[发明专利]原位制备高能晶面择优金红石型二氧化钛薄膜的方法

说明书

为解决骨‑植入体在复杂应力环境下的界面可靠性问题，本发明提供了一种在钛/钛合金植入体上原位制备{001}高能晶面择优的金红石二氧化钛薄膜的方法。Ti‑O薄膜与钛/钛合金基体有很好的结合力，因为高能晶面的曝露使其在体液中能有效诱导类骨磷灰石自发沉积（24h），与周围骨组织可以实现分子水平的化学键合，实现连续的应力传递，可极大地提高植入体的生物活性，改善骨‑植入体的界面有效性，本发明制备方法简单，原料成本低廉，所需设备简单，无需特殊装置。适用于不同大小、形状及结构的钛/钛合金基体，具有实用性。

技术领域

本发明涉及一种钛及钛合金表面原位生长{001}高能晶面择优的金红石型二氧化钛薄膜制备方法，提高表面生物活性。

背景技术

金属植入体在性能上具有生物力学、机械加工和疲劳强度等方面的优势，而且随着近些年增材制造技术（也被称为立体打印、3D打印）的发展，可以相对容易地实现完全个性化制造，因此在人工股骨头及膝关节的置换，3D打印钛合金个性化下颌体植入等手术中得到了成功应用。

然而作为金属材料，钛/钛合金等金属植入体也具有与生俱来的缺陷，其强度、弹性模量等机械力学性能远高于天然骨，容易形成应力遮挡效应，使植入体与骨接触的界面部位出现骨吸收或坏死，从而造成固定钉松动、固定板折断、松动后磨穿软组织等；另外，表面生物活性不高，植入体与骨整合方式多为一种物理上的机械嵌连，而非紧密的化学性骨结合。这种结合方式不利于植入体在体内的固定，且在体液中植入体不可避免的存在金属离子析出，易引起腐蚀及过敏等不良反应。

因此，针对钛/钛合金植入体存在的主要缺陷，目前的研究主要集在多孔钛/钛合金植入体的制造及表面改性。其中，在植入体表面复合生物活性涂层，赋予其骨传导及骨诱导能力是一种有效的方法。

类骨磷灰石是由小晶粒和有缺陷结构组成的含碳酸根的羟基磷灰石。这层磷灰石结构和人体骨的成分和结构十分接近,成骨细胞在上面增殖分化, 生长出磷灰石层和胶原质, 活体骨形成的磷灰石与表面的磷灰石层将牢固键合，其间没有纤维层的形成, 大大降低了两者之间的界面能。另外，类骨磷灰石的存在可以促进细胞活性，使材料与组织接触界面更活跃，结合更牢固。因此, 在金属植入体表面复合一层类骨磷灰石, 可提高植入体初期稳定性，在骨缺损处加速骨整合，还可以防止有害金属离子析出，避免骨质疏松、过敏等问题。然而，由于化学键的差异，脆性的磷灰石涂层与植入体间的界面结合力并不理想。

很多研究者通过等离子喷涂、微弧氧化等高能束加工方法进行表面改性提高了界面结合力。但对于具有复杂曲面的个性化多孔植入体，很难在表面得到均匀的复合涂层，而且在体内的复杂应力环境下，表面沉积的磷灰石涂层很容易崩解脱落，失去活性涂层的金属植入体易磨穿软组织导致外露。

发明内容

为解决骨-植入体在复杂应力环境下的界面可靠性问题，本发明提供了一种在钛/钛合金植入体上原位制备{001}高能晶面择优的金红石二氧化钛薄膜的方法。Ti-O薄膜与钛/钛合金基体有很好的结合力，因为高能晶面的曝露使其在体液中能有效诱导类骨磷灰石自发沉积（24h），与周围骨组织可以实现分子水平的化学键合，实现连续的应力传递，可极大地提高植入体的生物活性，改善骨-植入体的界面有效性

原位制备高能晶面择优的金红石型二氧化钛薄膜的方法，包括以下操作：

制备处理溶液：将盐酸和三氯化钛混合，制得前驱液，再将过氧化氢加入到前驱液，充分混合均匀制成处理溶液，所述的处理溶液中钛离子摩尔浓度是12~24mmol/L；

二氧化钛纳米阵列薄膜的沉积处理：将金属基体和处理溶液同时置于容器中，在140~200℃下反应75min～240min小时，反应结束后将基体取出，经去离子水清洗后,基体表面即可获得二氧化钛薄膜。

进一步，制备处理溶液步骤中，盐酸的摩尔浓度为2mol/L。