CN107841778A

CN107841778A - 一种医用金属材料的表面改性方法

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Publication number: CN107841778A
Application number: CN201610826868.6A
Authority: CN
Inventors: 刘宣勇; 邱家军
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2016-09-18
Filing date: 2016-09-18
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2036-09-18
Also published as: CN107841778B

Abstract

本发明涉及一种医用金属材料的表面改性方法，包括：医用金属材料的预处理；将硝酸锌、醋酸锌和氧化石墨烯按照一定比例加入到溶剂中均匀混合，得到电泳沉积电解液，其中硝酸锌与醋酸锌质量比为1:1；以石墨为阳极、预处理后的医用金属材料为阴极，置于电泳沉积电解液中，选用20V～120V的恒定电压，电泳沉积时间为20～60秒，在医用金属材料表面获得氧化石墨烯改性层。本发明在医用金属材料表面获得氧化石墨烯改性层时所用沉积时间短（20～60秒），提高了氧化石墨烯与镁合金基体的结合强度和耐腐蚀性能。

Description

一种医用金属材料的表面改性方法

技术领域

本发明涉及一种医用金属材料的表面改性方法，具体地，是一种采用电泳沉积技术对医用金属材料进行表面改性的方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

医用金属材料具有良好的机械性能和可加工性，在骨科和整形外科临床上应用广泛。然而，医用金属材料因服役环境的特殊性也相应的暴露出相关性能的不足。如医用钛及钛合金和医用不锈钢都是生物惰性材料，与人体骨组织结合不牢，成骨能力不足；同时因缺乏抗菌性，植入人体易发生感染(Biomaterials 2014,35,9114-9125)。此外，医用不锈钢耐腐蚀性能不佳，体液环境中易发生腐蚀，降低其长期稳定性。相比较，医用镁合金的耐腐蚀性能更差，快速腐蚀释放出大量的镁离子，易在植入体周围组织富集而引起炎症的发生。因此，采用合适的表面改性技术，提高医用金属材料的耐腐蚀性能、抗菌性能和成骨能力已成为近些年的研究热点。

石墨烯及其衍生物氧化石墨烯和还原氧化石墨烯，因其独特的结构和优异的性能，在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣。研究表明，氧化石墨烯和还原氧化石墨烯对细菌有着很强的毒副作用，能够有效的抑制和杀死大肠杆菌和金黄色葡萄球菌(ACSnano 2010,4,5731-5736)，表现出良好的抗菌性能；同时也能够促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，具有良好的细胞相容性(ACS nano 2011,5,4670-4678)。此外，石墨烯作为防腐涂层也得到了大量的研究和应用。已有文献(魏东华.AZ31镁合金表面电泳沉积氧化石墨烯及其复合膜层的研究[D].辽宁工业大学,2016.)报道采用电泳沉积方法，在可降解医用AZ31镁合金表面制备氧化石墨烯膜层。但是高的沉积电压、较长的沉积时间以及大的氧化石墨烯溶度，使得氧化石墨烯在样品表面表现为垂直的片状，存在大量空隙，使得氧化石墨烯与镁合金基体的结合不牢、耐腐蚀性能不佳等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种医用金属材料的表面改性方法。

为此，本发明提供了一种医用金属材料的表面改性方法，包括：

医用金属材料的预处理；

将硝酸锌、醋酸锌和氧化石墨烯按照一定比例加入到溶剂中均匀混合，得到电泳沉积电解液，其中硝酸锌与醋酸锌质量比为1:1；

以石墨为阳极、预处理后的医用金属材料为阴极，置于电泳沉积电解液中，选用20V～120V的恒定电压，电泳沉积时间为20～60秒，在医用金属材料表面获得氧化石墨烯改性层。

本发明在医用金属材料表面获得氧化石墨烯改性层时所用沉积时间短(20～60秒)，提高了氧化石墨烯与镁合金基体的结合强度和耐腐蚀性能。另外。本发明将硝酸锌和醋酸锌的质量比1:1加入到氧化石墨烯溶液中时能够得到稳定的氧化石墨烯电解液，氧化石墨烯可以吸附电介质中正电荷Zn²⁺使得氧化石墨烯带正电一起沉积向阴极，实现阴极电泳沉积。而且Zn²⁺具有良好的抗菌性能和生物相容性，Zn²⁺的引入以及它的缓慢释放还可以提高材料表面的抗菌效果和生物学效应。

较佳地，所述预处理为将医用金属材料放入硝酸和氢氟酸的混合溶液中活化处理5～10分钟后清洗并干燥。

较佳地，所述溶剂为无水乙醇、异丙醇和去离子水中的至少一种。

较佳地，所述电泳沉积电解液中氧化石墨烯的浓度为0.012～0.1mg/ml。

较佳地，所述硝酸锌和氧化石墨烯的浓度比为1：(0.12～1)。

另一方面，本发明还提供了一种医用金属基材料，所述医用金属基材料包含医用金属材料、均匀沉积于所述医用金属材料表面的氧化石墨烯改性层以及掺杂于所述氧化石墨烯改性层的Zn²⁺。

较佳地，所述氧化石墨烯改性层的厚度在150μm以下，优选为100μm以下。

较佳地，所述医用金属材料为医用钛及钛合金、医用镁合金或医用不锈钢。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过本发明改性方法处理得到的医用金属材料(医用金属基材料)，其表面均匀分布着氧化石墨烯改性层。医用金属基材料的耐腐蚀性能、抗菌性能和细胞相容性得到明显改善。

附图说明

图1是经本发明不同条件下医用金属基材料表面的扫描电镜形貌图，图中：Ti表示活化处理的医用纯钛；GO-40、GO-80、GO-120分别表示采用40V、80V、120V沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；

图2是经本发明不同条件下医用金属基材料表面的拉曼光谱图，图中：Ti表示活化处理的医用纯钛；GO-40、GO-80、GO-120分别表示采用40V、80V、120V的沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；

图3是经本发明不同条件下医用金属基材料的动电位极化曲线图，图中：Ti表示活化处理的医用纯钛；GO-40、GO-80、GO-120分别表示采用40V、80V、120V的沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；

图4是经本发明不同条件下医用金属基材料的细菌涂板结果，图中：a表示活化处理的医用纯钛；b、c、d分别表示采用40V、80V、120V的沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；1代表大肠杆菌，2代表金黄色葡萄球菌；

图5是经本发明不同条件下医用金属基材料表面接种细菌后的扫描电镜图，图中：a表示活化处理的医用纯钛；b、c、d分别表示采用40V、80V、120V的沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；1代表大肠杆菌，2代表金黄色葡萄球菌；

图6是大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSC)在经本发明不同条件下医用金属基材料表面培养7天的碱性磷酸酶表达活性测试结果，图中：Ti表示活化处理的医用纯钛；GO-40、GO-80、GO-120分别表示采用40V、80V、120V沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；

图7是经本发明对医用镁合金在40V的电压下电泳沉积不同时间前后的光学图片；

图8是经本发明不同条件下医用金属基材料的X射线光电子能谱，图中：Ti表示活化处理的医用纯钛；GO-40、GO-80、GO-120分别表示采用40V、80V、120V的沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；

图9是经本发明单独加入硝酸锌或醋酸锌以及硝酸锌和醋酸锌按质量比1：1加入的氧化石墨烯溶液的光学照片；

图10是经本发明不同条件下医用金属基材料截面的扫描电镜图，其中，1-1、1-2和1-3为实施例1中分别采用40V、80V、120V沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛，图10中2、3、4和5分别表示采用实施例2、3、4和5得到的截面扫描电镜图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明使用电泳沉积技术在医用金属材料(包括但不限于医用钛及钛合金、医用镁合金和医用不锈钢。)表面制备氧化石墨烯改性层。通过本发明制备的的医用金属基材料，其表面均匀分布着氧化石墨烯和掺杂于所述氧化石墨烯的Zn²⁺。其中，所述氧化石墨烯改性层的厚度在150μm以下。本发明可明显改善基体金属材料的耐腐蚀性能、成骨能力、抗菌性能和细胞相容性，以满足医用金属材料的临床性能需求。

以下示例性地说明本发明提供的医用金属基材料的制备方法，即医用金属材料的表面改性方法。

医用金属材料的前处理。包括材料的清洗和表面活化。具体而言，采用硝酸和氢氟酸的混合溶液进行酸蚀活化后，依次分别在在无水乙醇和去离子水进行超声清洗，自然晾干备用。材料表面的活化处理可以去除材料表面的污渍和氧化层，获得洁净的表面，提高改性层与基体的结合强度。

作为一个详细的示例，将10mm×10mm×1mm的医用纯钛用体积比为HF:HNO₃:H₂O＝1:5:30的混合酸活化处理10min，然后依次用无水乙醇和去离子水超声清洗，每次30min，自然晾干备用。

电泳沉积电解液的制备。将硝酸锌、醋酸锌和氧化石墨烯按照一定比例加入到溶剂中超声分散0.5-2小时。其中硝酸锌和醋酸锌的添加的质量比应为为1:1。所述溶剂可为无水乙醇、异丙醇和去离子水中的至少一种。所述硝酸锌和氧化石墨烯的浓度比可为1：(0.12～1)。作为一个示例，硝酸锌、醋酸锌的浓度可为0.1mg/ml，氧化石墨烯的浓度可为0.012-0.1mg/ml，无水乙醇的体积可为100-250ml。

本发明以石墨为阳极，医用金属材料为阴极，置于电泳沉积电解液中，在医用金属材料表面获得氧化石墨烯改性层。选用20V-120V的恒定电压，优选为20-80V。电泳沉积时间可为20-60s。沉积时间过长时，后沉积的氧化石墨烯接触不到材料基体，而是在前面沉积的氧化石墨烯的基础上进行堆积，这会使得改性层结合不牢，导致改性层剥落。图7是镁合金材料在40V的电压下电泳沉积1min和3min的图片，可以看出随着沉积时间的延长，电泳沉积3min时，改性层已经出现了明显的剥落。

作为一个详细示例，选用医用镁合金，硝酸锌和醋酸锌各取25mg，量取无水乙醇250ml，氧化石墨烯浓度为0.012mg/ml，超声分散1小时，沉积电压为40V，沉积时间为1min。

电泳沉积完成后，医用金属材料采用无水乙醇进行清洗，自然晾干。

本发明在医用金属材料表面制得的氧化石墨烯改性层，明显提高了医用金属材料基体的结合强度、耐腐蚀性、抗菌性能和细胞相容性。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将10mm×10mm×1mm的医用纯钛用体积比为HF:HNO₃:H₂O＝1:5:30的混合酸活化处理10min，然后依次用无水乙醇和去离子水超声清洗，每次30min，自然晾干备用。将500ul浓度为6mg/ml的氧化石墨烯水相分散液加入到250ml无水乙醇中，然后再加入硝酸锌和醋酸锌各25mg，超声处理1小时配置成电泳沉积溶液。采用电泳沉积技术对医用纯钛进行电泳沉积，沉积电压分别为40V、80V和120V，沉积时间为60s。图1为经本实施例改性处理得到的医用纯钛表面形貌图，图中显示改性后的医用纯钛表面呈现出褶皱状，这是氧化石墨烯在医用纯钛表面沉积造成的。图2为经本实施例改性处理得到的医用纯钛表面的拉曼图谱，从图中可以看出，在1584cm^-1和1350cm^-1附近有峰出现，分别对应氧化石墨烯的特征G峰和D峰，表明氧化石墨烯成功的沉积到医用纯钛表面。图8为经本实施例改性处理得到的医用纯钛表面的X射线光电子能谱图，从图中可以看出，改性处理后的钛表面引入了锌元素，这进一步证实了锌离子在电泳沉积过程中随同氧化石墨烯一块沉积到了阴极。通过场发射电子显微镜(FE-SEM；S-4800,HITACHI,JAPAN)可知沉积电压分别为40V、80V和120V时，所得氧化石墨烯改性层的厚度分别约为25、90和136微米。

实施例2

将直径为12mm的镍钛合金圆片用体积比为HF:HNO₃:H₂O＝1:5:30的混合酸活化处理10min，然后依次用无水乙醇和去离子水超声清洗，每次30min，自然晾干备用。将500ul浓度为6mg/ml的氧化石墨烯水相分散液加入到250ml无水乙醇中，然后再加入硝酸锌和醋酸锌各25mg，超声处理1小时配置成电泳沉积溶液。采用电泳沉积技术对医用镍钛合金进行电泳沉积，沉积电压为40V，沉积时间为60s。通过场发射电子显微镜(FE-SEM；S-4800,HITACHI,JAPAN)可知本实施例所得氧化石墨烯改性层的厚度约为57微米。

实施例3

将10mm×10mm×2mm的医用镁合金用1000#的碳化硅抛光至镜面，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，每次30min，自然晾干备用。将500ul浓度为6mg/ml的氧化石墨烯水相分散液加入到250ml无水乙醇中，然后再加入硝酸锌和醋酸锌各25mg，超声处理1小时配置成电泳沉积溶液。采用电泳沉积技术对医用镁合金进行电泳沉积，沉积电压为40V，沉积时间为60s。通过场发射电子显微镜(FE-SEM；S-4800,HITACHI,JAPAN)可知本实施例所得氧化石墨烯改性层的厚度为8.4微米。

实施例4

将10mm×10mm×1mm的商业纯钛用体积比为HF:HNO₃:H₂O＝1:5:30的混合酸活化处理5min，然后依次用无水乙醇和去离子水超声清洗，每次30min，自然晾干备用。将500ul浓度为6mg/ml的氧化石墨烯水相分散液加入到250ml无水乙醇中，然后再加入硝酸锌和醋酸锌各50mg，超声处理1小时配置成电泳沉积溶液。采用电泳沉积技术对医用纯钛进行电泳沉积，沉积电压为40V，沉积时间为30s。通过场发射电子显微镜(FE-SEM；S-4800,HITACHI,JAPAN)可知本实施例所得氧化石墨烯改性层的厚度为2微米。

实施例5

将10mm×10mm×1mm的商业纯钛用体积比为HF:HNO₃:H₂O＝1:5:30的混合酸活化处理5min，然后依次用无水乙醇和去离子水超声清洗，每次30min，自然晾干备用。将2ml浓度为6mg/ml的氧化石墨烯水相分散液加入到250ml无水乙醇中，然后再加入硝酸锌和醋酸锌各25mg，超声处理1小时配置成电泳沉积溶液。采用电泳沉积技术对医用纯钛进行电泳沉积，沉积电压为40V，沉积时间为30s。通过场发射电子显微镜(FE-SEM；S-4800,HITACHI,JAPAN)可知本实施例所得氧化石墨烯改性层的厚度为13.7微米。

对经上述实施例1改性处理得到的医用纯钛进行耐腐蚀性能测试。测试样品为工作电极、石墨棒为对电极、甘汞电极为参比电极，利用电化学工作站(上海辰华CHI760C)测试材料的耐腐蚀性能,测试电压范围为-1V～1V。

图3是经上述实施例1改性处理得到的医用纯钛的腐蚀电位图，从图中可以看出改性后的医用纯钛表面的腐蚀电位均向正方向偏移，腐蚀电流都有不同程度的降低，表明改性后医用纯钛的耐腐蚀性能得到提高，其中GO-120试样的腐蚀电流最小，耐腐蚀性能明显优于低电压电泳沉积的试样。

对经上述实施例1改性处理得到的医用纯钛进行细菌涂板计数实验表征：所有样品经75％的酒精灭菌2小时，将浓度为10⁷CFU/ml的菌液滴在灭菌过的样品表面(0.06ml/cm²)，然后将滴有菌液的样品放入37℃恒温培养箱培养24h。取出24h培养的样品，将菌液倍比稀释后接种在含有培养基的琼脂板上。接种后的琼脂板放入37℃恒温培养箱培养18h，经过18h的培养后取出琼脂板计算活的细菌数(参照国家标准GB/T 4789.2)。抗菌率的计算根据以下公式：

其中，K:样品抗菌率；A:空白样品上的细菌平均数；B:测试样品上的细菌平均数。

图4是经上述实施例1改性处理得到的医用纯钛细菌涂板结果，图中：a表示活化处理的医用纯钛；b、c、d分别表示采用40V、80V、120V的沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；1代表大肠杆菌，2代表金黄色葡萄球菌。由图4可知，经上述实施例1改性处理的医用纯钛对应的琼脂板中无可见菌落出现，其抗菌率几乎达到了100％，这表明经上述实施例1改性处理的医用纯钛对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌展现出了良好的抗菌能力。

对经上述实施例1改性处理得到的医用纯钛进行细菌形貌分析：所有样品经75％的酒精灭菌2小时，将浓度为10⁷CFU/ml的菌液滴在灭菌过的样品表面(0.06ml/cm²)，然后将滴有菌液的样品放入37℃恒温培养箱培养24h。取出24h培养的样品，用体积分数为2.5％的戊二醛固定样品12小时，然后采用梯度浓度的酒精及六甲基二硅烷脱水干燥，置于电镜下观察。

图5是经上述实施例1改性处理得到的医用纯钛表面细菌扫描电镜图，图中：a表示活化处理的医用纯钛；b、c、d分别表示采用40V、80V、120V的沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛；1代表大肠杆菌，2代表金黄色葡萄球菌。从图中可以看出，改性前的医用纯钛表面细菌生长良好，细菌形态没有出现明显的变化，而改性后的医用纯钛表面的细菌出现了明显形态变化，细菌膜出现不同程度的褶皱甚至破裂，细菌呈现出死亡的状态，这表明经上述实施例1改性处理得到的医用纯钛确实能够有效的杀死细菌，具有很强的抗菌能力。

采用大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSC)体外培养7天的碱性磷酸酶(ALP)活性测试进一步评估经上述实施例1改性处理得到的医用纯钛的成骨分化能力。方法如下：

1)将75％酒精灭菌处理的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1mL密度为1×10⁴cell/mL的rBMSC细胞悬液；

2)将细胞培养板放入5％CO₂饱和湿度的细胞培养箱中37℃培养7天，期间，每3天更换一次培养液；

3)细胞培养7天后，将样品移至新的24孔培养板中，并用磷酸盐缓冲液清洗样品表面两遍，然后每孔加入500ul细胞裂解液于4℃裂解45min；

4)将细胞从样品表面洗脱，离心后取上清液。向上清液中加入磷酸对硝基苯酯，置于37℃恒温箱中30min后加入氢氧化钠溶液终止反应，通过测试其在405nm波长处的吸光度来计算反应生成的对硝基苯酚的量；

5)通过BCA蛋白法检测上清液中总蛋白量，最终用对硝基苯酚的物质的量(μM)/总蛋白质量(μg)来衡量ALP活性。

图6是rBMSC在经本发明实施例1改性处理前后医用纯钛表面培养7天的碱性磷酸酶表达活性测试结果，图中：Ti表示活化处理的医用纯钛；GO-40、GO-80、GO-120分别表示采用40V、80V、120V沉积电压电泳沉积60s后的医用纯钛。ALP是干细胞早期成骨分化的标志，从图中可以看出，改性后的医用纯钛表面ALP的活性高于未改性试样，而且ALP的活性随着沉积电压的增加而增加。

对比例1

将10mm×10mm×1mm的医用纯钛用体积比为HF:HNO₃:H₂O＝1:5:30的混合酸活化处理10min，然后依次用无水乙醇和去离子水超声清洗，每次30min，自然晾干备用。将500ul浓度为6mg/ml的氧化石墨烯水相分散液加入到250ml无水乙醇中，然后再加入硝酸锌或醋酸锌50mg，超声处理1小时配置成电泳沉积溶液。静置一段时间后，单独加入硝酸锌或醋酸锌的氧化石墨烯溶液开始发生团聚，最终沉淀到烧杯底部，如图9所示，而硝酸锌和醋酸锌以质量比为1:1加入的氧化石墨烯溶液可稳定存在。

通过上述实施例及相应的结果可知，电泳沉积技术可以成功的在医用金属表面制备氧化石墨烯改性层，经过本发明改性处理的医用金属具有优异的结合强度、耐腐蚀性能和抗菌性能，同时可以促进干细胞向成骨细胞的分化。

产品应用性：本发明的方法简单可控，成本低，经本发明改性处理后的医用金属材料，其耐腐蚀性能、抗菌性能和细胞相容性得到明显改善。

Claims

1.一种医用金属材料的表面改性方法，其特征在于，包括：

医用金属材料的预处理；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理为将医用金属材料放入硝酸和氢氟酸的混合溶液中活化处理5～10 分钟后清洗并干燥。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电泳沉积电解液中氧化石墨烯的浓度为0.012～0.1mg/ml。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述溶剂为无水乙醇、异丙醇和去离子水中的至少一种。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述硝酸锌和氧化石墨烯的浓度比为1：（0.12～1）。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述医用金属材料为医用钛及钛合金、医用镁合金或医用不锈钢。

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的方法制备的医用金属基材料，其特征在于，所述医用金属基材料包含医用金属材料、均匀沉积于所述医用金属材料表面的氧化石墨烯改性层以及掺杂于所述氧化石墨烯改性层的Zn²⁺。

8.根据权利要求7所述的医用金属基材料，其特征在于，所述氧化石墨烯改性层的厚度在150μm以下。