[发明专利]一种纯钛金属表面微弧氧化处理电解液及其抗菌性生物活性涂层制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种纯钛金属表面改性技术，特别涉及一种所用的均匀溶胶电解液及其纯钛金属表面微弧氧化处理制备抗菌性生物活性复合涂层的方法。

背景技术：

纯钛金属密度小，比强度高；具有优异的生物相容性，与人体不会发生任何不良反应；在用于人体硬组织修复的金属材料中，弹性模量与人体硬组织最接近，可减轻种植体与骨组织之间的机械不适应性；导热性仅为金合金的1/17，具有保护牙髓避免冷热刺激的作用；在交变载荷作用下，具有高的疲劳强度；良好的机械加工性能。鉴于以上优点，在硬组织修复和替换材料方面，钛金属成为首选医用金属材料。但也存在以下性能不足，限制了其在医学领域的进一步应用扩展。1、耐磨性、抗腐蚀性能较差，纯钛金属较软，不足于抵抗使用过程中产生摩擦磨损，生成的磨屑游离，骨吸收后诱发炎症，产生无菌松动，导致置换失败。2、与自然骨成分截然不同，虽然它具有良好的生物相容性，植入后，种植体周围无纤维包囊形成，但本身不具备生物活性，不能诱导磷酸盐沉积，种植体与骨组织之间不能形成强有力的化学骨性结合，与骨结合强度低，长期使用会产生松动现象。因此为了获得更优异的钛金属种植体，需对钛金属进行表面改性。

目前对其进行表面改性，常采用等离子喷涂、溶胶-凝胶法、激光熔覆、离子注入、烧结、电化学沉积等。这些方法的基本思路大多是先在钛基体表面形成一层氧化膜或使其粗化，再在其上附着羟基磷灰石(HA)以达到利于骨组织附着与生长的目的。但由于热膨胀系数的不匹配以及杂质相的生成，会引起涂层与基体结合强度的降低和生物活性下降，都不能完全满足临床的需要。

微弧氧化是一项在金属表面原位生长氧化物涂层的新技术，通过改变电解液配方，导入生物活性元素，提高其生物学性能。同时调节微弧氧化电参数，改变涂层厚度、晶相结构、表面微形貌、粗糙度等多种特性，可形成粗糙多孔、耐腐蚀、与基底结合强度高、含有不同比例元素的活性TiO₂涂层，此涂层能为成骨细胞的附着和增殖提供较理想的表面形态，改善材料与骨的结合，提高种植体的成功率。

微弧氧化技术中，电解液配方是涂层具有所需性能的技术关键，其存在形式最好是胶体状态，因为只有电解液均匀，才能得到性能均一的涂层。目前所用电解液不稳定，易沉淀，因此制备的涂层不均匀，此外，也存在原料价格昂贵的问题。

植入体作为异物在体内会使人发生感染，生物材料使用过程中引发的细菌性感染导致诸多严重后果。因此，具有杀菌和抗菌效应的材料越来越受到人们的关注。氧化锌(ZnO)具有优异的抗菌性，已被广泛地运用于医用敷料等领域。而在纳米工艺下制得的纳米氧化锌超微颗粒，具有一定的量子效应、小尺寸效应和极大的比表面积，具有比常规抗菌剂更强的抗菌作用。此外，由于锌在骨的代谢过程中发挥重要作用，ZnO的加入不但可以有效提高涂层与基体的结合强度，而且能进一步提高材料的生物性能。

发明内容：

本发明将溶胶-凝胶(sol-gel)这种传统上用于制备纳米颗粒的工艺引入到钛金属表面微弧氧化处理中，将氧化锌、羟基磷灰石前驱体溶胶直接作为微弧氧化电解液，利用微弧氧化过程中的弧光放电的高温高压将溶胶颗粒煅烧固化获得TiO₂/nano-HA-ZnO复合涂层。ZnO用来作为HA-TiO₂复合涂层的添加组元，可进一步消除涂层与基体热失配而引起的残余应力，减小钛基体和HA在理化性能上的差异，提高HA涂层与基体的结合力和稳定性，消除材料性能不连续，增强界面的结合强度。此外，ZnO的存在可以避免种植体附近的细菌感染，改善钛金属的抗菌性和生物活性，同时提高其抗腐蚀性。

本发明从微弧氧化的电解液体系构成入手，通过调整电解液和实验电参数，改善微弧氧化涂层的形态结构、元素构成、晶相结构和耐腐蚀性能，找到一种实用、稳定、成熟的微弧氧化方法，生成具有结合强度高，生物功能性优异的TiO₂/HA-ZnO复合涂层，以克服以往制备的陶瓷涂层与基体结合强度不足、生物性能较差等缺点，达到利于骨组织附着与生成的目的，并试图最终应用于临床。

具体实施方式：