CN110484773A - 一种钛合金基材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金基材及其制备方法，包括以下原料：钛粉75‑85份，镁粉55‑65份，尿素15‑25份，碳酸氢铵13‑17份，碳化硅8‑12份，合成蜡7‑12份，通过从海洋生物贻贝中提取粘附蛋白与广泛抗菌的抗菌肽抗脂多糖因子（ALF）交联形成共聚物，将共聚物溶于含有钙锌离子的电解质中，采用恒压原位沉积法通过恒压电解，将共聚物连同钙锌离子一起沉积覆盖在钛镁合金表面形成双层抗菌涂层钛合金。

Description

一种钛合金基材及其制备方法

技术领域

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种钛合金基材及其制备方法。

背景技术

目前，对于水产品、海产品的运输方式通常有帆布袋、橡胶袋运输、活鱼运输罐、尼龙袋充氧运输等运输方式，上述的运输方式均无法满足对于水产品、海产品的运输要求，在长途运输时极易滋生细菌。现有一些运输方式会采用合金集装箱，但是普通的合金集装箱含有重金属较多、细菌滋生严重。因此，选择一种新型合金集装箱用来运输水产品和海产品就显得尤为重要。

综合各方面考量，钛合金因其具有良好的性能，而可以选择用来应用到船舶、汽车上用于运输水产品和海产品。但是常用的钛合金多采用Al、Fe、V等毒性金属元素与钛形成合金，该钛合金使用量占全部钛合金的75%-80%，其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V的改性如Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb，但是 Ti-6Al-4V虽有优良的机械性能和耐腐蚀性，但因合金中含有有毒元素对生物体有害，甚至可能致癌。同时目前所用的钛合金普遍存在刚度过高，韧性不足，可塑性差等问题；

另外，钛合金合金是一类生物惰性材料，自身没有生物抗菌性能，易粘附细菌，这就会导致水中的细菌滋长，危害鱼类的生存，目前通过在合金中添加抗菌Cu元素或用抗生素涂层的方法尽管可以起到抗菌的作用，但由于Cu和抗生素的引入，造成抗菌的同时安全性下降，且容易造成抗生素滥用的问题。

因此，发明一种能够应用与汽车、船舶上的可用于运输海产品、水产品的钛合金集装箱显得尤为重要。

发明内容

本发明提供一种钛合金基材及其制备方法，解决背景技术中现有的钛合金在应用到水、海产品运输时安全性差、易滋生细菌、可塑性差、硬度过高等一系列问题。

具体技术方案如下：

一种钛合金基材，包括如下重量份的原料：钛粉75-85份，镁粉55-65份，尿素15-25份，碳酸氢铵13-17份，碳化硅8-12份，合成蜡7-12份；所述钛合金基材外层涂覆有双层抗菌涂层，所述双层抗菌涂层是从贻贝中提取的粘附蛋白与抗菌肽抗脂多糖因子交联形成的共聚物；所述双层抗菌涂层的覆盖方法为：将共聚物溶于含有钙锌离子的电解质中，采用恒压原位沉积法通过恒压电解，将共聚物连同钙锌离子一起沉积覆盖在钛合金基材表面形成双层抗菌涂层。

优选的，包括以下步骤：1）取相应份数的原料，将所有原料投入混料机中进行混料，将充分混合后的原料加入到压力设备中，压力100MPa，持续25min，然后将压制好的试样投入烧结炉进行烧结，一阶段温度200℃，加热时间5h，二阶段烧结温度1200℃，烧结时间2h，三阶段温度500℃，加热时间2h，空冷；

2）提取粘附蛋白；

3）构建共聚物；

4）将共聚物涂覆到钛合金基材上，制备抗菌仿生涂层。

优选的，所述粘附蛋白的提取步骤如下：

采集厚壳贻贝的足丝纤维，洗涤三次，冷冻干燥，制成粉末，加入醋酸-尿素溶液，以组织匀浆器在冰上进行匀浆，每半小时加一次苯甲基磺酰氟；另取冻干粉末样品按照1:3（W/V）比例加入20mL醋酸-盐酸胍溶液，用组织匀浆器在冰上进行匀浆，两次匀浆后的样品溶液离心处理，取上清液透析，经透析后的蛋白样品真空冷冻干燥，还原；还原后的样品溶解，于黑暗处反应45min，再加入预冷的丙酮，取沉淀加入溶解液混悬，充分溶解样品，之后在样品溶液中加入胰蛋白酶溶液进行酶解，得到足丝中粘附蛋白。

优选的，所述上清液透析的透析过程为：取上清液置于截留分子量为1000Da的透析袋中，以5％醋酸溶液4L透析24h。

优选的，所述共聚物的构建过程如下：

将一定比例的粘附蛋白与抗菌肽抗脂多糖因子溶液共混，37℃下孵育加入摩尔比为01:005:005的EDC／NHS／MES交联剂，其中交联剂:反应液=1:8，搅拌反应3小时。

优选的，所述恒压电解形成双层抗菌涂层时电解液配置的具体步骤为：将共聚物溶解醋酸溶液中，室温搅拌，放置于4℃的冰箱中备用；将CaCl2和Zn(NO3)2溶于去离子水制备得到钙锌先驱体溶液；将上述制备得到的CaCl2和Zn(NO3)2钙锌先驱体溶液和共聚物溶液混合，加入PBS溶液得到最终的电解液。

优选的，配置得到电解液后，在磁力条件搅拌下，用浓度为0.2M的氨水溶液将其pH调整至4.5。

有益效果：

1.本发明通过从海洋生物贻贝中提取粘附蛋白，贻贝靠贻贝足丝牢牢的粘附在固体表面，提高了钛合金的抗磨损、抗损坏特性；从贻贝足丝中提取粘附蛋白作为天然胶粘剂，与抗脂多糖因子交联形成共聚物，作为仿生抗菌涂层通过恒压电解沉积于制备的钛镁合金表面，抗脂多糖因子从海洋甲壳生物中提取的短链抗菌肽，具有抗革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和病毒等广谱抗菌作用，同时在电解液中还加入了钙、锌元素，增强了抗菌作用，同时使钛镁合金的性能大大提高，能够保证在运输海、水产品时的抗菌性，提升存活率。

2.本发明经过特殊的配比制得的钛合金，安全无毒，不会对运输的产品造成污染，同时硬度值适中，韧性较好，可塑性好，能够根据需要制成多种形状的运输集装箱。

3.在提取粘附蛋白时，每半小时加一次苯甲基磺酰氟，能够有效抑制蛋白酶解，提高粘附蛋白的提取率；在还原后的样品进行溶解时，使其至于黑暗处反应45min，能够保护蛋白质序列中半胱氨酸的巯基，防止二硫键的重新形成，提高了粘附蛋白的提取率，提升了共聚物的粘附性。

附图说明：

图1：钛合金构建示意图；

图2：实施例1不同混合比例的钛合金维氏硬度测定；

图3：提取贻贝粘附蛋白的酸尿素凝胶电泳分析；

图4：共聚物SEM形态；

图5：新型钛合金抗菌活性测定。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中的钛合金包括如下重量份的原料：钛粉75份，镁粉60份，尿素15份，碳酸氢铵15份，碳化硅10份，合成蜡10份。

实施例2：

本实施例中的钛合金包括如下重量份的原料：钛粉80份，镁粉55份，尿素20份，碳酸氢铵13份，碳化硅8份，合成蜡12份。

实施例3：

本实施例中的钛合金包括如下重量份的原料：钛粉83份，镁粉65份，尿素17份，碳酸氢铵17份，碳化硅9份，合成蜡9份。

实施例4:

本实施例中的钛合金包括如下重量份的原料：钛粉85份，镁粉61份，尿素25份，碳酸氢铵15份，碳化硅12份，合成蜡8份。

上述实施例中的钛合金均按照以下步骤进行制备：1）取相应份数的原料，将所有原料投入混料机中进行混料，将充分混合后的原料加入到压力设备中，压力100MPa，持续25min，然后将压制好的试样投入烧结炉进行烧结，一阶段温度200℃，加热时间5h，二阶段烧结温度1200℃，烧结时间2h，三阶段温度500℃，加热时间2h，空冷；

2）提取粘附蛋白；

所述粘附蛋白的提取步骤如下：采集厚壳贻贝系于洁净的的玻璃板上，于流动洁净通氧的海水中恒温(15℃)饲养24小时。等到厚壳贻贝足腺分泌足丝纤维及足丝盘后，取出玻璃板，以干净的解剖剪沿足丝与贻贝足跟部界面剪断；分别以自来水、去离子水清洗玻璃板，之后用解剖刀沿足丝纤维与足丝盘之间剪断，收集足丝纤维经去离子水洗涤三次后使用冻干机在减压-50℃下，冷冻干燥，制成粉末，取粉末按照1:3（W/V）比例加入醋酸-尿素溶液(8M的尿素溶于5％醋酸溶液，含0.1％的还原剂磷酸三氯乙酯(TCEP))，之后别以组织匀浆器(匀浆所用玻璃匀浆器需用去离子水冲洗干净)在冰上进行匀浆，每半小时加一次苯甲基磺酰氟（PMSF）；另取冻干粉末样品按照1:3（W/V）比例加入20mL醋酸-盐酸胍溶液(4M的盐酸胍溶于5％醋酸溶液，含0.1％的还原剂TCEP)，用组织匀浆器在冰上进行匀浆，每半小时加一次PMSF两次匀浆后的样品溶液经离心(20，000×g，离心30min，4℃)，取上清液置于截留分子量为1000Da的透析袋中，以5％醋酸溶液4L透析过夜，经透析后的蛋白样品真空冷冻干燥，以10mM二硫苏糖醇(DTT)溶液作为还原剂于50℃条件下进行还原，时间为2小时；还原后的样品以55mM碘乙酰胺(IAA)溶液溶解，于黑暗处反应45min用以保护蛋白质序列中半胱氨酸的巯基，防止二硫键的重新形成。之后再样品中加入预冷的丙酮(丙酮:样品体积比=5:1)于-20℃沉淀lh；经离心(12000rpm，4℃，20分钟)后，取沉淀加入20μl溶解液混悬，充分溶解样品:之后在样品溶液中加入胰蛋白酶溶液；按照酶:蛋白质=1:20的比例加入胰蛋白酶，酶解时间为18h，酶解温度为37℃，得到足丝中粘附蛋白。

3）构建共聚物：将一定比例的粘附蛋白与抗脂多糖因子（ALF）溶液共混，37℃下孵育加入摩尔比为01:005:005的EDC／NHS／MES交联剂(交联剂:反应液=1:8)，搅拌反应3小时。

4）将共聚物涂覆到钛合金基材上，制备抗菌仿生涂层:

A、配制电解液：将粘附蛋白/抗脂多糖因子（ALF）共聚物溶解在0.01Ｍ的醋酸溶液中，室温搅拌6h后得到1mg/ml的共聚物溶液，放置于4℃的冰箱中备用。CaCl2和Zn(NO3)2作为电解液钙锌元素的来源，将CaCl2和Zn(NO3)2溶于去离子水作为钙锌先驱体溶液。将上述制备得到的CaCl2和Zn(NO3)2钙锌先驱体溶液和共聚物溶液分别按照体积比混合，加入PBS溶液得到最终的电解液。在磁力条件搅拌下，用浓度为0.2M的氨水溶液将其pH调整至4.5。

B、电沉积：采用的是双电极电化学沉积体系，以纯铂片作为阳极，以步骤A中制备的Ti-Mg合金作为阴极，两电极间的距固定为2cm。采用CHI电化学工作站中的控制电解电位库伦法进行沉积，电压设定为2.2Ｖ，沉积时间为30分钟，沉积完成后，将Ti-Mg合金从电解液中取出，于37℃烘箱内干燥，得到的抗菌涂层钛合金基材。

相关性能检测：

按照实施例1中钛合金的原料份数进行钛合金的制备，在配置电解液时，将制备得到的CaCl2和Zn(NO3)2钙锌先驱体溶液和共聚物溶液分别按照体积比1:1，1:3，1:6混合，加入PBS溶液得到最终的电解液；在沉积完成后，将Ti-Mg合金从电解液中取出，于37℃烘箱内干燥，得到的抗菌涂层钛合金基材分别命名为:TiMg1X，TiMg3X，TiMg6X，对上述钛合金基材进行相关性能检测。

一、硬度测定

分别将制得的TiMg1X，TiMg3X，TiMg6X抗菌钛合金在硬度计上测量其维氏硬度，试验力为8N，加压持续10s，测量金刚钻头压出的两条对角线压痕长度，经过计算机硬度分析软件自动计算得出硬度值，最终硬度值取五个点的平均值，检测结果见图2。

从图中可以看出，普通的钛合金硬度较高，韧性不足，可塑性差，而经过本发明特殊的配比制得的钛合金，硬度值适中，韧性较好，可塑性好，能够根据需要制成多种形状的运输集装箱。

二、提取的贻贝足丝粘附蛋白（Pvfp）鉴定

自然提取的贻贝粘附蛋白的酸尿素凝胶电泳分析,分别用考马斯亮蓝和NBT染色鉴定结果，实验结果见图3。

提取的粘附蛋白主要由13种蛋白组成，通过NBT染色结果表明，该13种蛋白中有种11蛋白被NBT染成明显可见的棕色条带（NBT可与DOPA作用形成棕色反应物）,这些NBT阳性蛋白即为多巴蛋白，由此可见从天然贻贝足丝中提取的粘附蛋白的主要由多巴蛋白组成。由于多巴蛋白含有邻苯二酚官能团结构，可发生聚合，与抗脂多糖因子交联形成的共聚物，在电镜下观察交联效果，结果见图4。

三、抗菌性能测试

抗菌实验采用覆膜法，参照国标GB/T2591标准。分别取300μl浓度为1.0×10５CFU/ml细菌液滴在样品表面，用灭菌镊子夹起灭菌覆盖膜（50mm×20mm）分别覆盖在样品表面上，表面铺平，使菌均匀接触样品，在湿度大于30％的37℃的恒温培养箱中培养24h。取出培养24h后的覆盖有细菌的材料，分别用15ｍl的PBS洗脱液将材料表面和玻璃片上的细菌反复冲洗，采用超声震荡的方式辅助清洗将表面的细菌全部收集，将冲洗得来的细菌连同液体一同收集在烧杯中，混合均匀。然后取烧杯中100μl的细菌液滴入装有营养琼脂培养基中，均匀涂开后放入37℃的培养箱培养24h。24h后，将培养皿取出，对细菌进行计数。实验结果见图5。

从图中可以看出，经过本发明制备得到的钛合金，细菌数量明显低于普通的钛合金，这表明经过本发明制备得到的钛合金具有良好的抗菌性，能够保证在运输过程中抑制细菌的滋生，保证海、水产品的存活率和安全性。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钛合金基材，其特征在于，

包括如下重量份的原料：钛粉75-85份，镁粉55-65份，尿素15-25份，碳酸氢铵13-17份，碳化硅8-12份，合成蜡7-12份；

所述钛合金基材外层涂覆有双层抗菌涂层，所述双层抗菌涂层是从贻贝中提取的粘附蛋白与抗菌肽抗脂多糖因子交联形成的共聚物；

所述双层抗菌涂层的覆盖方法为：将共聚物溶于含有钙锌离子的电解质中，采用恒压原位沉积法通过恒压电解，将共聚物连同钙锌离子一起沉积覆盖在钛合金基材表面形成双层抗菌涂层。

2.如权利要求1所述的钛合金基材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）取相应份数的原料，将所有原料投入混料机中进行混料，将充分混合后的原料加入到压力设备中，压力100MPa，持续25min，然后将压制好的试样投入烧结炉进行烧结，一阶段温度200℃，加热时间5h，二阶段烧结温度1200℃，烧结时间2h，三阶段温度500℃，加热时间2h，空冷；

2）提取粘附蛋白；

3）构建共聚物；

4）将共聚物涂覆到钛合金基材上，制备抗菌仿生涂层。

3.如权利要求1所述的钛合金基材，其特征在于，所述粘附蛋白的提取步骤如下：

采集厚壳贻贝的足丝纤维，洗涤三次，冷冻干燥，制成粉末，加入醋酸-尿素溶液，以组织匀浆器在冰上进行匀浆，每半小时加一次苯甲基磺酰氟；另取冻干粉末样品按照1:3（W/V）比例加入20mL醋酸-盐酸胍溶液，用组织匀浆器在冰上进行匀浆，两次匀浆后的样品溶液离心处理，取上清液透析，经透析后的蛋白样品真空冷冻干燥，还原；还原后的样品溶解，于黑暗处反应45min，再加入预冷的丙酮，取沉淀加入溶解液混悬，充分溶解样品，之后在样品溶液中加入胰蛋白酶溶液进行酶解，得到足丝中粘附蛋白。

4.如权利要求3所述的钛合金基材，其特征在于，所述上清液透析的透析过程为：取上清液置于截留分子量为1000Da的透析袋中，以5％醋酸溶液4L透析24h。

5.如权利要求1所述的钛合金基材，其特征在于，所述共聚物的构建过程如下：

将一定比例的粘附蛋白与抗菌肽抗脂多糖因子溶液共混，37℃下孵育加入摩尔比为01:005:005的EDC／NHS／MES交联剂，其中交联剂:反应液=1:8，搅拌反应3小时。

6.如权利要求1所述的钛合金基材，其特征在于，所述恒压电解形成双层抗菌涂层时电解液配置的具体步骤为：将共聚物溶解醋酸溶液中，室温搅拌，放置于4℃的冰箱中备用；将CaCl2和Zn(NO3)2溶于去离子水制备得到钙锌先驱体溶液；将上述制备得到的CaCl2和Zn(NO3)2钙锌先驱体溶液和共聚物溶液混合，加入PBS溶液得到最终的电解液。

7.如权利要求6所述的钛合金基材，其特征在于，配置得到电解液后，在磁力条件搅拌下，用浓度为0.2M的氨水溶液将其pH调整至4.5。