[发明专利]一种钛基及钽基金属材料的表面改性方法及其产品和用途

说明书

本发明涉及一种钛基及钽基金属材料的表面改性方法及其产品和用途，所述表面改性方法包括如下步骤：(1)预处理：钛基或钽基金属材料进行抛光至具有镜面光泽；(2)光刻：将步骤(1)抛光后的表面涂覆光刻胶层，固化后，曝光进行光刻，显影；(3)ICP或RIE刻蚀：将步骤(2)显影后的基体放入ICP或RIE腔内，用刻蚀气体进行刻蚀，除去所述光刻胶层，得到表面具有纳米拓扑结构的医用金属材料。拓扑形貌可控，方法操作简单，不用SiO₂或金属做表面保护，可根据需要设计不同的表面形貌引导细胞生长，增加细胞贴壁率；具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及医用金属材料表面改性技术领域，尤其涉及一种钛基及钽基金属材料的表面改性方法及其产品和用途。

背景技术

钛及钛合金材料已成为骨科、齿科和心血管等植入或器械用主要原材料，钽具有高摩擦系数，这将使其具有较好的机械稳定性并且当钽移植入动物体内没有周围炎症反而具有优良的生物相容性，因此在骨折内固定等外科手术中发挥了重要作用。普遍认为植体材料表面与周围组织在分子以及细胞水平上的相互作用，细胞和蛋白质尺寸分别是1～100μm和1～10nm，因此，生物材料表面微观结构对细胞的粘附、增殖和分化等产生重要影响。

鉴于天然骨主要由具有微纳米结构的羟基磷灰石(HA)组成，对于骨科和齿科材料而言，设计具有微纳米尺度的粗糙度对提高组织整合性至关重要。研究发现，具有拓扑结构的粗糙表面对成骨细胞的增殖分化较平坦表面敏感度增强。针对材料表面微纳米化后其表面结构有利于体内细胞的粘附、分化和增殖的特点，目前三种可实现金属材料表面微纳米化的常用方法：(1)表面涂层：将具有纳米尺度的颗粒固定在材料表面，形成与基底组成相同或不同的纳米结构表层；(2)表面自身微纳米化：对于多晶材料采用为非平衡处理方法可增加材料表面粗糙度和自由能，使原始粗晶组织逐渐细化至微纳米量级，目前主要有表面机械加工处理、微弧氧化法(MAO)、以及激光表面加工等方法；(3)混合方式：将表面纳米技术与化学处理有机结合，即在材料的纳米结构表层形成与基体成分不同的微纳米晶固溶体或化合物。

CN102586786A公开了一种钛表面形成分级多孔形貌的方法，包括钛试样抛光清洗-喷丸处理-酸蚀处理-阳极氧化-超声清洗，在纯钛表面形成具有生物活性的分级多孔形貌，并具有较厚的由离子键结合的高生物化学稳定性的离子化合物TiO₂层。CN102921037A公开了一种钛种植体表面制备多级微米结构的方法，将钛打磨，除油处理清洗，再氢氟酸、硝酸、过氧化氢混合溶液酸蚀清洗，然后进行喷砂处理，将喷砂处理后的钛置于酸蚀液中进一步酸蚀处理，再热处理得到多级微米结构表面的钛种植体。CN103981523A公开了一种超亲水性Ti₆Ai₇Ni表面喷砂酸蚀处理方法，通过对Ti₆Ai₇Ni进行预处理、喷砂、酸蚀、清洗的表面处理工艺方法，制备出微米级粗糙多孔钛合金表面，表面具备超强的亲水性。CN105925949A公开了一种钛或钛合金表面微纳米多孔结构的制备方法，包括下述步骤：钛或钛合金的表面清洁处理；钛或钛合金的表面电镀或磁控溅射一层铜涂层；热处理将铜原子扩散入钛或钛合金的表面；采用固相法镁粉或者液相法熔融态镁来脱合金处理；最后用酸与水清洗与干燥；即得到表面微纳米多孔的钛或钛合金。

阳极氧化、微弧氧化以及激光处理等技术需要特殊设备，操作过程较为复杂，且由于制备过程中使用较多的化学试剂，容易残留于最终产品中，因此，此类技术目前还未在临床上得到使用。相对而言，化学方法具有简单、易操作且成本低等优点，已经在牙科种植体表面改性方面得到了商业化。然而，目前大部分化学处理方法均涉及到强酸强碱，为了避免残留酸碱对细胞和组织造成危害，化学法制备的种植体都需要经过长时间的淋洗，处理过程繁琐，生产效率低，容易造成氢脆，处理成本较高。另外，此类方法更擅长于调控微米级别的形貌，对纳米结构调控能力极其有限。

CN106498397A公开了一种基于盐蚀的在钛基种植体表面原位构建多级纳米拓扑结构的方法。不仅要经过长时间的淋洗，且不能形成可以设计的规则结构，应用受限。