[发明专利]一种高生物活性的具有微/纳米双重结构的二氧化钛薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高生物活性的具有微/纳米双重结构的二氧化钛薄膜及其制备方法。该二氧化钛薄膜可用做人体硬组织替代材料的表面改性层，属于生物医用材料和表面工程领域。

技术背景

钛金属与其它金属医用植入材料相比，因其弹性模量低、密度小、比强度高、抗腐蚀性能优良、加工和成型性能良好，已经成为了牙种植体、骨创伤产品及人工关节等人体硬组织替代物和修复物的首选材料，在临床上得到了越来越广泛的应用。硬组织替代材料植入人体后必须要和周围的骨组织进行良好固定。代表性的如在义齿植入领域，牙种植体完全需要与牙槽骨形成骨结合来进行固定。而植入体与骨之间快速形成骨结合的先决条件，是建立没有结缔组织或其它非骨组织介入的骨与植入体之间的直接接触，这一点则强烈依赖于植入体的表面特性。钛金属抗腐蚀性能之所以优良，是因为其表面自然情况下会形成一层完整、致密的TiO₂保护层。这层保护层具有良好的生物惰性特性，它们不会与骨化学结合，不能像含有Ca、P的涂层那样诱导骨的生长。文献[Liu XY,Chu PK,Ding CX.Surface modification of titanium,titanium alloys,and related materials for biomedical applications.Materials Science and Engineering,2004;R47:49–121]的研究已表明，这种具有生物惰性表面的植入体植入人体后，一般会很快地被一层纤维组织所包裹，使之与周围骨组织相隔离，从而阻止或减弱了植入体表面与骨组织之间的直接结合。因此，如何提高钛金属植入体表面二氧化钛膜层的生物活性，改善其硬组织或骨组织相容性，促进骨结合的形成，是现代生物医用钛金属能否广泛临床应用的核心问题，也是亟待解决的难点之一。

文献[Geetha M,Singh AK,Asokamani R,et al.Ti based biomaterials,the ultimate choice for orthopaedic implants–A review.Progress in Materials Science,2009;54:397-425]、[Tian Y,Ding SY,Peng H,ea al.Osteoblast growth behavior on porous-structure titanium surface.Applied Surface Science,2012;261:25-30]和文献[Rupp F,Scheideler L,Olshanska N,et al.Enhancing surface free energy and hydrophilicity through chemical modification of microstructured titanium implant surfaces.Journal of Biomedical Materials Research Part A,2006;76A(2):323-334]、[Stadlinger B,Lode AT,Eckelt U,et al.Surface-conditioned dental implants:an animal study on bone formation.Journal of Clinical Periodontology,2009;36:882-891]分别指出提高钛金属表面粗糙度、增强其表面亲水性均能够强化其和生物学环境间的交互作用，促进成骨细胞的吸附、分化及最后骨结合的形成，即增强了钛金属的生物活性。文献[黄伟欣.超亲水多孔TiO2薄膜的制备及超亲水机理研究.广州:华南理工大学,2010]则指出，材料表面的粗糙度与其表面亲水性之间存在着关联性。材料表面粗糙度的提高对其表面亲水性具有较大的促进作用。但实际上，粗糙度并不能反映材料表面微观形貌的规则特征，文献[Koch K,Barthlott W.Superhydrophobic and superhydrophilic plant surfaces:an inspiration for biomimetic materials.Philosophical Transactions of the Royal Society A,2009;367:1487-1509]的研究表明，只有表面具有仿生特征的微/纳米双重或多重规则结构，才有可能呈现出优异的亲水性以及生物学性能。因此，发明并制备出一种表面具有微/纳米双重或多重微观结构特征，从而具有较高粗糙度，且呈现出超亲水性性能的钛金属表面TiO₂改性层是提高其生物活性的最佳方法。