用微铣方法表面加工钛凸起阵列困难，这是由于钛的硬度高，微铣过程中刀具常常断裂，加工出的凸起最高高度仅5μm，使用微铣方法加工精度高，加工后表面光滑，但是无益于生物结合性的提高；现有的放电加工(EDM)和微电解加工(ECM)方法可用于难加工材料的表面阵列制备，但是多数用于钛表面孔阵列的加工，少数应用EDM方法加工钛凸起阵列的方法存在加工速度慢，效率低等缺点。
现有的EDM方法可以用来钛表面微凸起阵列的加工，但是这种方法的缺点是加工周期长，效率较低。现有的ECM法可以提高加工的效率，缩短在纯钛表面加工微米结构阵列的时间。但是现有的工艺主要是在纯钛表面加工出微坑阵列，需要微电极阵列，电极在加工过程中存在较大损耗。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)曲面加工
用线切割方法将片状纯钛的一面加工成曲面，并对曲面进行机械研磨和抛光，获得具有一定光洁度的曲面，以备后续胶层的粘附；
(2)掩模板加工
根据所需制备微凸起阵列的形状和尺寸，设计一定掩模板的图案形状和尺寸，掩模板的加工采用0.2-0.4mm厚不锈钢薄片激光切割加工制得；
(3)掩模曝光
在纯钛曲面表面涂覆耐蚀性光敏胶层，所述光敏胶由SU-8光刻胶中添加增黏剂制得，可防止在电化学刻蚀过程中胶层被化学反应产生的液流冲走，并将掩模板覆盖在曲面的纯钛表面，进行曝光处理；
(4)光刻胶层的显影
利用光线照射胶层，被照射和未被照射的胶层与显影液的反应不同，使有光线照射的胶层部分被腐蚀和溶解，而未照射胶层部分留下，形成凸起的位置；
(5)电化学侵蚀
将进行了光刻胶处理的曲面Ti片作为阳极，铂片作为阴极，以1M的NaBr水溶液作为电解液，进行电化学的腐蚀，所述阴极和阳极间的距离为60mm，施加的直流电源电压为6-15V，电化学腐蚀试验的时间为1-3min。
优选的，所述步骤(3)光敏胶层的厚度为10-20μm。
优选的，其特征在于：所述步骤(3)所述光刻胶可为其他粘性较好的光刻胶。
优选的，其特征在于：所述步骤(3)光敏胶中SU-8光刻胶和增黏剂的比例为9:1。
优选的，其特征在于：所述步骤(5)电化学腐蚀的条件可为选用1M的NaBr水溶液作为电解液，施加的直流电源电压为15-19V之间，所述阴极和阳极间的距离为50mm，电化学腐蚀试验的时间为1-2min。
优选的，其特征在于：所述步骤(5)电化学的腐蚀后Ti片微凸起的最高为140μm，凸起的尺寸在100-300μm。
优选的，其特征在于：所述步骤(5)电化学腐蚀后Ti表面存在一些纳米级的粗糙结构。
有益效果：本发明涉及一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，为了提高纯钛表面的生物结合性，本发明在难以用微铣加工的纯钛表面实现了微凸起阵列结构的加工，使用一种新的电化学刻蚀方法，高效地在曲面钛表面加工出表面微纳米结构，微凸起阵列的尺寸范围可以很大，每个凸起大小为100-300μm，高度最大达到140μm，微凸起阵列的尺寸精度不高，在微凸起之间存在更小尺度微纳米粗糙表面结构，有益于生物细胞与钛金属植入体间的生物结合性的增强，本发明在无热影响的基础上，能够高效地在晶粒细化的曲面纯钛表面加工出微米结构的凸起阵列结构，达到增强生物结合性和细胞黏附性的目的。
附图说明
图1是曲面纯钛电化学刻蚀方法制备表面微凸起阵列结构的工艺流程；
图2是Ti片电化学刻蚀的示意图；
图3是曲面纯钛微电化学刻蚀获得的表面形貌低倍超景深光学显微图；
图4是曲面纯钛微电化学刻蚀获得的表面形貌扫描电镜图；
图5是表面轮廓仪记录的表面轮廓线、微凸起大小(C-D)和高度(A-B)，以及SEM观察的基体纳米粗糙结构。
具体实施方式
实施例1：
一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)曲面加工
用线切割方法将片状纯钛的一面加工成曲面，并对曲面进行机械研磨和抛光，获得具有一定光洁度的曲面，以备后续胶层的粘附；
(2)掩模板加工
根据所需制备微凸起阵列的形状和尺寸，设计一定掩模板的图案形状和尺寸，掩模板的加工采用0.2mm厚不锈钢薄片激光切割加工制得；
(3)掩模曝光
在纯钛曲面表面涂覆耐蚀性光敏胶层，所述光敏胶层的厚度为10μm，所述光敏胶由9份的SU-8光刻胶中添加1份增黏剂制得，可防止在电化学刻蚀过程中胶层被化学反应产生的液流冲走，并将掩模板覆盖在曲面的纯钛表面，进行曝光处理，光刻胶可为其他粘性较好的光刻胶；
(4)光刻胶层的显影
利用光线照射胶层，被照射和未被照射的胶层与显影液的反应不同，使有光线照射的胶层部分被腐蚀和溶解，而未照射胶层部分留下来，形成凸起的位置；
(5)电化学侵蚀
将进行了光刻胶处理的曲面Ti片作为阳极，铂片作为阴极，以1M的NaBr水溶液作为电解液，进行电化学的腐蚀，所述阴极和阳极间的距离为60mm，施加的直流电源电压为6V，电化学腐蚀试验的时间为5min，所述电化学腐蚀的条件可为选用1M的NaBr水溶液作为电解液，电化学腐蚀后微凸起的最高为140μm，凸起的尺寸在100μm，所述Ti表面存在一些纳米级的粗糙结构。
实施例2：
一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)曲面加工
用线切割方法将片状纯钛的一面加工成曲面，并对曲面进行机械研磨和抛光，获得具有一定光洁度的曲面，以备后续胶层的粘附；
(2)掩模板加工
根据所需制备微凸起阵列的形状和尺寸，设计一定掩模板的图案形状和尺寸，掩模板的加工采用0.3mm厚不锈钢薄片激光切割加工制得；
(3)掩模曝光
在纯钛曲面表面涂覆耐蚀性光敏胶层，所述光敏胶层的厚度为20μm，所述光敏胶由9份的SU-8光刻胶中添加1份增黏剂制得，可防止在电化学刻蚀过程中胶层被化学反应产生的液流冲走，并将掩模板覆盖在曲面的纯钛表面，进行曝光处理，光刻胶可为其他粘性较好的光刻胶；
(4)光刻胶层的显影
利用光线照射胶层，被照射和未被照射的胶层与显影液的反应不同，使有光线照射的胶层部分被腐蚀和溶解，而未照射胶层部分留下，形成凸起的位置；
(5)电化学侵蚀
将进行了光刻胶处理的曲面Ti片作为阳极，铂片作为阴极，以1M的NaBr水溶液作为电解液，进行电化学的腐蚀，所述阴极和阳极间的距离为60mm，施加的直流电源电压为10.5V，电化学腐蚀试验的时间为1.5min，所述电化学腐蚀的条件可为选用1M的NaBr水溶液作为电解液，电化学的腐蚀后微凸起的最高为140μm，凸起的尺寸在200μm，所述Ti表面存在一些纳米级的粗糙结构。
实施例3：
一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)曲面加工
用线切割方法将片状纯钛的一面加工成曲面，并对曲面进行机械研磨和抛光，获得具有一定光洁度的曲面，以备后续胶层的粘附；
(2)掩模板加工
根据所需制备微凸起阵列的形状和尺寸，设计一定掩模板的图案形状和尺寸，掩模板的加工采用0.4mm厚不锈钢薄片激光切割加工制得；
(3)掩模曝光
在纯钛曲面表面涂覆耐蚀性光敏胶层，所述光敏胶层的厚度为30μm，所述光敏胶由9份的SU-8光刻胶中添加1份增黏剂制得，可防止在电化学刻蚀过程中胶层被化学反应产生的液流冲走，并将掩模板覆盖在曲面的纯钛表面，进行曝光处理，光刻胶可为其他粘性较好的光刻胶；
(4)光刻胶层的显影
利用光线照射胶层，被照射和未被照射的胶层与显影液的反应不同，使有光线照射的胶层部分被腐蚀和溶解，而未照射胶层部分留下来，形成凸起的位置；
(5)电化学侵蚀
将进行了光刻胶处理的曲面Ti片作为阳极，铂片作为阴极，以1M的NaBr水溶液作为电解液，进行电化学的腐蚀，所述阴极和阳极间的距离为50mm，施加的直流电源电压为30V，电化学腐蚀试验的时间为1min，所述电化学腐蚀的条件可为选用1M的NaBr水溶液作为电解液，电化学的腐蚀后微凸起的最高为100μm，凸起的尺寸在200μm，所述Ti表面存在一些纳米级的粗糙结构。
将已制备好的纯钛表面微凸起阵列结构经过以上工艺后，分别取出样品，测量结果如下：
检测项目 实施例1 实施例2 实施例3 现有指标
加工时间 长 短 短 长
效率 低 高 高 低
电极损耗 低 低 高 高
根据上述表格数据可以得出，当实施例2参数时得到的纯钛表面微凸起阵列结构加工周期短，效率较高，利用该生产工艺制备纯钛表面微凸起阵列结构时电极损耗的也低于现有水平，即此条件更有利于纯钛表面微凸起阵列结构的制造。
本发明公开了一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，为了提高纯钛表面的生物结合性，本发明在难以用微铣加工的纯钛表面实现了微凸起阵列结构的加工，使用一种新的电化学刻蚀方法，高效地在曲面钛表面加工出表面微纳米结构，微凸起阵列的尺寸范围可以很大，每个凸起大小为100-300μm，高度最大达到140μm，微凸起阵列的尺寸精度不高，在微凸起之间存在更小尺度微纳米粗糙表面结构，有益于生物细胞与钛金属植入体间的生物结合性的增强，本发明在无热影响的基础上，能够高效地在晶粒细化的曲面纯钛表面加工出微米结构的凸起阵列结构，达到增强生物结合性和细胞黏附性的目的。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)曲面加工
用线切割方法将片状纯钛的一面加工成曲面，并对曲面进行机械研磨和抛光，获得具有一定光洁度的曲面，以备后续胶层的粘附；
(2)掩模板加工
根据所需制备微凸起阵列的形状和尺寸，设计一定掩模板的图案形状和尺寸，掩模板的加工采用0.2-0.4mm厚不锈钢薄片激光切割加工制得
(3)掩模曝光
在纯钛曲面表面涂覆耐蚀性光敏胶层，所述光敏胶由SU-8光刻胶中添加增黏剂制得，可防止在电化学刻蚀过程中胶层被化学反应产生的液流冲走，并将掩模板覆盖在曲面纯钛的表面，进行曝光处理；
(4)光刻胶层的显影
利用光线照射胶层，被照射和未被照射的胶层与显影液的反应不同，使有光线照射的胶层部分被腐蚀和溶解，而未照射胶层部分留下，形成凸起的位置；
(5)电化学侵蚀
将进行了光刻胶处理的曲面Ti片作为阳极，铂片作为阴极，以1M的NaBr水溶液作为电解液，进行电化学的腐蚀，所述阴极和阳极间的距离为60mm，施加的直流电源电压为6-15V，电化学腐蚀试验的时间为1-3min。
2.按照权利要求1所述的一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)光敏胶层的厚度为10-20μm。
3.按照权利要求2所述的一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)所述光刻胶可为其他粘性较好的光刻胶。
4.按照权利要求3所述的一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)光敏胶中SU-8光刻胶和增黏剂的比例为9:1。
5.按照权利要求1所述的一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)电化学腐蚀的条件为选用1M的NaBr水溶液作为电解液，施加的直流电源电压为6-15V之间，所述阴极和阳极间的距离为60mm，电化学腐蚀试验的时间为1-3min。
6.按照权利要求5所述的一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)电化学腐蚀后Ti片微凸起高度最高140μm，凸起尺寸100-300μm。
7.按照权利要求1所述的一种生物结合性纯钛表面微凸起阵列结构的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)电化学腐蚀后Ti表面存在一些纳米级的粗糙结构。
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