一種鈦基體表面制備微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鈦及鈦合金加工領(lǐng)域，具體的是一種鈦基體表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備 方法。
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【背景技術(shù)】
[0003] 鈦是應(yīng)用最廣泛的硬組織植入體材料，作為人工骨、人工關(guān)節(jié)、種植牙等，都收到 了良好的的臨床使用效果。但是鈦及鈦合金在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面與骨組織還存在比較大的差 另IJ，它與骨組織在力學(xué)性能上不匹配會(huì)導(dǎo)致承受應(yīng)力的金屬和骨骼產(chǎn)生不同的應(yīng)變，在界 面出現(xiàn)相對位移，從而造成界面處松動(dòng)；另外由于應(yīng)力不能完全從人體關(guān)節(jié)傳遞到其鄰近 的骨組織，可能導(dǎo)致骨吸收和功能退化，產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象。而鈦的生物惰性也會(huì)使得植入 體與骨組織結(jié)合不良，影響植入體的正常使用效果。如何提高醫(yī)用鈦金屬材料的生物活性， 提高植入體的骨整合能力，成為植入材料研究的熱點(diǎn)之一。
[0004] 植入體表面形貌和結(jié)構(gòu)對植入體周圍的細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞行為具有顯著影響，是決 定骨整合性能的一個(gè)重要因素。因而各種表面改性方法被用來處理鈦植入體，以期獲得良 好的生物相容性，如噴砂酸蝕法、噴砂酸蝕加微弧氧化法、電化學(xué)微加工法加酸蝕法等，但 現(xiàn)有的處理方法存在諸多問題，噴砂處理殘留的顆?？赡軙?huì)對骨整合造成不利影響，而且 酸蝕處理引起的滲氫會(huì)導(dǎo)致鈦植入體的力學(xué)強(qiáng)度降低，產(chǎn)生氫脆。另外，通過噴砂酸蝕法所 構(gòu)建的凹坑結(jié)構(gòu)邊緣較尖銳，與破骨細(xì)胞形成的吸收陷窩存在一定的差別，不利于成骨細(xì) 胞黏附。
[0005] 通過在鈦表面構(gòu)建連續(xù)平緩的微納結(jié)構(gòu)，有望在改善植入體的生物學(xué)性能的同 時(shí)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)層與鈦基體的結(jié)合強(qiáng)度，另外考慮到破骨細(xì)胞形成的吸收陷窩較為平緩，此種 結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步模擬天然骨組織，提高植入體的骨整合性能。所以，本發(fā)明擬通過選擇合適的 方法在鈦表面構(gòu)建連續(xù)、平緩的微納結(jié)構(gòu)，以期獲得良好力學(xué)性能和生物學(xué)性能的植入體 材料，以提高植入體的使用效果。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明公開了一種在鈦基體上通過飛秒激光加工后再進(jìn)行陽極氧化，由表及里地 構(gòu)建連續(xù)平緩微納結(jié)構(gòu)的方法，該方法制備得到的連續(xù)平緩微納結(jié)構(gòu)可重復(fù)性好、穩(wěn)定性 高、尺寸可控，并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能和生物學(xué)性能。由于該結(jié)構(gòu)由體材部分轉(zhuǎn)化而成， 與底材之間沒有截然的分界面，和鈦基體結(jié)合強(qiáng)度高，并且連續(xù)平緩的凹坑結(jié)構(gòu)更加接近 天然骨組織，利于成骨細(xì)胞黏附生長。
[0008] 本發(fā)明包括以下步驟： (1) 拋光:對鈦基材料依次進(jìn)行物理拋光(例如打磨、噴砂)和化學(xué)拋光，并清洗、烘干； (2) 飛秒激光加工:將拋光后的鈦基材料于加工平臺(tái)上進(jìn)行飛秒激光加工，并清洗、烘 干。
[0009] (3)陽極氧化:飛秒激光加工后的鈦基材料置于恒壓直流電源的陽極，采用惰性陰 極對其進(jìn)行陽極氧化，選用含有氟化氨的有機(jī)溶劑和去離子水混合液作為電解液，電壓為 10~30v，陽極氧化后清洗并烘干。
[0010] 上述步驟⑴中，化學(xué)拋光液采用3wt%的HF和0.02wt%。酸霧抑制劑的水溶液，拋光 時(shí)間為2min，所需拋光面積(mm2)與所用拋光液體積(ml)的比例為2~20 : 1。
[0011]上述步驟(2)中，加工平臺(tái)為藍(lán)寶石飛秒激光加工系統(tǒng)，頻率為1000Hz，激光偏振 方向垂直于加工方向，加工時(shí)離焦量為0~ΙΟΟΟμπι，功率為100~300mw，掃描間距為30~100μ m，加工速率為0.8mm/s。
[0012] 上述步驟(3)中，直流電源電壓根據(jù)所選有機(jī)溶劑種類在10~30V間選擇，按照溶 劑極性強(qiáng)、電壓低的原則選擇，電極間距為3~5cm，氧化時(shí)間為10~20min，電解液中有機(jī)溶劑 和去離子水的體積比為1:0.5~1.5，氟化氨含量為3.5~10g/L。
[0013] 上述前兩個(gè)步驟中的清洗步驟均為超聲清洗三次，洗液依次為丙酮、乙醇和去離 子水，每次清洗的時(shí)間根據(jù)污物和蝕渣的種類和含量而定，最長不超過10分鐘，例如，拋光 步驟中，材料表面由上游線切割工藝產(chǎn)生的油污含量較多，因此丙酮的清洗時(shí)間應(yīng)足夠長， 步驟(3)中只用去離子水超聲清洗。
[0014] 本發(fā)明在鈦基體表面制備出的微納結(jié)構(gòu)形貌為:直徑為10-20μπι之間的連續(xù)平緩 的凹坑，坑底和坑壁均為垂直表面的納米管陣列結(jié)構(gòu)，納米管內(nèi)徑40~80nm，管壁5~10nm〇
[0015] 所得微納結(jié)構(gòu)的性能有：表面粗糙度為300~500nm，硬度為0.6~0.8Gpa，于37°C的 SBF溶液中浸漬2周即誘導(dǎo)羥基磷灰石形成，增強(qiáng)了成骨細(xì)胞的貼附、增殖。
[0016] 本發(fā)明的有益效果為： 1)本發(fā)明采用飛秒激光加工后陽極氧化的方法，在基體上直接形成微納結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)由 體材部分轉(zhuǎn)化而成，與底材之間沒有截然的分界面，與噴涂、燒結(jié)等由里到外的制備微米結(jié) 構(gòu)的方法相比，結(jié)構(gòu)層和基體的結(jié)合度更高。
[0017] 2)本發(fā)明結(jié)合了飛秒激光和陽極氧化兩種表面處理方法，經(jīng)過飛秒激光得到了連 續(xù)平緩的微米級凹坑結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過陽極氧化的破壁作用，可破除相界，在坑壁和坑底形成整 齊均一的納米管簇，使基體表面結(jié)構(gòu)均一，且納米管簇的內(nèi)徑可通過改變電源電壓進(jìn)行調(diào) 控。
[0018] 3)本發(fā)明所得微納結(jié)構(gòu)的表面形貌更加接近皮質(zhì)骨，微米級的連續(xù)平緩凹坑，更 加接近破骨細(xì)胞形成的吸收陷窩，這將有利于成骨細(xì)胞的攀附生長，納米管又可為細(xì)胞的 偽足提供攀附空間，與骨組織結(jié)合牢固，減少骨吸收現(xiàn)象。
[0019] 4)本發(fā)明所得微納結(jié)構(gòu)的生物活性和相容性獲得提高，這將使得植入體更容易 與骨進(jìn)行整合，提高植入體的穩(wěn)定性。
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【附圖說明】： 圖1為純鈦種植體樣品經(jīng)過飛秒激光加工后，在場發(fā)射掃描電鏡下放大200倍得到的 表面圖像。
[0021]圖2為純鈦種植體樣品經(jīng)過飛秒激光加工和陽極氧化后，在場發(fā)射掃描電鏡下放 大2500倍得到 的表面圖像。
[0022]圖3為純鈦種植體樣品經(jīng)過飛秒激光加工和陽極氧化后，在原子力顯微鏡下得到 的表面圖像。
[0023]圖4為純鈦種植體樣品經(jīng)過飛秒激光加工和陽極氧化后，在原子力顯微鏡下得到 的表面粗糙度的檢測結(jié)果。
[0024]圖5為純鈦種植體樣品經(jīng)過飛秒激光加工和陽極氧化后，在原子力顯微鏡下得到 的凹坑表面輪廓。
[0025]圖6為純鈦種植體樣品經(jīng)過飛秒激光加工和陽極氧化后，于37°C的SBF中浸泡2周 后，用場發(fā)射掃描電鏡放大5000倍得到的表面圖像。