一种具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层及其制备方法，采用含有纳米TiO2粉体的喷涂液料，利用真空感应等离子体喷涂技术在基材表面沉积得到所述微米/纳米多级结构二氧化钛涂层。本发明专利技术的制备方法具有操作简单、效率高、污染小、可重复性好、适合规模化生产等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层及其制备方法
本专利技术属于医用生物材料领域，具体涉及一种具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构二氧化钛(TiO2)涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
钛合金、不锈钢、钴铬钼常用于骨科植入器械的制造，在这些金属材料表面沉积多孔钛涂层可增加其与人体骨组织的接触面积，有助于植入体与骨组织间的长期稳定骨整合。但钛的生物惰性使得其植入后与宿主骨之间的骨整合时间较长，容易产生松动，导致种植失败。因此，如何使植入材料与宿主骨之间能快速形成稳定而持久的连接是骨植入体临床成功所面临的重要问题。研究表明，植入体材料表面的宏观、介观与微观结构构成的局部微环境决定着细胞的生物学行为。植入材料表面微环境的构建以及对成骨相关细胞行为影响研究已成为骨修复领域的研究热点，有助于解决植入材料与宿主骨组织间整合效果不佳的问题。从仿生角度考虑，理想的骨植入体材料表面应包含微米-纳米的多级结构。相对于单一微米结构或纳米结构植入体材料，微米/纳米多级结构表面的涂层表现出微米结构和纳米结构的协同效应，能更好地提高生物相容性以及骨整合能力。等离子喷涂是一种高效率制备无机涂层，包括生物医用的有效方法。传统的等离子喷涂技术能够制备大孔微米结构涂层，但难以获得纳米结构。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于一种具有优良生物相容性的微米/纳米结构TiO2涂层，以及一种新型快速且能制备具微米/纳米结构生物医用TiO2涂层的方法。一方面，本专利技术提供了一种具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层的制备方法，采用含有纳米TiO2粉体的喷涂液料，利用真空感应等离子体喷涂技术在基材表面沉积得到所述微米/纳米多级结构二氧化钛涂层。本专利技术采用液相进料的真空感应等离子体喷涂技术，获得上述具有优良生物相容性的微米/纳米结构TiO2涂层。其中，真空感应等离子体喷涂是采用液料(前驱体溶液或悬浮液)或粉体作为喷涂原料，通过高频感应放电方式产生等离子体进行喷涂的技术。喷涂过程中采用轴向进料以及枪内送料方式更容易将原料均匀地送入等离子射流的中心部位，提高了涂层的沉积效率以及等离子体的稳定性，有效降低制备成本。且采用高频感应放电的方式产生等离子体流，体炬大，速度低，熔融粒子发生团聚形成微米颗粒，易形成粗糙多孔的微米结构。采用液相进料，解决了直接输送纳米粉体的难题，且由于喷涂过程中液体的蒸发和挥发带走大量的热量，喷涂粒子经历的温度较低，具有降低原料颗粒长大的优点，有利于形成表面纳米结构。因此，得到了一种具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构TiO2涂层。较佳地，含有纳米TiO2粉体的喷涂液料为纳米TiO2粉体的悬浮液，所述含有纳米TiO2粉体的喷涂液料的溶剂为去离子水、乙醇和丙三醇中的至少一种。较佳地，所述含有纳米TiO2粉体的喷涂液料中纳米TiO2粉体和溶剂的质量比为3～15％。较佳地，所述纳米TiO2粉体的平均粒度为10～100nm，优选为10～40nm。较佳地，所述真空感应等离子体喷涂技术的工艺条件包括：本底真空为3.338～124.128KPa、工作频率为2～5MHz、喷涂液料经Ar雾化后输送，Ar流量为5～15slpm，压力为0.2～0.6MPa；输送方向与等离子体喷涂火焰方向一致，液料输送速度为5～15ml/min；感应等离子体气体Ar流量为20～30slpm；鞘气气体O2流量为40～50slpm；喷涂距离为100～150mm；喷涂功率为25～40kW，其中slpm是标准升/分钟。较佳地，将基材的表面经喷砂或砂纸打磨处理，然后无水乙醇溶液中超声处理3～5分钟，再于100～120℃干燥1～2小时。较佳地，所述基材为钛及钛合金、不锈钢或钴铬钼合金。另一方面，本专利技术提供了一种根据上述的方法制备的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层。再一方面，本专利技术还提供了一种根据上述的方法制备的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层在制备硬组织的修复与替换材料中的应用。本专利技术具有如下有益效果：1)本专利技术提供的制备方法，不仅可以一次喷涂获得表面微米/纳米结构，而且具有优良成骨性能的生物涂层；2)本专利技术的制备方法具有操作简单、效率高、污染小、可重复性好、适合规模化生产等优点；3)本专利技术制备的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层具有重要的研究价值，将带来较大的社会经济效益。附图说明图1为纳米TiO2粉体和具有微米/纳米多级结构的TiO2涂层的XRD图谱，其中(a)为纳米TiO2粉体的XRD图谱，(b)为具有微米/纳米多级结构的TiO2涂层的XRD图谱；图2为大气等离子喷涂制备的微米级涂层的表面扫描电镜照片，其中(a)为低倍率下的表面形貌图，(b)为高倍率下的表面形貌图；图3为感应等离子喷涂制备的微米/纳米多级结构涂层的表面扫描电镜照片，其中(a)为低倍率下的表面形貌图，(b)为高倍率下的表面形貌图；图4为成骨细胞在不同材料表面粘附24h后SEM照片，其中(a)为大气等离子喷涂制备的微米级涂层，(b)为感应等离子喷涂制备的微米/纳米多级结构涂层；图5为不同材料表面成骨细胞1、4、7天ALP活性定量结果；图6为不同材料表面成骨细胞14天矿化的定量结果；图7为真空感应等离子喷涂示意图；图8为传统大气等离子喷涂过程示意图；符号说明：1为粉末加料机、2为粉体和运载气体、3为感应等离子体气体(Ar)、4为鞘气气体(O2)、5为高频发生器/2～5MHz、6为感应等离子喷枪、7为涂层、8为基体、9为基体座、10为窗口、11为真空室、12为真空泵。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术提供的具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构TiO2涂层，是指在钛及钛合金、不锈钢、钴铬钼合金等多种基材表面采用感应等离子喷涂技术沉积而成的涂层。本专利技术采用的是真空感应等离子喷涂，属于高频感应放电产生等离子体，工作频率为2-5MHz，反应室为密闭空间，可以调节反应室的压力和气氛。将基材表面进行预处理。具体来说，是指将基材的表面经喷砂或砂纸打磨处理后，再于无水乙醇溶液中超声处理3～5分钟，最后在100～120℃干燥1～2小时。所述基材可为钛及钛合金(例如，Ti-6Al-4V合金、Ti-6Al-7Nb合金、Ti-Mo-Ni合金等)、不锈钢、CoCrMo合金等。其中，喷砂处理的压强可为0.2MPa。本专利技术中含有纳米TiO2粉体的喷涂液料可为纳米TiO2粉体的悬浮液。所述纳米TiO2粉体的平均粒度可为10～100nm，优选为10～40nm，能够使粉体得到充分熔融，提高沉积效率。所述含有纳米TiO2粉体的喷涂液料的溶剂可为去离子水、乙醇和丙三醇中的至少一种。此外，所述含有纳米TiO2粉体的喷涂液料中纳米TiO2粉体和溶剂的质量比可为3～15％，该取值范围内悬浮液具有适于喷涂的粘度，具有良好的雾化效果。所述的喷涂液料的制备方法包括：将平均粒度为10～100nm的TiO2粉体分散于溶剂(例如，去离子水等)中，形成固液质量比为3～15％的TiO2粉体悬浮液。然后再将TiO2粉体悬浮液置于磁力搅拌器中搅拌10～60分钟，随后超声处理10～30分钟，得到可用于喷涂的喷涂液料。本专利技术提供的具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构TiO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层的制备方法，其特征在于，采用含有纳米TiO2粉体的喷涂液料，利用真空感应等离子体喷涂技术在基材表面沉积得到所述微米/纳米多级结构二氧化钛涂层。

【技术特征摘要】
1.一种具有优良生物相容性的微米/纳米多级结构二氧化钛涂层的制备方法，其特征在于，采用含有纳米TiO2粉体的喷涂液料，利用真空感应等离子体喷涂技术在基材表面沉积得到所述微米/纳米多级结构二氧化钛涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，含有纳米TiO2粉体的喷涂液料为纳米TiO2粉体的悬浮液，所述含有纳米TiO2粉体的喷涂液料的溶剂为去离子水、乙醇和丙三醇中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述含有纳米TiO2粉体的喷涂液料中纳米TiO2粉体和溶剂的质量比为3～15%。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述纳米TiO2粉体的平均粒度为10～100nm，优选为10～40nm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述真空感应等离子体喷涂技术的工艺条件包...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾静萍，谢有桃，李恺，黄利平，赵君，贺延昌，郑学斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31