專利名稱：：一種提高醫(yī)用鈦植入物表面性能的熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鈦及鈦合金植入物的表面熱處理方法，特別是指提高醫(yī)用鈦植入物表面綜合性能的表面熱處理方法。
背景技術(shù)：
：鈦無毒、質(zhì)輕、強度高且具有優(yōu)良的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，可用作植入人體的植入物等，是人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、牙種植體、牙托、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架等醫(yī)用植入物產(chǎn)品的首選材料。目前使用的醫(yī)用鈦材料主要存在以下問題(l)耐磨性能較差；(2)耐腐蝕性能有待進(jìn)一步提高。這些問題與鈦材料的表面性能密切相關(guān)，因此，采用表面工程的方法對鈦材料進(jìn)行表面改性以提高其綜合表面性能是解決上述問題的有效途徑。鑒此，近年來鈦材料表面改性已成為生物材料學(xué)科最活躍、最引人注目和發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一。雖然早在20世紀(jì)50年代就開始了鈦表面改性的研究開發(fā)工作，直至近十年鈦表面處理工藝技術(shù)獲得顯著的進(jìn)展，包括化學(xué)熱處理，物理氣相沉積、離子注入和高能束表面改性工藝等。然而，由于技術(shù)上和/或經(jīng)濟上的原因，這些工藝還沒有在工業(yè)上獲得廣泛的應(yīng)用。因此，開發(fā)工藝先進(jìn)，成本低的能提高鈦表面綜合性能的表面改性新方法已是當(dāng)務(wù)之急。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可以提高醫(yī)用鈦植入物表面性能的熱處理方法，經(jīng)過該方法處理過的醫(yī)用鈦植入物的耐磨性和耐腐蝕性可以得到顯著的提高。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明熱處理方法的工藝過程包括對鈦植入物進(jìn)行預(yù)處理；將表面預(yù)處理好的鈦植入物放入可控氣氛熱處理設(shè)備中進(jìn)行表面熱處理以生成表面陶資層，氣氛為氮氧混合氣體；對表面熱處理后的鈦植入物進(jìn)行后處理以使其滿足醫(yī)學(xué)使用要求。鈦植入物在氮氧氣氛中生成了一層陶瓷層，該陶瓷層可以顯著提高鈦植入物的耐磨性和耐腐蝕性，同時還可以增強產(chǎn)品的美觀性提高其質(zhì)量和檔次。在上述熱處理時，所述可控氣氛優(yōu)選地為循環(huán)氮氧混合氣體，氮氧混合氣體不斷循環(huán)，使得氮氧混合氣體中各個局部溫度都基本上保持一致，這樣就l吏得鈦植入物表面上生成的陶瓷層厚度均勻。圖l是本發(fā)明熱處理方法的工藝流程圖；圖2是經(jīng)過熱處理的醫(yī)用鈦植入物的表面形貌顯微圖；圖3是經(jīng)過熱處理的醫(yī)用鈥植入物的橫截面組織顯微圖；圖4是鹽酸腐蝕實驗中未經(jīng)熱處理的醫(yī)用鈦植入物腐蝕前的表面形貌顯微圖5是鹽酸腐蝕實驗中未經(jīng)熱處理的醫(yī)用鈦植入物在5%的沸騰鹽酸中腐蝕一段時間后的表面形貌顯微圖6是鹽酸腐蝕實驗中經(jīng)熱處理的醫(yī)用鈦植入物腐蝕前的表面形貌顯微圖7是鹽酸腐蝕實驗中經(jīng)熱處理的醫(yī)用鈦植入物在5%的沸騰鹽酸中腐蝕一段時間后的表面形貌顯微圖8是模擬體液腐蝕實驗中未經(jīng)熱處理的醫(yī)用鈦植入物腐蝕前的表面形貌顯4敖圖9是模擬體液腐蝕實驗中未經(jīng)熱處理的醫(yī)用鈦植入物在模擬體液中腐蝕一段時間后的表面形貌顯微圖IO是模擬體液腐蝕實驗中經(jīng)熱處理的醫(yī)用鈦植入物腐蝕前的表面形貌顯微圖11是模擬體液腐蝕實驗中經(jīng)熱處理的醫(yī)用鈦植入物在模擬體液中腐蝕一段時間后的表面形貌顯微圖。具體實施例方式下面結(jié)合說明書附圖和具體實施方式對本發(fā)明提高醫(yī)用鈦植入物表面性能的熱處理方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，在進(jìn)行熱處理時，首先對醫(yī)用鈦植入物進(jìn)行預(yù)處理，在本實施例中，該預(yù)處理包括超聲波清洗和活化處理，超聲波清洗的目的是除去醫(yī)用鈦植入物表面上的污垢，防止污垢影響生成的陶瓷層與鈦基體之間的結(jié)合強度，超聲波清洗的時間一般為15至25分鐘適宜。然后將經(jīng)過超聲波清洗過的鈦植入物放入氫氟酸和硝酸的混合液中進(jìn)行活化處理以利于表面陶瓷的形核與生長，氫氟酸和硝酸的混合液的比例為HF:HN03:水=10:40:450，活化處理的時間1至IO分鐘為宜。當(dāng)然，根據(jù)不同的需要，上述預(yù)處理還可以采用其他現(xiàn)有的預(yù)處理工藝。然后再將經(jīng)過活化處理的醫(yī)用鈦植入物放入可控氣氛熱處理設(shè)備中進(jìn)行表面熱處理(PT0處理)，氣氛為氮氧混合氣體，氮氧混合氣體的體積比優(yōu)選地為氮氣70-90%、氧氣10-30%;表面熱處理的溫度優(yōu)選地為400-900°C,處理時間優(yōu)選地為20-120小時，經(jīng)過熱處理后的鈦植入物表面上生成一層陶瓷層，該陶瓷的厚度優(yōu)選地為1-5,，顯微硬度優(yōu)選為Hvl000-Hv1500。該陶瓷層可以顯著提高鈦植入物表面的耐腐蝕性和耐磨性。最后再將經(jīng)過熱處理的鈦植入物進(jìn)行后處理以使其滿足醫(yī)學(xué)應(yīng)用的要求，例如清潔、光飾等后處理。如圖2和圖3所示分別為經(jīng)過本發(fā)明表面熱處理后的鈦植入物表面形貌和橫截面組織的顯微圖。為了獲得表面厚度均勻的表面陶瓷層，上述可控氣氛可以采用循環(huán)氮氧混合氣體，其目的是為了保證熱處理氣氛中各個局部溫度基本上保持一致。由于溫度是一個可以影響陶瓷層生成的工藝參數(shù)，通過氮氧混合氣體的不斷循環(huán)混合實現(xiàn)鈦植入物表面各處的溫度基本上相同，使得生成的陶瓷層厚度均勻。述實驗可以說明本發(fā)明熱處理方法在不同的工藝參數(shù)下鈦植入物均可以獲得有效的表面防護(hù)陶瓷層。在本組實驗中，發(fā)明人首先控制熱處理溫度不變，然后在不斷變化熱處理的時間。首先對鈦植入體經(jīng)充分清潔后分別用丙酮和酒精進(jìn)行20分鐘超聲波清洗；清洗后的鈦植入體用(HF:HN03:水=10:40:450)液活化處理3分鐘；表面預(yù)處理好的鈦植入體放入可控氣氛熱處理設(shè)備進(jìn)行表面熱處理，氣氛為循環(huán)氮氧混合氣體(體積比為氮氣80%、氧氣20%)，處理溫度為700°C。當(dāng)處理時間為20小時，通過表面熱處理獲得厚度為1.2pm、顯微硬度為Hv927的陶瓷層；當(dāng)處理時間為80小時，通過表面熱處理獲得厚度為2.8nm、顯微硬度為Hvl504的陶瓷層；當(dāng)處理時間為130小時，通過表面熱處理獲得厚度為3.7pm、顯孩i硬度為Hvl406的陶瓷層。由此可見處理時間對陶瓷層的厚度具有一定的影響，但是這種影響并不是線性的。當(dāng)熱處理達(dá)到一定時間后，這種影響會變得越來越小。即當(dāng)達(dá)到一定的熱處理時間后，陶瓷層的厚度幾乎不會發(fā)生明顯的變化。然后在同樣的氣氛中，發(fā)明人控制熱處理時間不變，通過改變熱處理溫度來探尋熱處理溫度對陶瓷層的影響。實驗中處理時間均為80小時，當(dāng)熱處理溫度為400。C，通過表面熱處理獲得厚度為1.Opm、顯微硬度為Hvl161的表面陶瓷層。當(dāng)處理溫度為650。C，通過表面熱處理獲得厚度為2.4pm、顯微硬度為Hvl483的表面陶瓷層。當(dāng)處理溫度為900°C，通it^面熱處理獲得厚度為5.lnm、顯微硬度為Hvl380的表面陶瓷層。由此可見熱處理溫度對陶瓷層的生成也會產(chǎn)生影響，這樣也不是線性的影響。從現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)看，在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，陶瓷層的厚度也會隨著增加。由于陶瓷層的厚度不宜太厚，陶瓷層太厚容易剝落。但是陶瓷層的厚度也不宜太薄，陶瓷層太薄其防護(hù)能力差。因此，陶瓷層的厚度一般控制在l-5pm之間。下面結(jié)合實驗說明本發(fā)明的有益效果。發(fā)明人選取了五組未經(jīng)表面熱處理的醫(yī)用鈦植入物并將其標(biāo)號，分別測理，又有分別測量了其顯微硬度。表1所示是熱處理前后樣品的顯微硬度Hvo025，15對比試驗結(jié)果表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>通過上述數(shù)據(jù)對比，說明經(jīng)過本發(fā)明熱處理方法處理過的鈦植入物的顯微硬度平均增加了近五倍，我們知道，一般情況下，材料的硬度越高，其耐磨性也越高，因此，磨性得到顯著提高。發(fā)明人又選取三組鈦植入物進(jìn)行耐腐蝕性實驗并對其分別編號，實驗前先分別稱量其質(zhì)量，實驗后再次稱量其質(zhì)量。實驗環(huán)境為沸騰5%鹽酸溶液浸泡腐蝕，試驗時間4小時，試樣尺寸010x2mm。表2為實—險過程中記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>鈦植入物的表面耐腐蝕性得到了顯著提高。因為未經(jīng)過熱處理的樣品在上述酸性環(huán)境中其腐蝕速度為0.932毫克/厘米2.小時，而經(jīng)過熱處理的樣品在上述酸性環(huán)境中未出現(xiàn)質(zhì)量的變化，說明其耐腐蝕性相當(dāng)好。圖4和圖5為上述一組樣品未經(jīng)本發(fā)明熱處理方法處理的鈦植入物實驗前后的表面形貌顯微圖，圖6和圖7為同一組中經(jīng)過本發(fā)明熱處理方法處理的鈦植入物實驗前后的表面形貌顯微圖，通過這幾幅圖的對比可以更加直觀地說明本發(fā)明熱處理方法對提高鈦植入物表面耐腐蝕性起到非常顯著的效果。同時，發(fā)明人為了進(jìn)一步了解經(jīng)過本發(fā)明熱處理方法處理過的鈦植入物在人體環(huán)境中的耐腐蝕性，進(jìn)行了下述實—驗，采用MC-952C鹽水噴霧試驗機、Hank's人工模擬體液作為腐蝕介質(zhì)，試驗溫度為37°C，試驗時間為500小時。經(jīng)過腐蝕后，用JSM-5910掃描電鏡對鹽霧試驗前后鈦植入物試樣的表面形貌進(jìn)行觀察和分析。圖8和圖9是未經(jīng)熱處理的鈦植入物腐蝕前后的表面形貌顯微圖，從兩圖的對比可以看出，未經(jīng)熱處理的鈦植入物表面被腐蝕較嚴(yán)重。圖10和圖11是經(jīng)熱處理的鈦植入物腐蝕前后的表面形貌顯微圖，從兩圖的對比可以看出，經(jīng)熱處理的鈦植入物表面形貌幾乎未發(fā)生變化，說明其耐腐蝕性很強。在本發(fā)明中需要說明的是，說明書中任一處所指的鈦植入物為純鈦或者鈥合金的植入物。以上所揭露的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。權(quán)利要求1.一種醫(yī)用鈦植入物表面熱處理方法，其特征在于，該表面熱處理方法工藝過程包括對鈦植入物進(jìn)行預(yù)處理；將表面預(yù)處理好的鈦植入物放入可控氣氛熱處理設(shè)備中進(jìn)行表面熱處理以形成表面陶瓷層，氣氛為氮氧混合氣體；對表面熱處理后的鈦植入物進(jìn)行后處理以使其滿足醫(yī)學(xué)使用要求。2.如權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦植入物表面熱處理方法，其特征在于，所述可控氣氛為循環(huán)氮氧混合氣體。3.如權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦植入物表面熱處理方法，其特征在于，所述混合氣體的體積比為氮氣70-90%、氧氣10-30%。4.如權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦植入物表面熱處理方法，其特征在于，所述表面熱處理的溫度為400-90(TC,處理時間為20-120小時。5.如權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈥植入物表面熱處理方法，其特征在于，所述預(yù)處理包括對鈦植入物進(jìn)行超聲波清洗。6.如權(quán)利要求5所述的醫(yī)用鈦植入物表面熱處理方法，其特征在于，進(jìn)一步對鈦植入物進(jìn)行活化處理。7.如權(quán)利要求6所述的醫(yī)用鈦植入物表面熱處理方法，其特征在于，上述活化處理是在氬氟酸和硝酸的混合液中進(jìn)行。8.如權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦植入物表面熱處理方法，其特征在于，所述表面陶瓷層的厚度為l-5|um、顯微硬度為HvlOOO-Hvl500。全文摘要本發(fā)明涉及一種提高醫(yī)用鈦植入物表面性能的熱處理方法，其工藝過程包括對鈦植入物進(jìn)行預(yù)處理；將表面預(yù)處理好的鈦植入物放入可控氣氛熱處理設(shè)備中進(jìn)行表面熱處理以生成表面陶瓷層，該氣氛為氮氧混合氣體；對表面熱處理后的鈦植入物進(jìn)行后處理以使其滿足醫(yī)學(xué)使用要求。經(jīng)過本發(fā)明熱處理方法處理過的鈦植入物與現(xiàn)有的鈦植入物相比，由于鈦植入物在氮氧氣氛中生成了一層陶瓷層，該陶瓷層可以顯著提高鈦植入物的耐磨性和耐腐蝕性，同時還可以增強產(chǎn)品的美觀性提高其質(zhì)量和檔次。在本發(fā)明中需要說明的是，任一處所指的鈦植入物為純鈦或者鈦合金的植入物，或者也可稱為鈦基植入物。文檔編號A61L27/30GK101507836SQ20091003810公開日2009年8月19日申請日期2009年3月23日優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日發(fā)明者敏況,戚培毅,李英霞,軍陳申請人:戚培毅