CN109989054B - 一种钛表面微纳米磷酸锌锶化学转化膜及其可控制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛表面微纳米结构磷酸锌锶化学转化膜及其可控制备方法，包括如下步骤：配制化学转化液，其中含有锶离子、锌离子、磷酸二氢根离子和促进剂；将上述化学转化液进行铁粉熟化处理，得到熟化液；将清洗和表面活化后的钛基体与纯铁夹耦合后浸泡于熟化液中进行化学转化处理，得到化学转化膜。通过转化液中含锌化合物加入量及促进剂调控，实现磷酸锌锶膜层不同微纳结构可控制备的方法。将引入生物功能性元素与微纳结构调控相结合，进一步提高钛基植入体的早期骨整合能力和抗菌性能，改善其临床应用效果。

Description

一种钛表面微纳米磷酸锌锶化学转化膜及其可控制备方法
技术领域
本发明属于生物医用金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种钛表面微纳米结构磷酸锌锶化学转化膜及其可控制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
钛及钛合金作为植入体材料在医学领域具有广泛应用，然而其作为生物惰性材料，在长期临床应用中暴露出存在植入体周围组织感染、早期促成骨能力不足等问题，因此对钛及钛合金进行表面改性赋予其生物功能化表面是进一步提高其植入效果的有效手段。磷酸盐化学转化法可以通过基体金属与溶液界面处发生化学及电化学反应在金属表面生成一层不溶性膜层，该方法制备的膜层由磷酸盐相组成，通过转化溶液配方设计，可以得到不同物相、成分及微纳结构组成的膜层体系。
锶(Sr)是人体骨骼和牙齿中存在的一种必需微量元素，其在人体内的生物学作用主要表现为促进骨生成和抑制骨吸收。国内外许多研究者通过体外细胞培养和动物体内植入研究发现，含锶磷酸盐或锶掺杂磷灰石促进骨生成的效果要显著优于单纯的钙磷酸盐。锌(Zn)也是人体内的一种微量元素，在人体内具有促进成骨细胞增殖、矿化和抑制细菌感染的双重作用。因此在钛及钛合金表面制备同时含有锶、锌元素的磷酸盐转化膜，可以赋予钛基植入体生物功能化表面，提高钛基植入体早期骨整合能力以及抗菌性能。除了在钛表面引入生物功能性元素之外，赋予钛基植入体表面特定的微纳米结构形貌也是改善其植入效果的有效途径。植入体材料表面形貌和结构对其生物相容性、骨整合和长期稳定性等都有重要的影响，微米及亚微米尺度结构可以提高植入体表面与周围骨组织间的生物力学嵌合效果，避免植入体松动失效。纳米尺度结构可以在微米及亚微米结构基础上进一步实现，目前已经有报道证明纳米结构能够提高植入体表面骨诱导能力和促进快速骨整合。
专利CN103952745A公开了一种在钛表面制备磷酸锌转化膜的方法，该方法借助于外加电场或超声场辅助磷酸盐化学转化，在钛基体表面制备出磷酸锌膜层。专利CN107338425A公开了一种在钛表面制备含锶磷酸盐生物活性转化膜的方法，该方法制备的转化膜主要物相组成为磷酸氢锶和磷酸锶。发明人发现，锌磷酸盐与锶磷酸盐在溶度积常数、化学反应平衡常数等热力学参数上存在较大差异，通常情况下直接通过化学反应合成时，锌磷酸盐会优先沉淀析出，难以形成磷酸锌锶混合物相。目前，国内外报道制备磷酸锌锶晶体相的方法通常需要借助高温固相反应进行合成，如文献(SrZn2(PO4)2–TiO2composite microwave dielectric ceramics with wide tunability range fortemperature coefficient of resonant frequenc[J]，J Mater Sci:Mater Electron(2017)28:11515–11520)报道了一种在860-900℃高温条件下通过固相反应制备磷酸锌锶晶体相的方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种钛表面微纳米结构磷酸锌锶化学转化膜及其可控制备方法。通过转化液中含锌化合物加入量及促进剂调控，实现磷酸锌锶膜层不同微纳结构可控制备的方法。将引入生物功能性元素与微纳结构调控相结合，进一步提高钛基植入体的早期骨整合能力和抗菌性能，改善其临床应用效果。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种钛表面微纳米磷酸锌锶化学转化膜的可控制备方法，包括如下步骤：
配制化学转化液，其中含有锶离子、锌离子、磷酸根离子和促进剂；
将上述化学转化液进行铁粉熟化处理，得到熟化液；
将清洗和表面活化后的钛基体与纯铁夹耦合后浸泡于熟化液中进行化学转化处理，得到化学转化膜。
促进剂是为了加快化学反应进程，缩短化学反应时间，提高膜层致密性，优化膜层微观结构。
铁粉熟化后的熟化液中含有一定量的亚铁离子，起到特定的催化作用，进而可以加速化学转化进程，促进磷酸盐晶体相在钛基体表面形成。
耦合后纯铁夹为耦合阳极，钛为耦合阴极，两者在酸性转化液中存在腐蚀电位差，可促进磷酸盐晶体相在耦合阴极即钛基体表面形成。
在一些实施例中，所述促进剂为Ca(NO3)2、NaNO3、NaNO2、NaClO3中的一种或多种。
在一些实施例中，化学转化液中各物质的浓度为：锶离子0.1-0.2mol/L、锌离子0.003-0.05mol/L、磷酸二氢根离子0.08-0.3mol/L，促进剂0.01-0.1mol/L。
进一步的，提供锶离子的化合物为SrCl2或/和Sr(NO3)2。
进一步的，提供锌离子的化合物为ZnO、Zn(H2PO4)2、Zn(NO3)2中的一种或多种。
进一步的，提供磷酸根离子的化合物为Zn(H2PO4)2和/或NaH2PO4。提供磷酸根的同时需要避免引入其他阳离子参与膜层形成进而干扰磷酸锌锶晶体相的生成，Zn离子可参与形膜，Na离子不参与形膜从而不对反应过程形成干扰。
在一些实施例中，钛基体的清洗方法，包括如下步骤：
将打磨好的钛基体依次用丙酮、乙醇、去离子水于室温下超声清洗10-15min；
然后用稀氢氟酸浸泡25-35s；
最后用清水洗净，即可。
进一步的，所述稀氢氟酸的浓度为1-3wt％，如，可以为1wt％、2wt％和3wt％。
在一些实施例中，钛基体的表面活化方法，包括如下步骤：用2-5g/L的胶体钛溶液浸泡25-40s。
进一步的，钛基体表面活化的温度为20-35℃。
在一些实施例中，化学转化液进行铁粉熟化处理的方法为：向化学转化液中加入铁粉，在20-35℃静置熟化12-24h，即得熟化液。
在一些实施例中，化学转化处理在超声场条件下进行，超声功率为120-300W。
进一步的，化学转化处理之前，用磷酸或氢氧化钠溶液调节熟化液的pH值为3-4。
进一步的，化学转化处理的温度为60-75℃，转化时间为40-60min。
在一些实施例中，还包括对产物进行清洗干燥的步骤，清洗为用去离子水冲洗，干燥的温度为30-40℃。温度过低时干燥时间延长，温度过高时膜层脱水过快，导致膜层产生微裂纹的风险增加。
一种钛表面微纳米磷酸锌锶化学转化膜，通过上述方法制备得到。
上述方法制备得到的钛表面不同微纳结构磷酸锌锶化学转化膜，锌、锶元素在膜层中均匀分布，主要物相组成为磷酸锌锶(SrZn2(PO4)2)。
一种表面改性钛合金，包括钛基体和附着于钛基体表面的微纳米磷酸锌锶化学转化膜。
所述表面改性钛合金作为植入体材料的应用。
该化学转化膜赋予钛生物功能性表面，改善其骨整合能力和抗菌性能。
本发明的有益效果是：
(1)本发明从锶、锌元素具有的独特生物学功能出发，通过磷酸盐化学转化方法在钛表面制备出了同时含有锌、锶两种元素且由磷酸锌锶晶体相组成的生物功能性膜层，制备方法工艺简单、成本低，膜层均匀、完整。
(2)本发明通过调控转化液中含锌化合物及促进剂的加入量，可以在不改变膜层元素及物相组成的前提下，实现具有不同微纳结构的磷酸锌锶膜层的可控制备，
本发明将引入生物功能性元素与微纳结构调控相结合，实现了元素、物相组成与微纳结构的双重可控制备，赋予钛基体生物功能性表面，对进一步提高钛基植入体的临床应用效果具有重要意义。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为参照本发明实施例1-4制备的纯钛表面不同微纳结构磷酸锌锶化学转化膜的X射线衍射图。
图2为参照本发明实施例1-4制备的纯钛表面不同微纳结构磷酸锌锶化学转化膜的场发射扫描电镜图像。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
(1)称取SrCl2·6H2O 32g，NaH2PO4·2H2O 14g，Zn(H2PO4)2·2H2O 10g，NaNO3 2g，溶于1L去离子水中混合均匀，得到化学转化基础液；
(2)称取还原铁粉5g，用7％v/v H3PO4酸洗5min后加入到化学转化基础液中，于室温下静置熟化24h，过滤取上清液后得到熟化液；
(3)用10wt％H3PO4或5mol/L NaOH溶液调节熟化液pH值为3.25；
(4)将打磨好的纯钛基体依次用丙酮、乙醇、去离子水于室温下超声清洗10min，然后用2wt％的氢氟酸于室温下处理30s，水洗后置于3g/L的胶体钛溶液中在室温下活化处理30s；
(5)将步骤(4)处理后的纯钛基体与纯铁夹耦合，然后浸泡于熟化液中，70℃下于240W超声场环境中处理60min；
(6)将步骤(5)所得产物用去离子水冲洗数次，40℃下干燥2h，得到纯钛表面磷酸锌锶化学转化膜。
实施例2
(1)称取SrCl2·6H2O 32g，NaH2PO4·2H2O 14g，Zn(H2PO4)2·2H2O 2g，NaNO3 2g，溶于1L去离子水中混合均匀，得到化学转化基础液；
(2)称取还原铁粉5g，用7％v/v H3PO4酸洗5min后加入到化学转化基础液中，于室温下静置熟化24h，过滤取上清液后得到熟化液；
(3)用10wt％H3PO4或1mol/L NaOH溶液调节熟化液pH值为3.25；
(4)将打磨好的纯钛基体依次用丙酮、乙醇、去离子水于室温下超声清洗10min，然后用2wt％的氢氟酸于室温下处理30s，水洗后置于3g/L的胶体钛溶液中在室温下活化处理30s；
(5)将步骤(4)处理后的纯钛基体与纯铁夹耦合，然后浸泡于熟化液中，70℃下于240W超声场环境中处理60min；
(6)将步骤(5)所得产物用去离子水冲洗数次，40℃下干燥2h，得到钛表面磷酸锌锶化学转化膜。
实施例3
(1)称取SrCl2·6H2O 32g，NaH2PO4·2H2O 14g，Zn(H2PO4)2·2H2O 1g，NaNO3 2g，溶于1L去离子水中混合均匀，得到化学转化基础液；
(2)称取还原铁粉5g，用7％v/v H3PO4酸洗5min后加入到化学转化基础液中，于室温下静置熟化24h，过滤取上清液后得到熟化液；
(3)用10wt％H3PO4或1mol/L NaOH溶液调节熟化液pH值为3.25；
(4)将打磨好的纯钛基体依次用丙酮、乙醇、去离子水于室温下超声清洗10min，然后用2wt％的氢氟酸于室温下处理30s，水洗后置于3g/L的胶体钛溶液中在室温下活化处理30s；
(5)将步骤(4)处理后的纯钛基体与纯铁夹耦合，然后浸泡于熟化液中，70℃下于240W超声场环境中处理60min；
(6)将步骤(5)所得产物用去离子水冲洗数次，40℃下干燥2h，得到钛表面磷酸锌锶化学转化膜。
实施例4
(1)称取Ca(NO3)2·4H2O 12g，SrCl2·6H2O 32g，NaH2PO4·2H2O 24g，Zn(H2PO4)2·2H2O 1.5g，NaNO3 2g，溶于1L去离子水中混合均匀，得到化学转化基础液；
(2)称取还原铁粉5g，用7％v/v H3PO4酸洗5min后加入到化学转化基础液中，于室温下静置熟化24h，过滤取上清液后得到熟化液；
(3)用10wt％H3PO4或1mol/L NaOH溶液调节熟化液pH值为3.50；
(4)将打磨好的纯钛基体依次用丙酮、乙醇、去离子水于室温下超声清洗10min，然后用2wt％的氢氟酸于室温下处理30s，水洗后置于3g/L的胶体钛溶液中在室温下活化处理30s；
(5)将步骤(4)处理后的纯钛基体与纯铁夹耦合，然后浸泡于熟化液中，70℃下于240W超声场环境中处理60min；
(6)将步骤(5)所得产物用去离子水冲洗数次，40℃下干燥2h，得到钛表面磷酸锌锶化学转化膜。
如图1描述了钛表面不同微纳结构磷酸锌锶化学转化膜的X射线衍射图谱。由图谱分析可知，实施例1-4中(即转化液中含锌化合物及促进剂加入量不同条件下)得到的转化膜物相组成都为磷酸锌锶晶体相(SrZn2(PO4)2)。
图2为钛表面不同微纳结构磷酸锌锶化学转化膜的场发射扫描电镜图像。其中图2.A、图2.B、图2.C、图2.D分别对应实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的磷酸锌锶转化膜形貌特征。由图中可知，磷酸锌锶转化膜可完整覆盖钛基体表面，形膜完整、致密、均匀。随着转化液中含锌化合物及促进剂加入量的改变，转化膜微纳结构组成即晶体构成单元形貌发生明显改变，表现出各自独特的形貌特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种钛表面微纳米磷酸锌锶化学转化膜的可控制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
配制化学转化液，其中含有锶离子、锌离子、磷酸二氢根离子和促进剂；
将上述化学转化液进行铁粉熟化处理，得到熟化液；
将清洗和表面活化后的钛基体与纯铁夹耦合后浸泡于熟化液中进行化学转化处理，得到化学转化膜；
其中，化学转化液中各物质的浓度为：锶离子0.1-0.2mol/L、锌离子0.003-0.05mol/L、磷酸二氢根离子0.08-0.3mol/L，促进剂0.01-0.1mol/L。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述促进剂为Ca(NO3)2、NaNO3、NaNO2、NaClO3中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：化学转化液中，提供锶离子的化合物为SrCl2或/和Sr(NO3)2；提供锌离子的化合物为ZnO、Zn(H2PO4)2、Zn(NO3)2中的一种或多种；提供磷酸二氢根离子的化合物为Zn(H2PO4)2和/或NaH2PO4。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：钛基体的清洗方法，包括如下步骤：
将打磨好的钛基体依次用丙酮、乙醇、去离子水于室温下超声清洗10-15min；
然后用稀氢氟酸浸泡25-35s；
最后用清水洗净，即可。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述稀氢氟酸的浓度为1-3wt％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：钛基体的表面活化方法，包括如下步骤：用2-5g/L的胶体钛溶液浸泡25-40s。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：钛基体表面活化的温度为20-35℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：化学转化液进行铁粉熟化处理的方法为：向化学转化液中加入铁粉，在20-35℃静置熟化12-24h，即得熟化液。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：化学转化处理在超声场条件下进行，超声功率为120-300W。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：化学转化处理之前，用磷酸或氢氧化钠溶液调节熟化液的pH值为3-4。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：化学转化处理的温度为60-75℃，转化时间为40-60min。
12.一种钛表面微纳米磷酸锌锶化学转化膜，通过权利要求1-11任一所述方法制备得到。
13.一种表面改性钛合金，其特征在于：包括钛基体和附着于钛基体表面的权利要求12所述的微纳米磷酸锌锶化学转化膜。
14.权利要求13所述表面改性钛合金作为植入体材料的应用。
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