生物医用钛板的表面改性方法

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，涉及一种生物医用钛板的表面改性方法。

背景技术

经济的快速发展也使得社会快速的进步，人们对健康美好生活的需求也促使生物医用材料的需求量逐年增加，钛及其合金因为拥有抗腐蚀性强、力学性能优秀、比强度高等优点，特别是其对人体安全、无毒的同时还拥有与人体骨骼相似的弹性模量，使得钛及其合金在生物医用人造钛骨领域中大量的使用，也促使了钛及其合金作为生物医用材料迅速发展。人造钛合金骨已经发展的较为成熟，但还有一些问题亟待解决。人造钛骨的生物相容性就是其中之一。如果生物相容性问题没有解决的钛及其合金被植入人体用作生物医用替代材料后，会导致植入部位后续的恢复效果变差，如果处理的不得当会引发患处的炎症、感染、坏死等，甚至严重的会应为感染引起败血症，导致死亡。在众多的临床实验中，钛表现出了起表面亲水性的不足导致生物相容性下降的问题，所以通过表面改性技术改善钛表面的亲水性，是人造钛骨植入人体后，植入处能否快速愈合的关键。

目前已经有很多科学家和学者对改善人造钛骨的生物相容性做出探索与研究，其中对钛的表面进行改性以后使得钛表面的亲水性得到提升来促使钛作为生物医用材料的生物相容性得到改善是一个可行性很高的研究方向，对改善人造钛骨的生物相容性问题很有帮助。因此，寻找一种有效的方式改善钛及其合金作为生物医用移植物的表面的亲水性，对于保证生物医用钛及其合金作移植材料修复患处后是否成功使用，促进生物医用材料植入后的骨与组织界面的整合至关重要。

当前，为了改善和提高生物医用钛材料的生物相容性，需要对生物医用钛材料的生产工艺与后续加工方式进行变革。现在，人们主要通过两种方式来改善生物医用钛的生物相容性：一是通过调整生物医用钛材料的成分和结构，开发新型的生物医用钛材料；二是对生物医用钛材料进行表面改性。通过对钛进行表面改性，可以在不改变以钛作为基本材料的前提下，还能有效的提高钛作为生物医用材料的综合性能。为了使材料表面的性能得到不同的改变，可以使用多种不同的表面该新技术，但一些改性技术还因为发展的不够成熟而存在着一些问题。比如对材料进行等离子喷涂时，高温熔融状态下的材料会被氧化，这会使得制备出的产品性能下降；激光熔覆法的工艺难得过于繁杂，使用的设备价格过高；化学气相沉积法能使用的范围有限，只限于对小尺寸的材料进行制备等。此外，这些单一的表面改性方法不能够同时满足多种生物学需求，在应用上存在困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的钛及其合金作为生物医用替换材料的生物相容性较差的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：生物医用钛板的表面改性方法，包括如下步骤：

a.将钛基板材打磨、清洗后采用酸溶液进行化学浸泡，浸泡后用纯水洗净并用氮气吹干，重复操作多次后将其放入P-DADMAC溶液中振荡浸泡，浸泡后用纯水洗净；

b.TiO

c.TiO

d.将步骤a处理后的钛板放入步骤b得到的TiO

上述步骤a中，所述打磨为将钛基板材用热水和去油性洗涤剂清洗后，用砂纸进行抛光打磨，然后用纯水进行超声波清洗后再用金刚石打磨膏进行打磨抛光处理。

进一步的是，分别用240，500，800，1000，1500，2000目的砂纸进行抛光打磨；分别用5000，7000，10000，15000，30000，90000目的金刚石打磨膏进行打磨抛光处理。

上述步骤a中，所述清洗为将抛光后的钛基板材依次用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗，重复2-3遍，洗涤后烘干。

上述步骤a中，所述酸溶液为食人鱼溶液，化学浸泡时间为25-35s，重复操作2-3次；P-DADMAC溶液浓度为5-10％，振荡浸泡时间为25-35min。

进一步的是，上述步骤a中，在将酸处理后的钛板放入P-DADMAC溶液中超声振荡浸泡之前，先采用PAH溶液对酸处理后的钛板进行超声振荡浸泡，浸泡后用纯水洗净，再放入PSS溶液中浸泡，浸泡后用纯水洗净并用氮气吹干，重复操作多次，得到具有PAH/PSS聚电解质层的钛板，然后再将具有PAH/PSS聚电解质层的钛板放入P-DADMAC溶液中超声振荡浸泡。

更进一步的是，PAH溶液的浓度为2mg/mL，PSS溶液的浓度为2mg/mL，浸泡时间为25-35s，重复操作2-4次。

上述步骤b和c中，所述纳米二氧化钛粉末为锐钛型纳米二氧化钛粉末。

上述步骤b中，柠檬酸溶液的浓度为0.05mol/L，PAH溶液的浓度为2mg/mL，离心转速为900r/min，离心时间为4-5min。

上述步骤c中，柠檬酸溶液的浓度为0.05mol/L，PSS溶液的浓度为2mg/mL，离心转速为900r/min，离心时间为4-5min。

上述步骤d中，超声振荡浸泡的时间为25-35min。

本发明的有益效果是：本发明通过使用层层自组装等表面处理方法，使用PSS和PAH等聚电解质进行修饰后的亲水性纳米二氧化钛颗粒沉积在预处理后的纯钛基板上，通过沉积经过不同聚电解质修饰的纳米二氧化钛和不同层数的纳米二氧化钛薄膜，以获得其对钛板表面亲水性的有效改善。采用本发明的层层自组装等表面处理之后，纳米二氧化钛已经均匀稳固的沉积在纯钛基板的表面，钛板表面的润湿角从80°左右变为了53°左右，表面亲水性有明显的提高。

本发明首先对纯钛板进行酸溶液和P-DADMAC溶液处理，即经过羟基化处理，钛板表面与强氧化性的溶液发生反应后，使得钛表面的有机物全部被去除，钛板表面也被氧化，产生大量羟基，使得钛板表面的亲水性拥有明显的提高；其次由于纳米二氧化钛本身就具有很好的亲水性，经本发明修饰后的纳米二氧化钛的聚电解质拥有更多电荷，加上纳米二氧化钛拥有很大的比表面积，所以其携带的聚电解质更多，再加上羟基化处理过后钛板上的电荷，使得自组装之后的钛板表面亲水性得到了进一步的提升，即层层自组装之后的钛板生物相容性得到提升。采用本发明方法表面处理后对钛板的硬度影响不大，更不会对钛板内部的硬度产生影响，本发明的表面处理方法在提升钛板表面的亲水性能的同时，也保障了钛板优秀的材料力学性能。

本发明的表面处理方法通过化学浸泡、表面层层自组装技术，不仅成本低、操作简单、绿色无污染和制备薄膜可控等优点，还可以实现低成本大批量工业化生产，而且适用于多种复杂形状表面。本发明创新性的在钛合金表面既覆盖了聚电解质薄膜，又通过层层自组装覆盖纳米二氧化钛，有效改善了钛及其合金材料表面生物相容性的复合结构，是一种快捷、安全、高效、容易制备的医用材料复合结构薄膜层，能够有效增加钛及其合金作为医用材料的综合性能和应用场景。也能在生物医用钛合金材料以外的领域得到应用，如表面自清洁材料、自润湿性材料等，为后续更多的新型功能性材料发展提供了更多的可能。

附图说明

图1为本发明钛板层层自组装修饰后的纳米二氧化钛的流程示意图；

图2为本发明钛板表面处理后的EDS能谱图；

图3为本发明实施例1与对比例1-2的接触角对比图。

具体实施方式

本发明的技术方案，具体可以按照以下方式实施。

1、配制试剂

(1)食人鱼溶液配制：事先准备一只干净的烧杯，然后准备好35mL的浓硫酸，将浓硫酸先加入到空烧杯之中，再量取质量分数为30％的过氧化氢溶液15mL，然后将过氧化氢溶液顺着玻璃棒缓慢的加入到浓硫酸之中，然后将此溶液搅拌均匀，这个时候会产生大量的气泡。

(2)聚(4-苯乙烯磺酸钠)PSS溶液配制：分别称取0.2g的PAH和2.922g的NaCl,配制NaCl浓度为0.5mol/L、PAH为2mg/mL的溶液50mL。

(3)聚烯丙基胺盐酸盐PAH溶液配制：分别称取0.2g的PSS和2.922g的NaCl,配制NaCl浓度为0.5mol/L、PSS为2mg/mL的溶液50mL。

(4)柠檬酸溶液配制：准备500mL烧杯，向其中加入450mL的去离子水，称取一水柠檬酸(C

(5)TiO

(6)TiO

2、生物医用钛板的表面改性方法，包括如下步骤：

(1)钛板打磨

将钛金属板用热水和去油性洗涤剂清洗去除表面油污,再分别用240，500，800，1000，1500，2000目的砂纸进行抛光打磨后用纯水进行超声波清洗后再用5000，7000，10000，15000，30000，90000目的金刚石打磨膏进行打磨抛光处理。

(2)清洗钛板

将抛光后的纯钛片依次用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声清洗，重复3遍。洗涤后，将样品取出烘干，用保鲜膜密封好备用。

(3)钛板表面羟基化处理

将钛板使用食人鱼溶液对其进行化学浸泡,一次浸泡30秒,浸泡完后取出用纯水清洗干净后用氮气吹干，然后进行下一次浸泡，按需浸泡不同次数后再用纯水清洗干净后用氮气吹干，备用。

钛板在强氧化性的溶液中浸泡后，表面被氧化后也携带了大量的电荷，表面被酸液腐蚀后形成了一层氧化层薄膜，大量的电子被剥离，形成众多离子，所以钛板表面也有许多的电子空穴和氧空穴，这些薄膜与水接触后，可以与水发生反应，然后形成一种亲水性的结构，此时可以发现，羟基化处理后的钛板表面的亲水性较羟基化处理前已经有明显的改善。

(4)钛板层层自组装聚电解质

将羟基化处理完的钛板放入配制好的PAH溶液中浸泡，并用超声震荡，然后取出钛板后放入纯水中清洗掉表面多于的聚电解质，取出钛板后再将其放入配制好的PSS溶液中浸泡，然后取出钛板后放入纯水中清洗掉表面多于的聚电解质，取出用氮气吹干备用，重复以上步骤，在钛板上自组装多层PAH/PSS聚电解质层。

(5)钛表面覆盖聚(二烯丙基二甲基氯化铵)P-DADMAC

取干净的烧杯，加入质量分数为5-10％的P-DADMAC溶液，将羟基化处理后的钛板浸入P-DADMAC溶液中，浸泡30min，期间用振荡器振荡后取出，再去离子水中轻轻漂洗掉钛表面多余的P-DADMAC溶液。

(6)钛板层层自组装修饰后的纳米二氧化钛(如图1所示)

将上述处理后的钛板放入配置好的TiO

下面通过实际的例子对本发明的技术方案和效果做进一步的说明。

实施例

采用本发明生物医用钛板的表面改性方法进行多组实验并设置相对于的对照实验，具体步骤和实验结果如下。

1、实施例和对比例的表面处理情况如表1所示，其中预处理指对钛基板材进行了打磨→清洗→表面羟基化的工艺处理，层层自组装指对钛板进行了表面覆盖P-DADMAC→TiO

表1实施例与对比例工艺

2、实验结果

(1)EDS分析

通过对层层自组装之后的钛板进行EDS扫描后，如图2所示，在对钛板放大两万倍之后，对钛板表面的白色纳米级颗粒选取一个点然后进行能谱分析，通过分析后检测到钛表面拥有C、O、Ti三种元素，其质量占比分别为12.6％，32.63％，50.57％，C元素的存在说明了钛板表面已经附着了修饰纳米二氧化钛的聚电解质，O元素的存在和Ti元素的共同存在说明了表面有钛元素和氧元素的化合物的存在，经过分析表明了纳米二氧化钛已经被成功的附着在了钛板上面。而且上面还带有修饰纳米二氧化钛的聚电解质，同样的，表明润湿性效果的显著提高也侧面的证明了这一点，这也能够解释，层层自组装后钛板表面因为自组装了纳米二氧化钛后，表面的平滑程度下降，所以钛板的光泽也下降了，因为纳米二氧化钛颗粒本身就是白色的，所以自组装纳米二氧化钛后的钛板表面的白度也有所提高。

(2)表面亲水接触角分析

经过研究发现，钛表面的亲水性能会直接的影响到细胞对其的粘附行为。当生物医用钛植入到人体内部之后，首先与植入物接触的是蛋白质，因为蛋白质表面也具有一定的亲水性，所以接触到生物医用钛表面的蛋白质会被其迅速的吸附，蛋白质又能引导细胞向其靠近，并且蛋白质能够充分的调动细胞的再生积极性，可以让接触到蛋白质的细胞快速的生长繁殖，有利于生物医用钛植入处的伤口处的生物组织快速的生长愈合，所以表面亲水性直接反应了生物医用钛的生物相容性。所以改善生物医用钛表面的亲水性会使生物医用钛植入人体后患处的后续恢复效果获得巨大的提升。

通过使用测量仪对钛板的观测和计算,得出未表面处理的钛板(对比例1)润湿角在80°左右，羟基化处理后的钛板(对比例2)表面润湿角为70°左右，层层自组装之后的钛板表面润湿角约为53°(实施例1-3)，如表2所示。

表2实施例1-3和对比例1-2的样品表面接触角测量结果

计算公式为：rs代表的是固-气；rsl代表的是固-液；rx代表的是液-气。

其平衡关系式为：rs＝rsl+rx*cosθ；F＝rx*cosθ＝rs-rsl

其中，θ代表的是润湿角；F代表的是润湿张力；其中，0°≤θ≤180°，当θ约接近0°时，润湿的张力F的值就越大。当0°<θ<90°时，润湿的角度越大润湿性就越差。

通过对钛表面薄膜亲水性的观察与测量，直接反应了钛表面的生物相容性。如图3所示，首先由图3(a)可以看到，经过测量水滴和钛板的夹角可以得出未表面处理的钛板润湿角为80°左右。再测量经过羟基化处理的钛板表面润湿角，再通过对比了纯钛表面与羟基化处理后的钛板发现，如图3(b)所示，因为羟基化处理后的钛表面充满了羟基，因为羟基化处理过后的钛板表面因为被酸液剥离了电子后，钛板表面就形成了一层离子薄膜，上面充满了电子空穴与氧空穴，这些空穴一旦与水接触后就会与水反应生成羟基，而羟基与水拥有相似的结构，所以及其容易被水吸引，所以经过羟基化处理后的钛板亲水性明显得到提高，由未处理的80°变为了70°左右。

再通过观测羟基化处理过后的钛板与自组装过后的钛板可以明显的看出，如图3(c)所示，层层自组装后的钛表面润湿性明显增加，从羟基化处理过后的70°左右变为了53°左右。说明经本发明自组装在钛板表面的锐钛型纳米二氧化钛颗粒增加了对水的吸附作用，因为纳米二氧化钛本身就具有很好的亲水性，修饰纳米二氧化钛的聚电解质也拥有很多的电荷，加上纳米二氧化钛拥有很大的比表面积，所以其携带的聚电解质就多，上面的电荷自然就又多又丰盛，再加上羟基化处理过后的电荷等，就使得自组装之后的钛板表面亲水性进一步的得到了提升；这就说明了钛板在经过羟基化处理之后并且再将锐钛型纳米二氧化钛颗粒自组装在钛板上之后，钛表面的亲水性明显提高，也直接反应为钛表面的生物相容性得到改善。

(3)钛板硬度分析

经过对钛板进行洛氏硬度测试后发现，如表3所示，纯钛板的HRC洛氏硬度为21.3左右，经过羟基化处理的钛板HRC洛氏硬度为21.1左右，层层自组装之后的钛板HRC洛氏硬度为21.2左右。因为羟基化处理的薄膜和在钛板表面自组装的纳米薄膜的厚度非常的薄，接近微米级，所以其对钛板表面的硬度影响极其的微小，更不会对钛板内部的硬度产生影响，也说明了在钛板表面通过层层自组装沉积二氧化钛纳米薄膜后对钛板的硬度影响不大，在提升钛板表面的亲水性能的同时，基本不会对钛优秀的材料力学性能造成影响，这也是钛板可以作为生物医用植入物的重要因数之一。

表3实施例1-3和对比例1-2的样品表面洛氏硬度