CN202429999U - 一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌，所述的金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌是由金属和金属表面的纳米孔阵列组成，所述的金属是纯钛或钛合金，纳米孔阵列是TiO₂纳米孔阵列，所述的TiO₂纳米孔阵列刻蚀在纯钛或钛合金的表面，纳米孔结构分布均匀。其优点表现在：本实用新型的钛表面纳米孔阵列结构在有效克服了“纳米管”的容易脱层、且不具备良好的机械加工性能缺点的同时，创新性地制造特定尺度的纳米孔阵列结构，在以其制作工艺简单方便、成本低廉的优势，成为很有应用前景的骨种植和骨内固定材料。

Description

一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌

技术领域

本实用新型涉及一种新型植入材料，具体地说，是一种钛表面TiO₂纳米孔阵列结构。

背景技术

生物医用材料是指以医疗为目的，用于与活体组织接触并能实现某种功能的无生命材料（国际标准化组织ISO, 1987.10）。深入研究植入材料与人体的相互作用及由此产生的材料反应和宿主反应是研制理想生物医用材料的前提和必要条件。材料表面与受面组织细胞的相互作用是骨种植体材料临床应用效果好坏、治疗成功与否的关键性因素之一。材料表面特性影响组织细胞的黏附和生长，还将进一步影响细胞的增殖、分化和凋亡等一系列生理过程。

钛作为医用人体硬组织植入材料已获得广泛应用，生物相容性较好，且能行使比较理想的生物学功能。但钛是一种惰性材料，它的结构和性质与骨组织相差较大，不能象生物相容性好的材料那样可以与骨组织发生生物化学性结合。钛与骨组织之间仅为机械性骨整合，植入骨组织后失败的根本原因也在于此。已有的研究结果提示，植入材料表面修饰是解决这一难题的主要方法。近年来，纳米材料因其结构的特殊性，表现出许多不同于传统材料的物理、化学和生物性能，已被成功地应用于医学领域中。在口腔学、骨科学和整形外科学领域，钛种植体表面纳米化处理技术也有研究和应用的报道，对纯钛表面进行纳米形貌结构的修饰提高其生物相容性，已成为生物材料的前沿研究领域。纳米TiO₂薄膜是一种功能性薄膜，在医学领域也有较广阔的应用前景。纳米TiO₂薄膜的制备方法很多，主要有液相制备方法、物理制备法、化学气相沉积法和电化学方法等，其中，阳极氧化法是制备钛表面纳米TiO₂薄膜最经济、最常用的方法之一。

毋庸置疑，钛作为目前最常用的骨种植体材料，其表面粗糙法是其表面处理研究的主流方向，纳米技术是目前表面处理的热点技术之一，美国航空航天管理局（NASA）对纳米技术的定义为：通过对纳米尺度的控制（1-100nm）,创造出具有新型功能的材料、装置和系统，开发出材料的新现象和新性质（包括物理、化学和生物性质）。而纳米技术材料既可以是由纳米物质组成的材料，也可以是具有纳米结构表面的材料。目前常用的种植体表面纳米处理方法有物理压缩法、分子自组装技术、纳米颗粒沉积法、激光刻蚀法、纳米生物模拟法等，但是这些传统方法具有表面结构不均匀、易脱层、操作复杂等缺点。同时，不同的纳米尺度及形貌对细胞产生截然不同的影响，因此探索及研发有利于提高骨种植体成功率的纳米形貌是研究的方向之一。

发明内容

本实用新型的目的是，提供一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌，所述的金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌是由金属和金属表面的纳米孔阵列组成，所述的金属是纯钛或钛合金，纳米孔阵列是TiO₂纳米孔阵列，所述的TiO₂纳米孔阵列刻蚀在纯钛或钛合金的表面，纳米孔结构分布均匀。

所述的TiO₂纳米孔的孔径为20-25nm，孔的深度为8-12nm，深宽比约为0.3-0.45。

本实用新型优点在于：

本实用新型的钛表面纳米孔阵列结构在有效克服了“纳米管”的容易脱层、且不具备良好的机械加工性能缺点的同时，创新性地制造特定尺度的纳米孔阵列结构，在以其制作工艺简单方便、成本低廉的优势，成为很有应用前景的骨种植和骨内固定材料。

附图说明

附图1是本实用新型的一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的剖视图。

附图2是本实用新型的一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本实用新型作进一步描述。

实施例1  金属表面刻蚀纳米孔阵列的结构

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.纯钛或钛合金              2. TiO₂纳米孔

请参照附图1和附图2，附图1是本实用新型的一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的剖视图，附图2是本实用新型的一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的俯视图。本实用新型的的金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌是由金属和金属表面的纳米孔阵列组成，所述的金属是纯钛或钛合金1，纳米孔阵列是TiO₂纳米孔2阵列，所述的TiO₂纳米孔2阵列刻蚀在纯钛或钛合金1的表面，所述的TiO₂纳米孔2的孔径为20-25nm，孔的深度为8-12nm，深宽比约为0.3-0.45，纳米孔结构分布均匀。

实施例2  二氧化钛纳米孔的制备

主要仪器与试剂：

纯度为99%的钛片（Alfa Aesar 公司, 中国），氟化铵（分析纯，国药集团化学试剂有限公司，中国），DMEM培养基（Gibco，美国），胎牛血清（FBS，Gibco，美国）， 胰蛋白酶干粉（活性1∶250，Sigma，美国），EDTA（华美生物工程公司，中国），可编程直流电源（IT6834，苏州欧泰斯特电子有限公司，中国），（恒温磁力搅拌器（94-2，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司，中国），低温恒温槽（DC-0506，上海衡平仪器仪表厂，中国），铂电极（天津艾达恒晟科技发展有限公司，中国），激光扫描共聚焦显微镜（Leica TCS SP2，德国），场发射扫描电子显微镜（Fei Sirion 200，Philip，荷兰)，原子力显微镜（BioScope，Veeco 公司，美国），荧光封片剂(Invitrogen，美国)，Hoechst 33342（Sigma，美国），罗丹明－鬼笔环肽（Molecular Probes，美国）。

一、制备二氧化钛纳米管阵列

1）高纯度（99%）医用钛（15mm×20mm×0.25mm），分别用丙酮、无水乙醇、去离子水（DI水）各超声清洗10-20分钟，干燥后备用，部分用做空白对照组，部分用于后续的处理过程；

2）分别量取98ml乙二醇、2.5ml（2wt%）去离子水和0.335g（0.3wt%）NH₄F配制电解液，缓慢搅拌5-15分钟；

3）保持20℃恒温，以钛作为阳极，铂电极为阴极，在20V电压下阳极氧化100-110分钟；

4）将制得的材料样品分别在无水乙醇和去离子水（DI水）中超声清洗6-8分钟，干燥备用即可。

制得的纳米管管径约为20-25nm，管长约为1μm左右，深宽比约为20，并且管径均匀，纳米管阵列排列整齐，管壁光滑。

二、二氧化钛纳米孔的制备

由于在加工运输和材料种植的过程中，TiO₂纳米管层较脆弱，易受到损伤。因此，可以通过特定方法降低TiO₂纳米管层的厚度，使其仅为管径的一半左右（8-12nm），既可在钛片表面保有TiO₂纳米管的特征，满足细胞粘附的要求，又可避免TiO₂纳米管层易受损伤易脱落的缺点。

制备二氧化钛纳米孔阵列采用的方法是利用特定的腐蚀液，腐蚀掉大部分的纳米管，仅保留其管底部分的特征。其过程如下：

1）采用25%氨水（NH₄OH）、30%双氧水（H₂O₂）及去离子水（DI水）按1:1:5的摩尔比配置腐蚀液；

2）将腐蚀液加热到70℃，并保温1至2分钟；

3）将已生长完TiO₂纳米管阵列的钛材料放入腐蚀液内，腐蚀25-30分钟；

4）把处理过的样品取出，用流动的去离子水冲洗5分钟后，浸泡到去离子水中，并每隔1小时换水一次，重复三次。

将处理后的医用钛片（处理组）和未处理的医用钛（对照组）分别清洗、干燥、真空蒸镀金膜技术喷金后，行扫描电子显微镜观察、摄像记录。同时，应用原子力显微镜， 对比观察处理组与对照组材料的表面结构特征，对三维形貌特征进行分析。测试前试样同样需进行超声清洗、干燥，使材料表面保持清洁。

经过腐蚀液腐蚀后，材料表面的纳米管阵列形貌已经完全消失了，留下的是纳米管底部的形貌特征，呈现出一个个均匀的纳米尺度的凹坑。经由扫描电镜（Scanning Electronic Microscope, SEM）与原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）的表征，其深宽比约在0.3-0.45之间。

需要说明的是，利用电化学阳极氧化法和化学腐蚀在钛表面能制备出特定尺度和形貌的TiO₂纳米孔层阵列结构。孔径约为20-25nm，孔深度约为8-12nm，深宽比约为0.3-0.45，纳米结构分布均匀。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌，其特征在于，所述的金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌是由金属和金属表面的纳米孔阵列组成，所述的金属是纯钛或钛合金，纳米孔阵列是TiO₂纳米孔阵列，所述的TiO₂纳米孔阵列刻蚀在纯钛或钛合金的表面，纳米孔结构分布均匀。

2.根据权利要求1所述的金属表面刻蚀纳米孔阵列的形貌，其特征在于，所述的TiO₂纳米孔的孔径为20-25nm，孔的深度为8-12nm，深宽比约为0.3-0.45。

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