[发明专利]一种在钛合金表面制备钽原子掺杂的生物活性陶瓷涂层及其制备方法

说明书

一种在钛合金表面制备钽原子掺杂的生物活性陶瓷涂层及其制备方法，属于金属材料表面改性技术领域。本发明提供了一种通过溶胶‑凝胶‑微弧氧化法在医用钛合金表面制备功能元素钽(Ta)掺杂的生物活性陶瓷涂层的方法，首先通过溶胶‑凝胶法将含有氧化钽的溶胶经过浸渍的方式均匀涂覆到钛合金表面，然后利用微弧氧化强烈的火花放电作用进一步强化，从而使表面的溶胶‑凝胶层形成致密的陶瓷膜，防止涂层的脱落。通过该方法制备的含钽涂层在钛合金表面均匀分布，有利于增加成骨细胞的粘附及增殖，从而提高钛合金的生物活性，在医用植入材料领域展现了较好的应用前景。

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种采用溶胶-凝胶和微弧氧化法在钛合金表面制备钽原子掺杂的生物活性陶瓷涂层及其制备方法，从而提高钛合金的生物活性，在医用植入材料领域展现了较好的应用前景。

背景技术

钛及钛合金具有更优异的综合力学性能和较好的生物相容性，已成为牙种植体、骨创伤产品和人工关节等人体硬组织替代材料和修复物。然而由于人体组织是一个复杂的生理介质，医用金属材料在体内会发生腐蚀溶解现象，析出的金属原子钒等对人体组织有毒害作用，严重影响生物组织的正常新陈代谢。此外，钛合金属于生物惰性材料，与周围骨组织的结合是一种简单的机械锁合，并且钛合金的弹性模量与人骨相差较大，这就会在结合处产生应力集中，导致植入失败。在钛合金表面负载功能性离子的生物活性涂层(陶瓷、羟基磷灰石等)是改善材料生物学性能的主要方法。

钽(Ta)是优良的医用金属材料，与人体组织有良好的整合能力。但是纯钽较软、塑性较差，最重要的是其价格昂贵，严重制约了它的广泛应用。近年来，在医用钛合金表面制备含钽原子的涂层受到了人们极大的关注。这种方法制得的材料既能保留医用钛合金的高强度、耐腐蚀性等特点，又能拥有钽原子的生物相容性以及较好的成骨活性，同时由于只需要在表面附着一层含钽的陶瓷涂层，所需钽原子的量大大减少，显著降低了生产成本。但是目前所知的研究方法多局限于磁控溅射及化学气相沉积等方法，这些方法的确能够很好地在钛合金表面附着钽涂层，但是存在明显的缺点：1、由于设备限制，只能制作较小样件，无法在较大且复杂的样品表面制备涂层；2、设备成本较为昂贵，难以实现推广。因此选用一种简单的方法在钛合金表面制备含钽涂层显得尤为重要。

溶胶-凝胶-微弧氧化法综合了溶胶-凝胶和微弧氧化两种方法的优点，溶胶-凝胶法制备的涂层均匀性好、产品纯度高，便于大面积制备，而微弧氧化处理后可使表面溶胶层结晶成型，进一步提高涂层的结合力。该方法所需设备简单，经济有效，所制备的膜层厚度均匀，与钛合金基底的结合力强，在医用植入材料的表面改性等方面具有重要的应用价值。目前还没有通过该方法将功能元素Ta引入钛合金表面并用作医用植入材料的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单快捷的制备方法，即提供一种通过溶胶-凝胶-微弧氧化法在医用钛合金表面制备功能元素钽(Ta)掺杂的生物活性陶瓷涂层的方法。首先通过溶胶-凝胶法将含有氧化钽的溶胶经过浸渍的方式均匀涂覆到钛合金表面，然后利用微弧氧化强烈的火花放电作用进一步强化，从而使表面的溶胶-凝胶层形成致密的陶瓷膜，防止涂层的脱落。通过该方法制备的含钽涂层在钛合金表面均匀分布，有利于增加成骨细胞的粘附及增殖。

该方法既可以方便快捷的在钛合金表面制备含钽涂层，又可以在后续的微弧氧化过程中通过调节电解液的成分，如添加抗菌离子铜等，提高材料的抗菌等性能，在医用植入材料的表面改性等方面具有良好的应用。

本发明所述的一种在钛合金表面制备钽原子掺杂的生物活性陶瓷涂层的方法，其步骤如下：

(1)钽溶胶的制备：在搅拌条件下，将2.0～5.0g钽化合物缓慢加入到50～100mL醇类溶剂中，继续搅拌0.5～1.0小时；然后向上述溶液中加入1.0～2.5mL乙酰丙酮和1.0～3.0mL浓硝酸水溶液(质量分数60～70％)，继续搅拌0.5～1.0小时；然后逐滴加入2～4mL的双氧水水溶液(质量分数25～35％)，搅拌1.0～2.0小时后将所得的溶胶密封，并在0～10℃条件下老化3～7天；