[发明专利]钛合金微弧氧化电解液及微弧氧化方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金表面处理技术，具体地说是医用钛合金表面微弧氧化制备抗菌性有机-无机生物活性涂层的工艺。

背景技术

钛合金由于比重小、比强度高、弹性模量低、耐腐蚀以及优良的生物相容性和加工成形性，近年来已发展成为外科植入物用较理想的功能结构材料。但是，作为植入材料，钛合金存在以下缺点：一、钛合金是生物惰性材料，植入体内后被一层包囊纤维膜所包绕，难于和生物组织形成牢固的结合。二、钛合金不具有抗菌性，存在术后感染风险。美国每年因手术植入引起的感染病人将近11.2万，造成的损失达20亿美元。尤其当植入体表面为多孔结构时，细菌非常容易在此繁殖。三、在生理环境中及负载条件下钛耐磨、耐腐蚀性较差，容易向肌体释放金属离子，导致炎症发生甚至植入失败。通过合适的表面处理，可在保留钛合金原有优良性能的基础上，有效提升医用钛合金的表面性能，改善植入体的植入效果和使用寿命。

微弧氧化是一种有效的钛合金表面处理技术，所形成的膜层具有耐蚀性能好、耐磨性能高、与基体结合良好等特点，克服了常用表面改性方法如等离子喷涂的缺点。采用微弧氧化在钛合金表面原位生成氧化膜，不仅能提高钛合金的耐蚀性和耐磨性，而且由于火花放电在涂层表面形成的多孔结构有利于骨细胞的粘附和增长，改善钛合金表面生物活性，并具有抗菌性能。

由于微弧氧化制备的氧化膜性能如表面形貌、成分、结构和耐蚀性主要由电解液组成、基体材料和电参数所决定，因此可通过调节以上影响因素来获得某种性能的氧化膜。钙和磷是人体必须的宏量元素，且钙磷盐具有良好的生物活性，因此筛选能使生成的氧化膜富含钙磷的电解质成为近年来制备生物涂层研究的重点。天然骨由有机基质和无机钙磷组成，从仿生角度看，有机-无机复合涂层无疑更近似于天然骨组织成分，促进周围骨形成。

采用微弧氧化方法制备钙磷盐生物活性涂层存在以下问题：一是在钛合金表面生成的钙磷盐均为无机物，与生物骨中的无机质有较大的差距，且单一模仿骨无机成分合成的羟基磷灰石难以在短期内形成新骨。二是制备抗菌性涂层工艺不理想。使用较多的方法是在电解液中加入银颗粒，但氧化时需要搅拌溶液以保证颗粒均匀。这种方法不仅原料贵、工艺较复杂，而且银离子能够与生物分子（如蛋白、酶、细胞膜等）的亲核组分结合，必将影响蛋白、细胞的原有表达及功能。三是采用微弧氧化技术对钛合金进行表面改性，重点在于提高钛合金生物活性，部分研究在于制备抗菌性涂层，但同时改善生物活性和抗菌性的工艺不多。因此，遴选能参与氧化膜形成的有机磷酸（盐）电解质从而制备有机-无机复合涂层具有非常重要的意义。

发明内容

为了克服上述不足，本发明目的在于提供一种制备抗菌性有机-无机生物活性涂层的钛合金微弧氧化电解液以及微弧氧化方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

钛合金微弧氧化电解液包括：植酸或植酸盐，也可添加含生物活性元素的钙盐、镁盐、锌盐或鞣酸、氢氧化物一种或几种电解质；其中植酸或植酸盐3~100g/L，钙盐、镁盐、锌盐3~80g/L，鞣酸3~60g/L，氢氧化物3~60g/L。电解液中也可以不添加钙盐、镁盐、锌盐或鞣酸、氢氧化物一种或几种电解质。

所述植酸盐为一价的碱金属盐植酸钠、植酸钾或植酸铵；钙盐为醋酸钙、碳酸钙、磷酸二氢钙、氢氧化钙、氧化钙或甘油磷酸钙的之一种或几种；镁盐为醋酸镁、碳酸镁、磷酸二氢镁、氢氧化镁、氧化镁的之一种或几种；锌盐为醋酸锌、碳酸锌、磷酸二氢锌、氢氧化锌、氧化锌的之一种或几种；氢氧化物为碱金属的氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵的一种或几种。

本发明还涉及一种钛合金微弧氧化方法，包括如下步骤：

1）前处理：将工件研磨或脱脂，酸洗；

2）微弧氧化：将前处理后的工件浸入前面所述电解液中，然后微弧氧化；所用电源为脉冲电源，电解液温度控制在15~40℃之间，时间为2~50分钟，终电压为100~800V；

3）后处理。

前处理：研磨或脱脂，酸洗。对于工件的机加和压铸表面，可依次进行脱脂和酸洗；对于具有砂模铸造表面的工件，应先用机械方法除去表面砂粒，然后进行除油和酸洗；所述抛光或研磨（即机械前处理），除去表面异物，降低表面粗糙度；

为了达到更好的技术效果：