一種在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法
【專利摘要】一種在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法，它涉及一種鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法。本發明解決了現有鈦合金表面微弧氧化制備生物活性抗菌膜層的方法中需對鈦合金進行預處理，工藝復雜，以及得到的膜層與基體結合強度低的問題。本發明方法：一、對醫用鈦合金表面處理；二、配置電解液；三、以醫用鈦合金為陽極，不銹鋼為陰極，設置電參數，進行微弧氧化；四、在水熱高壓釜中進行水熱處理，即得。本發明工藝簡單，所使用的電解液無毒無污染，綠色環保，通過微弧氧化和水熱處理直接在醫用鈦合金上制備了具有生物活性和結合力高的氧化鋅抗菌膜層，膜層為氧化鋅和二氧化鈦的復合抗菌膜層。
【專利說明】一種在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法。

【背景技術】
[0002] 鈦合金由于具有良好的力學性能，生物相容性和耐腐蝕性能，是目前臨床上應用 最廣泛的骨組織替代材料，但是其為生物惰性材料，生物活性及骨誘導能力差，易產生應力 集中造成種植體周圍骨吸收等不良后果，直接植入人體后會被一層包囊性纖維膜所包圍， 難以很快與基體形成牢固結合，這不僅延長了種植修復的周期，而且也影響了植入的成功 率。雖然骨組織能長入鈦涂層的微孔內產生機械咬合固定，但強度不高，所需時間長，因此 不能完全符合臨床需要。為使鈦基金屬具有誘導體內蛋白和細胞粘附生長，形成緊密骨鍵 合的生物活性功能，目前最有效的辦法就是對鈦基金屬進行表面改性。通過表面改性技術， 在其表面制備生物活性涂層，通過對鈦及其合金表面改性既保留了金屬的良好力學性能， 又增加了植入體的生物活性。
[0003] 感染是生物材料在體內植入失敗主要原因，也是困擾臨床外科醫生的最大難題， 這其中既與手術中的操作不當有關，也與植入材料部位局部環境發生變化，影響微生物的 生長，增加了細菌感染的可能性，因此，如果生物材料本身具有了抗菌活性，不但可以減少 種植體炎癥發生，提高植入材料的生物活性，縮短骨愈合時間，進術后組織愈合，提高手術 的成功率，減輕病人在精神和物質上的負擔，而且有效地克服了抗生素的大量使用引起的 一系列問題。
[0004] 氧化鋅是一種新型的II - VI族直接帶隙寬禁帶化合物半導體材料，具有規整的六 角形纖鋅礦結構，本身為白色，穩定性好，高溫下不變色、不分解，己成為無機抗菌劑研究的 熱點之一。研究表明氧化鋅對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有很強的抑制作用，在體外對原 核細胞、真核細胞及大腸桿菌的生長均可以產生抑制作用，且隨著氧化鋅含量的增加，其抗 菌能力提高，同時氧化鋅對其他細菌也有抑制作用且基本沒有毒副作用關于氧化鋅抗菌性 能的產生機制目前有三種假設，分別是光催化抗菌機制、金屬離子溶出抗菌機制和活性氧 抗囷機制。
[0005] 通過表面改性方法在鈦基金屬表面制備氧化鋅生物膜層，能充分發揮鈦合金的優 良力學性能和氧化鋅的生物活性。目前，應用表面改性在鈦合金表面制備活性氧化鋅的方 法包括CVD沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法等，應用上述方法雖然能在醫用鈦基金屬表面制 備氧化鋅生物膜層，但是所制備的氧化鋅生物膜層與基體的結合強度不高，無法滿足臨床 需求。
[0006] 微弧氧化是近年來迅速發展的一種新興材料表面改性技術，因具備等離子噴涂無 法替代的優點而備受重視。通過微弧氧化技術可在金屬表面原位生長多孔、粗糙的陶瓷薄 膜。該陶瓷膜不但增加了材料的耐磨性，抗腐蝕性，耐疲勞性，大大提高材料的性能和使用 壽命，而且由于陶瓷薄膜從基體原位生長，與基體有很高的結合強度，因此被廣泛的應用于 生物材料的表面改性。
[0007] 微弧氧化聯合水熱處理是近年來材料制備領域的一種新技術，它綜合了微弧氧化 和水熱處理的優點，目前在臨床上主要用于金屬表面羥基磷灰石膜層的制備。該技術所需 設備簡單，經濟有效，更重要的是所制備的膜層厚度均勻，和基體有很高的結合力，但是到 目前為止，還沒有關于通過該聯合技術制備氧化鋅抗菌生物膜的報道。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的是為了解決現有鈦合金表面微弧氧化制備氧化鋅生物活性膜層的 方法中需對鈦合金進行預處理，工藝復雜、成本高，以及得到的膜層與基體結合強度低的問 題。本發明提供了一種直接在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法。
[0009] 本發明在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法是通過以下步驟實現的： 一、對醫用鈦合金依次進行去氧化膜，除油處理；二、配制電解液：2_8g/L的葡萄糖酸鋅、 5-12g/L的氫氧化鈉，3-10g/L的六偏磷酸鈉，l-5g/L乙二胺四乙酸鈉、溶劑為去離子水； 三、以步驟一處理后的醫用鈦合金為陽極，用夾具固定浸入步驟二配置的電解液中，不銹鋼 電解液槽為陰極，采用脈沖電源，設置電參數為：脈沖電壓160-450V、脈沖頻率100-600HZ、 占空比為15-45%，進行微弧氧化2-30min ;四、將經步驟三處理后的鈦合金放入水熱高壓釜 中，然后以2-10° C /min的升溫速率升溫300-600° C，保溫3-12h，保溫過程中控制水熱 高壓釜內壓力3-10MPa，即在鈦合金表面制備得氧化鋅抗菌生物膜。
[0010] 本發明步驟二的電解液中六偏磷酸鈉還可以用多聚磷酸鈉代替，多聚磷酸鈉的質 量濃度為4-12g/L。步驟二的電解液中六偏磷酸鈉還可以用磷酸鈉代替，磷酸鈉的質量濃度 為 5-10g/L。
[0011] 本發明采用恒電流模式進行微弧氧化，電壓變化范圍為160V-450V。
[0012] 本發明首先在醫用鈦合金上直接采用微弧氧化法制備了富含鋅的陶瓷膜層，膜層 與鎳鈦合金基底之間是一種冶金結合，結合力高；然后利用水熱處理使陶瓷膜層中鋅轉變 成氧化鋅，在鈦合金表面制備具有生物活性、結合力強的氧化鋅抗菌生物膜層。
[0013] 本發明突破了微弧氧化僅在閥金屬上實現的應用限制，簡化了工藝，節約了成本， 實現了醫用鈦合金表面氧化鋅抗菌生物膜層的制備；通過選取合適的電解液成份及相應濃 度、控制微弧氧化電壓、頻率、在醫用鈦合金表面直接微弧氧化生成含有較高濃度的鋅的陶 瓷膜，然后通過控制水熱處理的時間和壓力，使氧化鋅在醫用鈦合金表面析出。
[0014] 本發明在醫用鈦合金表面制備的膜層為氧化鋅和二氧化鈦的復合膜層。本發明不 僅提高了醫用鈦合金的耐腐蝕性和生物相容性，更重要的是使醫用鈦合金具備了抗菌生物 活性，促進了醫用鈦合金植入材料與骨組織的結合，此復合膜層與基體具有較高的結合強 度，擴大了醫用鈦合金的應用范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是【具體實施方式】一中在鈦合金表面制備得到的氧化鋅膜層的掃描電子顯微 鏡圖片。

【具體實施方式】
[0016] 本發明技術方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的 任意組合。

【具體實施方式】 [0017] 一：本實施方式在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法 是通過以下步驟實現的：一、對醫用鈦合金依次進行去氧化膜，除油處理；二、配制電解 液：2-8g/L的葡萄糖酸鋅、5-12g/L的氫氧化鈉，3-10g/L的六偏磷酸鈉，l-5g/L乙二胺四 乙酸鈉、溶劑為去離子水；三、以步驟一處理后的醫用鈦合金為陽極，用夾具固定浸入步 驟二配置的電解液中，不銹鋼電解液槽為陰極，采用脈沖電源，設置電參數為：脈沖電壓 160-450V、脈沖頻率100-600HZ、占空比為15-45%，進行微弧氧化2-30min ;四、將經步驟三 處理后的鈦合金放入水熱高壓釜中，然后以2-10° C /min的升溫速率升溫300-600° C，保 溫3-12h，保溫過程中控制水熱高壓釜內壓力3-10MPa，即在鈦合金表面制備得氧化鋅抗菌 生物膜。
[0018] 本實施方式中電解液成份物質均為分析純，市售產品。
[0019] 本實施方式采用恒電流模式進行微弧氧化，電壓變化范圍為160V-450V。
[0020] 本實施方式突破了微弧氧化僅在閥金屬上實現的應用限制，簡化了工藝，節約了 成本；本實施方式在醫用鈦合金表面制備的生物膜層為氧化鋅和二氧化鈦的復合膜，使醫 用鈦合金具備了生物活性。

【具體實施方式】 [0021] 二：本實施方式與一不同的是步驟一中對醫用鈦合 金依次進行去氧化膜、除油處理為：依次用100#、200#、300#、500#、800#、1000#、1200#、 1500#、2000#的砂紙進行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再用去離子水超聲 清洗，自然晾干。

【具體實施方式】 [0022] 三：本實施方式與一或二不同的是步驟二中配制電解 液：3-6g/L的葡萄糖酸鋅、8-10g/L的氫氧化鈉，5-8g/L的六偏磷酸鈉，2-4g/L乙二胺四乙 酸鈉，其它步驟及參數與一或二相同。

【具體實施方式】 [0023] 四：本實施方式與一或二不同的是步驟二中配制電解 液：5g/L的葡萄糖酸鋅、9g/L的氫氧化鈉，6g/L的六偏磷酸鈉，3g/L乙二胺四乙酸鈉，其它 步驟及參數與一或二相同。

【具體實施方式】 [0024] 五：本實施方式與一至四之一不同的是步驟三中設置 電參數為：脈沖頻率300-500HZ、占空比為20-35%，其它步驟及參數與一至六 之一相同。

【具體實施方式】 [0025] 六：本實施方式與一至四之一不同的是步驟三中設置 電參數為：脈沖頻率400Hz、占空比為30%，其它步驟及參數與一至六之一相 同。

【具體實施方式】 [0026] 七：本實施方式與一至六之一不同的是步驟三中進行 微弧氧化10_20min。其它步驟及參數與一至八之一相同。

【具體實施方式】 [0027] 八：本實施方式與一至六之一不同的是步驟三中進行 微弧氧化15min。其它步驟及參數與一至八之一相同。
[0028]

【具體實施方式】九：本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是步驟四中以 3-8° C /min的升溫速率升溫至400-500° C。其它步驟及參數與【具體實施方式】一至八之 一相同。
[0029]

【具體實施方式】十：本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是步驟四中以 5° C /min的升溫速率升溫至450° C。其它步驟及參數與【具體實施方式】一至八之一相同。

【具體實施方式】 [0030] 十一：本實施方式與一至十之一不同的是步驟四中保 溫6_9h。其它步驟及參數與一至十之一相同。

【具體實施方式】 [0031] 十二：本實施方式與一至十之一不同的是步驟四中保 溫8h。其它步驟及參數與一至十之一相同。

【具體實施方式】 [0032] 十三：本實施方式與一至十二之一不同的是步驟四中 保溫過程中控制水熱高壓釜內壓力為5-8MPa。其它步驟及參數與一至十二之 一相同。

【具體實施方式】 [0033] 十四：本實施方式與一至十二之一不同的是步驟四中 保溫過程中控制水熱高壓釜內壓力為6MPa。其它步驟及參數與一至十二之一 相同。

【具體實施方式】 [0034] 十五：本實施方式與一至十四之一不同的是步驟二配 置的電解液為：2_8g/L的葡萄糖酸鋅、5-12g/L的氫氧化鈉，4-12g/L的多聚磷酸鈉，l-5g/L 乙二胺四乙酸鈉、溶劑為去離子水。其它步驟及參數與一至十四之一相同。

【具體實施方式】 [0035] 十六：本實施方式與十五不同的是步驟二配置的電解 液為：3_6g/L的葡萄糖酸鋅、8-10g/L的氫氧化鈉，7-10g/L的多聚磷酸鈉，2-4g/L乙二胺四 乙酸鈉、溶劑為去離子水。其它步驟及參數與具體實施十七相同。

【具體實施方式】 [0036] 十七：本實施方式與十五不同的是步驟二配置的電解 液為：5g/L的葡萄糖酸鋅、9g/L的氫氧化鈉，9g/L的多聚磷酸鈉，3g/L乙二胺四乙酸鈉、溶 劑為去離子水。其它步驟及參數與具體實施十五相同。

【具體實施方式】 [0037] 十八：本實施方式與一至十四之一不同的是步驟二配 置的電解液為：2_8g/L的葡萄糖酸鋅、5-12g/L的氫氧化鈉，5-10g/L的磷酸鈉，l-5g/L乙二 胺四乙酸鈉、溶劑為去離子水。其它步驟及參數與一至十四之一相同。

【具體實施方式】 [0038] 十九：本實施方式與十八不同的是步驟二配置的電解 液為：3_6g/L的葡萄糖酸鋅、8-10g/L的氫氧化鈉，6-9g/L的磷酸鈉，2-4g/L乙二胺四乙酸 鈉、溶劑為去離子水。其它步驟及參數與十八相同。

【具體實施方式】 [0039] 二十：本實施方式與具體實施十八不同的是步驟二配置的電解液 為：5g/L的葡萄糖酸鋅、9g/L的氫氧化鈉，8g/L的磷酸鈉，3g/L乙二胺四乙酸鈉、溶劑為去 離子水。其它步驟及參數與十八相同。

【具體實施方式】 [0040] 二十一：本實施方式直接在醫用鎳鈦合金表面制備羥基磷灰石膜 層的方法是通過以下步驟實現的一、對醫用鈦合金依次用100#、200#、300#、500#、800#、 1000#、1200#、1500#、2000#砂紙進行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再去離 子水超聲清洗，自然晾干；二、配制電解液：5g/L的葡萄糖酸鋅、8g/L的氫氧化鈉，9g/L的 多磷酸鈉，3g/L乙二胺四乙酸鈉，溶劑為去離子水；三、以步驟一處理后的醫用鈦合金為 陽極，用夾具固定浸入電解液中，不銹鋼電解液槽為陰極，采用雙向脈沖電源，設置電參數 為：脈沖電壓180-380V、脈沖頻率600Hz、占空比為30%，進行微弧氧化20min ;四、將經步驟 三處理后的鈦合金放入水熱高壓釜中，然后以3° C /min的升溫速率升溫600° C，保溫 l〇h，保溫過程中控制水熱高壓釜內壓力為8MPa，即在鈦合金表面制備得氧化鋅抗菌生物膜 層。
[0041] 本實施方式中醫用鈦合金為Ti6A14V，葡萄糖酸鋅，氫氧化鈉，多磷酸鈉，乙二胺四 乙酸鈉均為分析純，市售產品。
[0042] 本實施方式采用恒電流模式進行微弧氧化，在微弧氧化過程中電壓變化范圍 200-350V。

【具體實施方式】 [0043] 二十二：本實施方式直接在醫用鎳鈦合金表面制備羥基磷灰石膜 層的方法是通過以下步驟實現的：一、對醫用鈦合金依次用100#、200#、300#、500#、800#、 1000#、1200#、1500#、2000#砂紙進行打磨去氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，再去離 子水超聲清洗，自然晾干；二、配制電解液：5g/L的葡萄糖酸鋅、9g/L的氫氧化鈉，8g/L的 磷酸鈉，3g/L乙二胺四乙酸鈉，溶劑為去離子水；三、以步驟一處理后的醫用鈦合金為陽 極，用夾具固定浸入電解液中，不銹鋼電解液槽為陰極，采用雙向脈沖電源，設置電參數為： 脈沖電壓200-360V、脈沖頻率300Hz、占空比為15%，進行微弧氧化30min ;四、將經步驟三處 理后的鈦合金放入水熱高壓釜中，然后以6° C /min的升溫速率升溫500° C，保溫12h，保 溫過程中控制水熱高壓釜內壓力為lOMPa，即在鈦合金表面制備得氧化鋅抗菌生物膜層。
[0044] 本實施方式中醫用鈦合金為Ti6A14V，葡萄糖酸鋅，氫氧化鈉，磷酸鈉，乙二胺四乙 酸鈉均為分析純，市售產品。
[0045] 本實施方式采用恒電流模式進行微弧氧化，在微弧氧化過程中電壓變化范圍 180-360V。
【權利要求】
1. 一種在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法，其特征在于直接在醫用鈦合 金表面制備氧化鋅抗菌膜的方法是通過以下步驟實現的：一、對醫用鈦合金依次進行去氧 化膜、除油處理；二、配制電解液：2_8g/L的葡萄糖酸鋅、5-12g/L的氫氧化鈉，3-10g/L的 六偏磷酸鈉，l_5g/L乙二胺四乙酸鈉、溶劑為去離子水；三、以步驟一處理后的醫用鈦合金 為陽極，用夾具固定浸入步驟二配置的電解液中，不銹鋼電解液槽為陰極，采用脈沖電源， 設置電參數為：脈沖電壓160-450V、脈沖頻率100-600HZ、占空比為15-45%，進行微弧氧化 2-30min;四、將經步驟三處理后的鈦合金放入水熱高壓釜中，然后以2-10° C /min的升溫 速率升溫300-600° C，保溫3-12h，保溫過程中控制水熱高壓釜內壓力3-10MPa，即在鈦合 金表面制備得氧化鋅抗菌生物膜。
2. 根據權利要求1所述的一種在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法，其特 征在于步驟二配置的電解液為：2-8g/L的葡萄糖酸鋅、5-12g/L的氫氧化鈉，4-12g/L的多 聚磷酸鈉，l_5g/L乙二胺四乙酸鈉、溶劑為去離子水。
3. 根據權利要求1所述的一種在醫用鈦合金表面制備氧化鋅抗菌生物膜的方法，其特 征在于步驟二配置的電解液為：2-8g/L的葡萄糖酸鋅、5-12g/L的氫氧化鈉，5-10g/L的磷 酸鈉，l-5g/L乙二胺四乙酸鈉、溶劑為去離子水。
【文檔編號】C25D11/26GK104195617SQ201410474161
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】趙全明, 楊惠林, 劉忠堂 申請人:趙全明