电脉冲退火制备二氧化钛纳米管阵列生物活性材料的方法

技术领域

本发明属于骨修复生物活性材料领域，具体涉及一种通过电脉冲、脉冲退火制备二氧化钛纳米管阵列新型生物活性材料的方法。

背景技术

由骨折、骨肿瘤、骨质疏松症、骨关节炎、先天性疾病等引起的骨缺损修复和重构已成为国内外科技工作者重要研究课题。超过临界尺寸的骨缺损无法自行愈合，大部分情况下，需要外部干预比如移植手术来恢复其结构和功能。自体骨移植被认为是骨移植的黄金标准，然而自体骨来源有限，且需要二次手术，异体骨移植又存在免疫排斥和疾病传播的风险，人工骨移植为解决这些问题开辟了崭新的途径。人工骨是指可以替代人体骨或者修复骨组织缺损的人工生物材料，通常是将生物可降解材料制成三维多孔结构，以利于骨细胞的黏附和长入，当人工骨移植时，随着骨愈合进行，人工骨逐渐降解直至被完全吸收，从而实现骨缺损的再生修复。因此，人工骨的研发具有重要的社会意义和经济价值。

钛和钛合金由于其良好的机械性能、优异的耐腐蚀性和生物相容性而被广泛用于牙科和骨科植入物材料中。但植入物的功能是否能够维持长期正常和刚性骨结合有关。尽管钛及钛合金表面存在的天然二氧化钛层具有一定的耐腐蚀性和生物相容性，但它不能诱导骨形成。如果最初不能形成钛植入物和骨之间的结合，则无法直接结合到并置的骨中，导致植入物脱位和过早松动。因此，需将精力集中在基于钛植入物的表面改性上以改善骨整合。从仿生学的观点上看，通过阳极氧化在钛基底上生成二氧化钛纳米管层是一个增强骨整合能力的好办法。因此，在与生物相关的环境中，二氧化钛纳米管阵列有利于细胞相互作用具有重大意义，如何提高细胞对其的黏附是当前研究的一大方向。

锐钛矿型和金红石型二氧化钛是较常用两种主要晶型，其中又以锐钛矿型二氧化钛具有较高的活性。锐钛矿型二氧化钛相对于金红石型二氧化钛具有更高的电子迁移率（80 cm

发明内容

本发明的目的在于利用高频脉冲电流冲击加热原理，提供一种新的制备电流脉冲退火二氧化钛纳米管阵列的新型生物活性材料的方法，用此方法制备一种骨修复生物活性材料。

本发明的目的是这样实现的，一种二氧化钛纳米管阵列生物活性材料（骨修复生物活性材料）的制备方法，其特征在于：以经过预处理的钛片为阳极，以铂片为阴极，通过阳极氧化法在甘油/水体系的电解质溶液中于钛片表面形成二氧化钛纳米管阵列。将二氧化钛纳米管阵列短接置于脉冲电源的电路中，并通过电流脉冲退火制备二氧化钛纳米管阵列新型生物活性材料。一种高效经济低成本二氧化钛纳米管阵列生物活性材料的制备方法，其特征在于：以钛片为阳极，阳极氧化制备二氧化钛纳米管阵列；用高频脉冲电流方式将二氧化钛纳米管阵列进行退火，使二氧化钛纳米管阵列的物理性质发生改变即储存上电荷，从而形成一种带有极性的生物活性材料。

所述阳极氧化制备的二氧化钛纳米管阵列，是以钛片为阳极，铂片为阴极，在含氟的甘油/水体系的电解质溶液中，以40~70V，电解液温度为20~40℃条件下阳极氧化12~24h。

上述生物活性的二氧化钛纳米管阵列是用高频脉冲电流进行脉冲退火制备的，其步骤为：将二氧化钛纳米管阵列短接在电致塑性脉冲电源的输出电路中，以电致塑性脉冲电源为脉冲电流输出设备，调节脉冲频率为200~400Hz，输出电压15~20V，以高频率脉冲电流的振动加热二氧化钛纳米管阵列进行退火，以10~20℃/s的升温速率至400~600℃保持3~10min，即得到电脉冲退火后的生物活性材料。

具体地说，步骤如下：

1)钛片预处理：将钛片用砂纸打磨至光滑，并在HF和 HNO

2)二氧化钛纳米管阵列的制备：以预处理好的钛片为阳极，铂片为阴极，在含氟化铵0.20~0.60wt% 的甘油/水体系的电解质溶液中进行阳极氧化12~24h，氧化电压为40~70V，电解液温度为20~40℃即得二氧化钛纳米管阵列。

3)电流脉冲退火二氧化钛纳米管生物活性材料制备：将纳米管短接在输出电路中，以电致塑性脉冲电源为脉冲电流输出设备，调节脉冲频率为200~400Hz，输出电压15~20V，以高频率脉冲电流的振动加热二氧化钛纳米管阵列进行退火，以10~20℃/s的升温速率至400~600℃保持3~10min，即得到电脉冲退火后的生物活性材料。

本发明采用上述方案得到的生物活性材料具有以下特点：电流脉冲退火是从纳米管底部开始快速生温能快速去除底部的F元素改善纳米管的机械强度；电流脉冲退火升温速度快且能快速将无定型二氧化钛转变为具有活性的锐钛矿型二氧化钛，相较于普通退火经济快速；电流脉冲退火二氧化钛纳米管阵列生物活性材料，由于晶相转变和表面性质的改变从而具有良好的生物活性，有利于骨细胞的生长和黏附，从而获得生理骨整合；电流脉冲退火处理后的二氧化钛纳米管带有极性即储存了电荷，可负载极性生物活性分子如蛋白质、酶、肽等，进一步改善骨整合和促进骨细胞增殖分化。

附图说明

图1为本发明具体实施例1中阳极氧化得到的二氧化钛纳米管阵列的扫描电镜图。

图2为本发明具体实施例2中二氧化钛纳米管阵列经电流脉冲退火后的扫描电镜图。

图3为本发明具体实施例2中二氧化钛纳米管阵列经电流脉冲退火后的XRD图谱和二氧化钛纳米管的带电属性Zeta电位表格，其中W450代表在马弗炉中450℃退火2h，WD1、WD3、WD5、WD7分别代表着电流脉冲退火1min、3min、5min、7min。

具体实施方式

实施例1

以钛金属为基底，用金相砂纸打磨至光滑，于丙酮中超声清洗并在HF和 HNO

将制备的二氧化钛纳米管两端接入电致塑性脉冲电源（为现有技术产品）的输出电路中，调节电致塑性电源输出电压为18 V，频率300 Hz，用热电偶测定升温速率，温度到达450℃时开始计时3 min，待退火完成后即可得到具有生物活性锐钛矿二氧化钛纳米管材料。

实施例2

以钛金属为基底，用金相砂纸打磨至光滑，于丙酮中超声清洗并在HF和 HNO

将制备的二氧化钛纳米管两端接入电致塑性脉冲电源的输出电路中，调节电致塑性电源输出电压为20 V，频率300 Hz，用热电偶测定升温速率，温度到达500℃时开始计时1min，3 min，5 min，7 min待退火完成后即可得到具有生物活性的锐钛矿二氧化钛纳米管材料，微观形貌图如图2中的（a）退火后二氧化钛纳米管阵列50000×的SEM顶部视图和图2中的（b）退火后二氧化钛纳米管阵列100000×的SEM顶部视图所示，纳米管排列紧密，规整，未发生破损，其XRD图谱见图3和二氧化钛纳米管的带电属性Zeta电位表格（见表1），其中W450代表在马弗炉中450℃退火2h，WD1、WD3、WD5、WD7分别代表着电流脉冲退火1min、3min、5min、7min：

表1为二氧化钛纳米管的带电属性Zeta电位表格