具有促成骨效应的钛及其合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供具有促成骨效应的钛及其合金及其制备方法和应用。表面改性钛及其合金材料包括钛或钛合金材料、以及形成于所述钛或钛合金材料表面的镁铁层状双金属氢氧化物薄膜。本发明专利技术的表面改性钛及其合金材料具有良好微环境碱性调控性能、生物相容性以及骨诱导能力。

Titanium and its alloys with bone-promoting effect and their preparation methods and Applications

【技术实现步骤摘要】
具有促成骨效应的钛及其合金及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种表面改性钛及其合金材料和其制备方法和应用，具体说是涉及一种采用水热处理对钛及其合金材料进行表面改性的方法，属于金属材料表面改性

技术介绍
钛及其合金具有耐腐蚀性能强、生物相容性良好、弹性模量与骨组织接近、无磁性等优点，已被广泛用作硬组织修复与替代材料(ProgressinMaterialsScience2009，54：397-425)。然而，钛及其合金材料为生物惰性材料，与人体骨组织结合不牢，易产生松动导致植入失败。因此，对其表面进行改性使其具有良好的骨诱导能力具有重要的社会与研究意义。有大量研究表明，适当的碱性微环境能有效促进干细胞成骨分化(OsteoporosisInternational2015，27：93-104)，因此，通过在钛及其合金表面构建碱性薄膜来调控微环境pH值，有望提高材料骨诱导能力。层状双氢氧化物(LDHs)在生物医用材料领域表现出极大地应用潜力。LDHs的主体结构是由二价金属氢氧化物构成的八面体水镁石状的板层结构，部分高价离子取代了原始结构中的二价金属离子，环境中的阴离子可进入板层之间平衡电荷。LDHs具有结构可调性和阴离子交换性能，调控两种阳离子的比例可调控其结构与氢氧根离子(OH-)吸附能力，从而调控表面局部微环境碱性。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的医用钛及其合金材料促成骨性能差，与骨组织结合不佳等缺陷，提供了一种具有良好的微环境碱性调控性能、生物相容性以及促成骨性能的表面改性钛材料及其制备方法和应用。第一方面，本专利技术提供一种表面改性钛及其合金材料，其包括钛或钛合金材料、以及形成于所述钛或钛合金材料表面的镁铁层状双金属氢氧化物薄膜。本专利技术的表面改性钛及其合金材料具有良好微环境碱性调控性能、生物相容性以及骨诱导能力。具体而言，在钛或钛合金材料表面具有镁铁层状双金属氢氧化物(Mg-FeLDHs)薄膜，液体环境中，薄膜水解释放一定数量的OH-，而部分OH-又可以进入Mg-FeLDHs的层间，从而使材料表面局部微环境具有一定的碱性，调控Mg-FeLDHs的Mg、Fe原子比可使其层间距产生变化，从而使其OH-吸附能力改变，并进一步影响材料表面微环境pH。即，所述表面改性钛及其合金材料能对表面局部微环境pH进行调控，获得具有合适碱性的微环境。此外，经过改性后的钛及其合金表面更有利于细胞黏附、铺展与增殖，且改性材料骨诱导能力显著提高。另外，镁与铁均是人体所必需的生命元素，因此，Mg-FeLDHs薄膜具有良好生物安全性。本专利技术所提供的Mg-FeLDHs薄膜所具备的这种独特的微环境碱性调控性能、良好的生物相容性以及优异的促成骨性能，使其在与骨组织接触的医用钛或钛合金器件中表现出极佳的应用前景。较佳地，所述镁铁层状双金属氢氧化物薄膜是通过Ti-O键与作为基体材料的钛或钛合金材料相连。较佳地，所述镁铁层状双金属氢氧化物薄膜中镁铁原子比为(1～10)：1。较佳地，所述镁铁层状双金属氢氧化物薄膜具有纳米片状结构，纳米片的尺寸为100～500nm。较佳地，所述镁铁层状双金属氢氧化物层间的阴离子主要为碳酸根离子。另一方面，本专利技术提供一种表面改性钛及其合金材料的制备方法，其包括：以含有Mg2+和Fe3+、且pH值为8.5～11的水热液为水热介质对钛或钛合金材料进行水热处理。本专利技术制备方法简单易行，成本低廉。通过调节水热液中的Mg2+和Fe3+的比例，即可方便地调控得到的镁铁层状双金属氢氧化物薄膜中Mg2+和Fe3+的比例。较佳地，所述水热液中，Mg2+和Fe3+的总浓度为0.01～0.5mol/L，Mg2+和Fe3+的摩尔浓度比为2～5：1。较佳地，所述水热液是通过将氢氧化钠与碳酸氢钠的混合溶液对含有Mg2+和Fe3+的水溶液进行滴定至pH值为8.5～11，然后继续搅拌20～60分钟，再进行第二次滴定，滴定后溶液pH值与第一次滴定后相同，再陈化时间0.5～3小时并进行第三次滴定且滴定后溶液pH值与第一次滴定后相同而得，其中，所述混合溶液中氢氧化钠与碳酸氢钠的摩尔浓度比为1～5：1。较佳地，所述水热处理的温度为80～130℃，时间为10～24小时。第三方面，本专利技术提供上述表面改性钛及其合金材料在制造医用金属器件、尤其是医用硬组织修复和/或替换材料中的应用。附图说明图1是经本专利技术改性处理前后的样品表面扫描电镜图(a-c)和EDS分析图(d-f)。图中a、d表示未经过水热处理的酸洗钛片，b、e表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为4，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片，c、f表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为2，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片。图2是经本专利技术改性处理前后的钛表面的XRD谱图。图中Ti表示未经过水热处理的酸洗钛片，LDH-4@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为4，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片，LDH-2@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为2，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片。图3是经本专利技术改性处理后的样品表面的XPS谱图(a)和经本专利技术改性处理前后的样品表面的FT-IR谱图(b)。图中Ti表示未经过水热处理的酸洗钛片，LDH-4@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为4，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片，LDH-2@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为2，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片。图4是经本专利技术改性处理后的钛表面刮下的粉末透射电镜图。LDH-4@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，镁离子与铁离子浓度比为4，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片。图5是经本专利技术改性处理后的样品浸泡在10％PBS溶液中不同时间的Mg2+释放(a)，Fe3+释放(b)情况以及经本专利技术改性处理前后的样品浸泡在超纯水中24小时后样品表面以上0.5cm到与样品表面之间pH测试值(c)。图中Ti表示未经过水热处理的酸洗钛片，LDH-4@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为4，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片，LDH-2@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为2，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片。图6是大鼠骨髓间充质干细胞在经本专利技术改性处理前后的钛表面的粘附铺展测试结果。图中1h、4h、24h分别代表粘附时间为1小时、4小时、24小时，图中Ti表示未经过水热处理的酸洗钛片，LDH-4@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为4，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片，LDH-2@Ti表示水热液Mg2+与Fe3+总浓度为0.05mol/L，Mg2+与Fe3+浓度比为2，且陈化时间为2小时水热处理的酸洗钛片。图7是大鼠骨髓间充质干细胞在经本专利技术改性处理前后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面改性钛及其合金材料，其特征在于，包括钛或钛合金材料、以及形成于所述钛或钛合金材料表面的镁铁层状双金属氢氧化物薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种表面改性钛及其合金材料，其特征在于，包括钛或钛合金材料、以及形成于所述钛或钛合金材料表面的镁铁层状双金属氢氧化物薄膜。2.根据权利要求1所述的表面改性钛及其合金材料，其特征在于，所述镁铁层状双金属氢氧化物薄膜是通过Ti-O键与作为基体材料的钛或钛合金材料相连。3.根据权利要求1或2所述的表面改性钛及其合金材料，其特征在于，所述镁铁层状双金属氢氧化物薄膜中镁铁原子比为（1～10）：1。4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面改性钛及其合金材料，其特征在于，所述镁铁层状双金属氢氧化物薄膜具有纳米片状结构，纳米片的尺寸为100～500nm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的表面改性钛及其合金材料，其特征在于，所述镁铁层状双金属氢氧化物层间的阴离子主要为碳酸根离子。6.一种权利要求1至5中任一项所述的表面改性钛及其合金材料的制备方法，其特征在于，包括：以含有Mg2+和Fe3+、且pH值为8.5～11的水热液为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宣勇，李倩雯，王东辉，
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