[发明专利]一种氧化钛复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化钛复合涂层及其制备方法，具体涉及一种经表面改性获得的氧化钛复合涂层，以及采用微弧氧化技术、等离子体浸没离子注入技术制备该涂层的方法。

背景技术

钛及其合金以其较低的弹性模量、优异的生物相容性、耐腐蚀性和力学性能而被广泛用作骨组织修复与替换材料。然而，由于在植入过程中有可能带入周围环境中的细菌从而引发骨髓炎等术后感染，如何抑制细菌在植入材料表面的粘附和繁殖，成为植入材料研究的热点之一。在基底上原位生长的氧化钛涂层再诱导类骨磷灰石形成[中国专利ZL200510029743.2;ZL200510023170.2;J.Biomed Mater Res.200364A164-170]和促进造骨细胞粘附与增殖[Biomaterials2000211803-1810.]等方面均有着出色表现。

另据报道，氧化钛的半导体性质对各种生物体的基本组成细胞的行为具有重要作用。随着氧化钛膜层缺陷浓度和导电性的改变，植入体与组织的结合情况会有所变化[Biomaterials.200930:4471-4479]，光催化杀菌能力也会相应调整[J.Am.Chem.Soc.2011;133:11270-11278.]。然而，目前氧化钛相关膜层在促进造骨细胞增殖与分化，平衡抑菌效率与生物安全性方面仍然存在缺陷，限制了其在临床上的应用。

基于上述，氧化钛涂层的制备与合理修饰成为了金属表面改性领域中的研究热点。Shaofeng Chen在如何调控氧化钛的半导体性能的研究工作中，发现氧化钛的半导体性质可以通过表面修饰纳米颗粒进行调控[Nano Res.2010;3:244-255.]。但目前所修饰的纳米颗粒并非人体的营养元素。如何将人体自身所需的营养元素的纳米颗粒，修饰于植入体表面改性涂层上，目前尚无报道。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的问题以提高/改善氧化钛涂层在抑菌效率和生物安全性方面的性能，提出一种新的改性、制备方法制得一种新型的氧化钛复合涂层。

本发明提供一种氧化钛复合涂层，其中，所述氧化钛复合涂层包括通过微弧氧化技术原位形成在钛基金属基材的表面的多孔氧化钛涂层，以及通过等离子体浸没离子注入技术复合在多孔氧化钛涂层的氧化铁纳米颗粒，所述氧化钛复合涂层中铁元素的含量为1～15%。

本发明是基于氧化钛较好的生物相容性、可调的半导体性质和铁元素较好的生物安全性，设计了微弧氧化技术和等离子体浸没离子注入技术相结合的技术路线，充分发挥两者的特点，即首先采用微弧氧化技术，选用合适的工艺条件，在钛或钛合金基体表面制备具有多孔结构且涂层与基体牢固结合的氧化钛涂层，再辅以等离子体浸没离子注入技术将氧化铁纳米颗粒复合至氧化钛涂层表面，形成一种新型的修饰有氧化铁纳米颗粒的氧化钛复合涂层，由于铁元素本身较好的细胞安全性和对氧化钛的修饰作用，该氧化钛复合涂层表现出良好的细胞相容性并对金黄色葡萄球菌体现明显的抗菌效果。

较佳地，所述氧化钛复合涂层的厚度可为3～10μm。

较佳地，所述多孔氧化钛涂层中的孔的孔径可为小于5μm。

较佳地，所述氧化铁纳米颗粒的尺寸可为5～13nm。

较佳地，所述钛基金属基材可为纯钛或钛合金。

本发明还提供一种制备所述氧化钛复合涂层的方法，所述方法包括：

（1）采用微弧氧化技术在钛基金属基材的表面形成多孔氧化钛涂层；以及

（2）采用等离子体浸没离子注入技术将铁离子注入氧化钛涂层，形成氧化铁纳米颗粒修饰的氧化钛复合涂层。

较佳地，所述方法的步骤（1）中，可以含有硅酸盐和/或磷酸盐的碱性溶液为电解液，所述钛基金属基材为阳极，不锈钢为阴极，采用直流脉冲电源对所述钛基金属基材进行微弧氧化处理，所述微弧氧化的参数可为：电流密度0.1～5A/cm²、电压300～700V、频率500～2000Hz、占空比10～80％。

较佳地，所述微弧氧化的时间可为1～60分钟。

较佳地，所述微弧氧化处理过程中保持所述电解液的温度可为60℃以下。

较佳地，所述方法的步骤（2）中，等离子体浸没离子注入的参数可为：真空室温度为20～80℃；真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa；注入电压10～40kV；脉宽为300～800μs；频率为5～10Hz；注入处理时间0.5～2.0小时。