一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用。该方法包括：在钛合金的表面进行激光加工，得到表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金；将表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金进行热氧化处理，使仿骨骼多孔织构结构的表面生成硬质TiO

【技术实现步骤摘要】
一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用
本专利技术属于生物医疗材料、材料表面改性及微纳制造领域，具体涉及一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用。
技术介绍
随着人类社会步入高龄化阶段，骨与关节损伤成为人们生活中常见的疾病之一。全世界因各类关节疾病需接受关节置换手术者高达5000万人，其中每年需人工髋关节置换治疗者达100多万例。但是，人工关节置换目前仍存在诸多不如意的问题有待解决，而这些问题都是和关节滑动表面的磨损、润滑等方面的原因息息相关。如何解决由于关节面间的摩擦磨损以及由于磨屑引发的“磨屑病”等生物相容性问题，是当前研究人工关节所面临的挑战。钛合金由于其低密度、高比强度、好的耐蚀性和生物适应性等受到了广泛的关注，在医疗和生物机械等领域越来越重要。遗憾的是，钛合金由于较低的塑性剪切抗力、低加工硬化性及表面形成氧化膜的高脆性，在摩擦接触应力作用下，易发生粘着磨损和磨粒磨损，具有较差的减摩和抗磨性能，大大限制了钛合金作为生物医学关节的应用。为改善钛合金摩擦性能，研究者们尝试以仿生思路对其进行表面改性。Ren等(RenL,WangT,ChenZ,etal.Self-LubricatingPEO–PTFECompositeCoatingonTitanium.Metals,2019,9(2):170.)通过微弧氧化法在钛合金表面制备了具有多孔结构的硬质TiO2层，利用浸渍，烧结等方法将PTFE填充入TiO2的多孔结构内，最终在钛合金表面得到具有减摩抗磨效果PEO-PTFE复合涂层。但该方法中，采用的微弧氧化法过程复杂，使用的电解质溶液成本较高，对环境有污染；并且该方法未以仿生角度对涂层进行结构设计，所得复合涂层虽减摩效果较好，但其承载能力不强。人体关节软骨组织整体呈现软/硬结合的结构，表层软质材料表现出极低摩擦系数，而底层硬质材料提供了极强的承载力，且底部多孔结构增强了软/硬材料的结合力，因此对人体关节软骨结构的仿生模拟一直是仿生摩擦学中的研究热点。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用。本专利技术提供了一种仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，该制备方法简单、过程可控、无污染物生成，所制备的仿生功能涂层呈现很好的摩擦学性能以及较高的耐磨承载能力。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。本专利技术提供了一种仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法。该方法包括：首先采用激光加工技术在钛合金表面成型出仿骨骼的多孔织构结构，再通过热氧化处理在多孔结构钛合金表面制备出一层二氧化钛(TiO2)硬质薄膜，再以旋涂方法将聚四氟乙烯(PTFE)乳液均匀涂在多孔TiO2硬质薄膜表面，放入真空干燥箱中干燥，最后在钛合金表面得到这种具有多孔结构软硬交替的PTFE/TiO2复合功能涂层(所述仿生人体关节组织结构的功能涂层)，该涂层组织结构类似于人体关节软骨的组织结构。本专利技术提供的一种仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，具体包括如下步骤：(1)在钛合金的表面上进行激光加工处理，洗涤，得到表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金；(2)将步骤(1)所述表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金升温进行热氧化处理，使所述仿骨骼多孔织构结构的表面生成一层硬质TiO2薄膜，冷却至室温，得到表面具有多孔TiO2硬质薄膜的钛合金；(3)在步骤(2)所述多孔TiO2硬质薄膜上均匀旋涂聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)，干燥，得到所述仿生人体关节组织结构的功能涂层(多孔结构软硬交替的PTFE/TiO2复合功能涂层)。进一步地，步骤(1)所述钛合金的表面粗糙度小于0.02μm。优选的，步骤(1)所述钛合金为TC4钛合金。进一步地，步骤(1)所述激光加工处理的扫描速率为2000-3000mm/s，扫描次数为20-40次。优选地，步骤(1)所述激光加工处理的激光波长为355nm，激光加工处理的功率为2w，激光加工处理的脉宽为15ns，脉冲重复频率为300kHz。进一步地优选地，步骤(1)所述激光加工处理的扫描次数为30次。进一步地，步骤(1)所述仿骨骼多孔织构结构为均匀分布在钛合金表面的多个孔织构结构组成，每个孔织构结构均为正方形织构，所述正方形织构的边长为150-250μm，所述正方形织构的深度为40-80μm；每个孔织构结构之间为未织构区域，所述未织构区域的宽度为60-80μm。进一步地，步骤(1)所述洗涤的方式包括超声清洗。优选地，在步骤(1)进行激光处理后，可以用无水乙醇对表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金进行超声清洗。进一步优选地，所述超声清洗的时间为15min。进一步地，步骤(2)所述热氧化处理的温度为650-850℃，所述热氧化处理的时间为300-400min。进一步地，步骤(3)所述聚四氟乙烯乳液的固含量为40-80wt％。优选地，步骤(3)所述聚四氟乙烯乳液的固含量为60wt％。进一步地，步骤(3)所述聚四氟乙烯乳液中的聚四氟乙烯的平均粒径为0.2μm。进一步地，步骤(3)所述旋涂的转速为900-1200rpm，旋涂的时间为20-40s；所述干燥的方式包括真空干燥；所述真空干燥的真空度为0.07-0.09MPa，真空干燥的温度为60-80℃，真空干燥的时间为120-180min。优选地，步骤(3)所述干燥为真空干燥，所述真空干燥的真空度为0.09MPa，真空干燥的温度为80℃，真空干燥的时间为180min。本专利技术提供一种由上述的制备方法制得的仿生人体关节组织结构的功能涂层。本专利技术提供的仿生人体关节组织结构的功能涂层能够应用在制备人工关节中。本专利技术从模仿人体关节的多尺度软/硬结合组织结构特性出发，在钛合金表面制备出底层为多孔TiO2硬质薄膜表层为PTFE自润滑涂层的仿生功能涂层。该制备方法简单方便，成本低廉，所制备的涂层摩擦性能优良。本专利技术从人体关节软骨的多尺度软/硬结合组织特性出发，综合利用激光加工技术、热氧化处理技术及涂覆技术，得到这种具有仿生组织结构特性的功能化涂层，该制备方法简单，成本低廉，所制备涂层具有很好的摩擦学性能以及较高的耐磨承载能力，可显著提高钛合金在工程领域及人工关节领域作为摩擦部件的使用寿命。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术提供的制备方法，采用激光加工技术与热氧化技术在钛合金表面制备出具有多孔结构的TiO2硬质薄膜，多孔形貌精确可控，薄膜厚度可调，制备过程无污染；(2)本专利技术提供的仿生人体关节组织结构的功能涂层，采用PTFE作为固体润滑有机层，减摩效果优异，价格低廉；(3)本专利技术提供的仿生人体关节组织结构的功能涂层，其以模仿人体关节结构为思路将软/硬涂层结合，在干摩擦下表现出低摩擦、低磨损、高承载能力以及长磨损寿命等优点，该仿生功能涂层具有较好的摩擦学性能，拓宽了钛合金在工程领域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n（1）在钛合金的表面上进行激光加工处理，洗涤，得到表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金；/n（2）将步骤（1）所述表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金升温进行热氧化处理，使所述仿骨骼多孔织构结构的表面生成一层硬质TiO

【技术特征摘要】
1.一种仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在钛合金的表面上进行激光加工处理，洗涤，得到表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金；
（2）将步骤（1）所述表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金升温进行热氧化处理，使所述仿骨骼多孔织构结构的表面生成一层硬质TiO2薄膜，得到表面具有多孔TiO2硬质薄膜的钛合金；
（3）在步骤（2）所述多孔TiO2硬质薄膜上均匀旋涂聚四氟乙烯乳液，干燥，得到所述仿生人体关节组织结构的功能涂层。


2.根据权利要求1所述的仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述钛合金的表面粗糙度小于0.02μm。


3.根据权利要求1所述的仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述激光加工处理的扫描速率为2000-3000mm/s，扫描次数为20-40次。


4.根据权利要求1所述的仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述仿骨骼多孔织构结构为均匀分布在钛合金表面的多个孔织构结构组成，每个孔织构结构均为正方形织构，所述正方形织构的边长为150-250μm，所述正方形织构的深度为40-80μm；每个孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏峰华，李傲松，孙建芳，唐邕涛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44