一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法，采用纯钛片作为基体材料，将其表面打磨光滑后，清洗、烘干待用；配制刻蚀液，将抛光的钛片置入刻蚀液中刻蚀，然后清洗、烘干待用；将得到的纯钛样品浸泡在浓度为0.5mol

【技术实现步骤摘要】
一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法


[0001]本专利技术属于医用金属表面生物活化改性
，涉及一种钛基医用种植体表面生物活性涂层的制备技术，具体涉及一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]随着社会经济发展、文明进步和生活水平的日益提高，人类对自身的健康及医疗康复产业格外重视。与此同时，生活节奏加快，社会人口剧增，交通工具大量涌现，疾病及自然灾害等频繁发生，造成受到意外伤害的人数剧增。因此，发展生物医用植入材料用于人体组织的重建及修复具有巨大的经济效益和重大的社会效益。
[0003]在生物医用金属材料中，钛及钛合金具有化学稳定性强、耐蚀性好、比强度高、生物相容性优异等优点，凭借相对于其他金属的优良综合性能，成为医用硬组织植入体的首选材料。目前，钛金属是医用临床中性能最优的金属材料。因此在骨科、矫形外科、牙科等医学领域得到了更加广泛地应用。
[0004]钛及钛合金是一种生物惰性材料，在植入早期生物组织将它视为异物继而产生大量的胶原纤维将其包裹，导致其无法与骨形成牢固结合，在临床上表现为植入体很难在短时间内达到与周围骨组织之间的生物活性结合。同时，钛金属的弹性模量远高于骨，故钛合金与骨之间很难形成强有力的化学骨性结合，取而代之的仅是机械嵌连性的骨结合。在临床表现上，植入体与骨间力学性能的不匹配将导致植入部位产生应力屏蔽区，导致靠近植入体的骨组织密度减小并发生骨吸收，最终导致植入体的松动。因此，为了提高钛金属的生物活性，与骨形成无胶原纤维组织包裹的牢固骨性结合，须对钛金属进行表面改性。
[0005]常见的表面改性方法有溶胶-凝胶、阳极氧化、微弧氧化、气相沉积、离子注入以及激光或等离子体熔覆等技术。每种改性技术有各自的特点，但对于复杂形貌钛种植体表面而言，比如在边缘处或孔洞内均难以成膜。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法，以克服现有存在的问题，本专利技术通过简单易行的水热法实现了钛种植体表面3D构型的三维纳米纤维涂层的构建，浸入溶液中的各个表面，其涂层的构建是均匀一致的，无死角和遮蔽部位。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)机械抛光
[0010]采用纯钛片作为基体材料，将其表面打磨光滑后，清洗、烘干待用；
[0011]2)刻蚀
[0012]配制刻蚀液，将步骤1)得到的机械抛光的钛片置入刻蚀液中刻蚀，然后清洗、烘干
待用；
[0013]3)水热处理
[0014]将步骤2)得到的纯钛样品浸泡在浓度为0.5mol
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L-1
～1.0mol
·
L-1
的NaOH溶液中，在220℃～230℃的条件下水热处理2～17小时，即在钛表面得到高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层。
[0015]进一步地，步骤1)中依次采用100#、400#、800#、1500#的金相砂纸对基体材料的表面打磨。
[0016]进一步地，步骤1)中清洗具体为：依次用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗10～20min。
[0017]进一步地，步骤2)中刻蚀液由硝酸溶液、氢氟酸溶液及去离子水按照体积比1：1：8配制。
[0018]进一步地，所述硝酸溶液的质量分数为69.2％；氢氟酸溶液的质量分数为40％。
[0019]进一步地，步骤2)中刻蚀时间为20～30s。
[0020]进一步地，步骤2)中清洗具体为：首先采用去离子水清洗若干次，然后采用去离子水超声清洗20～30s。
[0021]进一步地，步骤3)具体为：将NaOH溶液注入水热反应釜中，溶液填充度为33％，并将纯钛样品浸泡入溶液中进行水热处理。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0023]1)复杂形貌钛种植体表面，比如在边缘处或孔洞内难以成膜，本专利技术成功解决了此类难题，通过简单易行的水热法实现了钛种植体表面3D构型的纳米纤维涂层的构建，浸入溶液中的各个表面，其涂层的构建是均匀一致的，无死角和遮蔽部位；
[0024]2)本专利技术制备的纳米纤维涂层，涂层与基体之间无不连续界面，划痕实验结果显示，涂层的结合强度在31.7
±
1.9N～49.4
±
2.3N，剥落部位在涂层内部并不在膜基结合处，说明涂层与基体之间的结合强度远大于该数值，本专利技术制备的纳米纤维涂层具有很高的结合强度。分析原因如下：
[0025]水热处理以前，设置有一步刻蚀工艺，该工艺的实施进一步去除了钛基体表面的污垢及氧化物，将新鲜的钛基体充分裸露出来与水热溶液发生反应，界面洁净、单一，增加基体与膜层的结合；同时刻蚀使基体表面呈现微坑结构，涂层通过“铆钉”作用与基体镶嵌在一起，即通过机械镶嵌增加基体与膜层的结合。
[0026]与此同时，在水热反应的氢氧化钠溶液中，钛酸钠纳米线薄膜在钛基体上的生长是向上、向下共生长，在此期间，Ti表面出现了一个腐蚀区域，钛酸钠纳米线向下生长，形成了深入内部的密集基底。反应初期纳米结构为基体被腐蚀而形成的网络骨架，进而演变为叶状、棒状，直至线状。因此，伴随着这种钛酸钠纳米线的原位向下、向上共生长。双向共生长机制和刻蚀机制的协同作用可以使钛酸钠薄膜与钛基体之间具有很好的结合强度。
[0027]3)植入体与骨间力学性能的不匹配将导致植入部位产生应力屏蔽区，导致靠近植入体的骨组织密度减小并发生骨吸收，最终导致植入体的松动。本专利技术实施例1-3的三种典型取向钛酸钠纤维涂层的弹性模量分别为14.53
±
0.58、1.69
±
0.08和0.95
±
0.05GPa与人体皮质骨和松质骨的弹性模量相当，可很好的避免应力屏蔽区的出现。
[0028]4)通过液气共同作用得到一种可用于制作贯穿皮质骨和松质骨专用骨钉的梯度
3D涂层。本专利技术实施例6得到了一种弹性模量梯度涂层，试样自上而下弹性模量数值从13.44
±
0.46Gpa
→
1.97
±
0.09Gpa逐渐过渡，恰好符合从皮质骨向松质骨的弹性模量变化。采用这种制备梯度涂层的方法进行表面改性的骨钉可用于贯穿皮质骨和松质骨的场合。
[0029]5)涂层具备微纳三维仿生结构，见图1、4、7，所以在类体液环境中能快速诱导形成骨磷灰石，以此提高植入体的生物活性。高比表面积的纳米纤维结构增强了与SBF的表面润湿性，润湿性提高了SBF中的水分子与Na2Ti6O
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纳米纤维的反应，导致表面羟基化，进而导致表面Ti-OH基团的形成，而Ti-OH被认为可促进骨磷灰石的成核。准垂直于基体的直立纤维提供了一个三维的纳米级微环境，纤维端部形成了无序排列的接触点，为后续本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)机械抛光采用纯钛片作为基体材料，将其表面打磨光滑后，清洗、烘干待用；2)刻蚀配制刻蚀液，将步骤1)得到的机械抛光的钛片置入刻蚀液中刻蚀，然后清洗、烘干待用；3)水热处理将步骤2)得到的纯钛样品浸泡在浓度为0.5mol
·
L-1
～1.0mol
·
L-1
的NaOH溶液中，在220℃～230℃的条件下水热处理2～17小时，即在钛表面得到高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层。2.根据权利要求1所述的一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中依次采用100#、400#、800#、1500#的金相砂纸对基体材料的表面打磨。3.根据权利要求1所述的一种3D构型高结合强度钛酸钠纳米纤维涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中清洗具体为：依次用丙酮、无水乙醇和去离子水分...

【专利技术属性】
技术研发人员：憨勇，王宏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：