专利名称：适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法
技术领域：
本发明属于钛及钛合金种植体表面处理方法技术领域，具体涉及一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法。
背景技术：
由于社会进步及医疗状况的不断改善，人的寿命不断延长，因此，开发能替代那些已失去生理功能的组织并行使其功能的生物医用材料变得越来越重要。种植体作为生物医用材料的一种，主要用于替代缺损、缺失的人体硬组织，并行使其功能。因此，要求其对人体无毒、无害、无刺激，能刺激新骨的形成并在种植体的表面充分生长。钛和钛合金是目前应用最广泛的种植体材料，它具有良好的机械力学性和生物相容性，但钛和钛合金不具备诱导成骨细胞在其表面生长的能力。如何使钛植入机体后与骨形成性结合是钛种植体表面改性的一个重点。种植体表面的形态对生物材料的活性发挥是有影响的，表面多孔可以促进细胞组织与材料表面附着和紧密结合，多孔表面不仅增加了种植体与周围组织的接触面积，并且可优先贴附成骨细胞，使其活性得到更大的发挥，并可使新生成骨长入多孔表面。 研究表明，适合于骨组织要生长的种植体表面多孔结构的孔径达到50uM以上。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法，能在种植体表面生成多孔的陶瓷层，其孔径在50uM以上，解决了骨组织不能在种植体表面充分生长的问题。本发明所采用的技术方案是，一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法，其操作步骤为先将钛种植体放入氧化槽里的硅酸盐或磷酸盐电解溶液中并接微弧氧化控制电源的正极，电源的负极接不锈钢；通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压2分钟，控制电压为400V，占空比为8%，频率为100HZ ；再将硅酸盐或磷酸盐电解溶液换成碱液，通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压1分钟，控制电压为300V，占空比为 20%，频率为100HZ ；通过上述步骤后即在钛种植体表面原位生长一层多孔且适于骨组织充分生长的陶瓷层。其中，硅酸盐电解溶液按重量与总体积比，由10 15g/L的硅酸钠和3 8g/L的碳酸钠组成，溶剂为蒸馏水。其中，磷酸盐电解溶液为按重量与总体积比，由8 20g/L的β-甘油磷酸钠和 15 30g/L的乙酸钙，溶剂为蒸馏水。其中，碱溶液按重量与总体积比为20g/L的氢氧化钾，溶剂为蒸馏水。本发明的有益效果是，由于本发明是通过对不同时间范围内的电参数(电压、占空比、频率)的控制，调节两个阶段的电解液配方和电源输出能量，从而制备出孔径在50uM以上的钛种植体表面，经本发明公开的方法处理的钛种植体完全满足了在人体中的使用要求，可以解决骨组织在种植体表面充分生长的问题。
图1是本发明实施例1中钛种植体在硅酸盐电解液试验后的表面形貌扫描照片； 图2是利用本发明实施例1提供的制备方法在钛种植体表面最终生长的陶瓷层的表面
形貌扫描照片(放大倍数为80X )；
图3是利用本发明实施例1提供的制备方法在钛种植体表面最终生长的陶瓷层的表面形貌扫描照片(放大倍数为650X )；
图4是本发明实施例1中在钛种植体表面制备的陶瓷层XRD相成分图谱； 图5是本发明实施例3中钛种植体在磷酸盐电解液试验后的表面形貌扫描照片； 图6是利用本发明实施例3提供的制备方法在钛种植体表面最终生长的陶瓷层的表面形貌扫描照片(放大倍数为80X )；
图7是利用本发明实施例3提供的制备方法在钛种植体表面最终生长的陶瓷层的表面形貌扫描照片(放大倍数为1200X)；
图8是本发明实施例3中在钛种植体表面制备的陶瓷层XRD相成分图谱。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1
一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法，包括以下步骤 先在氧化槽内配置硅酸盐电解溶液，硅酸盐电解溶液按重量与总体积比，由10g/L的硅酸钠和8g/L的碳酸钠组成，其溶剂为蒸馏水，配好的电解溶液的pH值为10-12 ；然后将钛种植体浸入配好的硅酸盐电解溶液中，钛种植体接微弧氧化控制电源的正极，电源的负极接不锈钢板，通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压2分钟，控制电压为400V， 占空比为8%，频率为100HZ。置于硅酸盐电解溶液中的钛种植体在通电的瞬间将迅速形成一层极薄的氧化钛陶瓷层，在电压产生的强电场作用下，氧化钛陶瓷层中的薄弱区域被同时击穿形成放电通道，硅酸盐电解溶液被注入到放电通道中，同时处于高温作用，熔融的钛从基体脱离也进入到放电通道中，随后在通道中发生等离子化学反应，反应中的产物T^2 被沉积在放电通道的内壁和通道口附近的表面上，这样导致多孔的氧化钛陶瓷层的形成并逐渐加厚。如图1所示，通过扫描电子显微镜检测钛种植体表面的微观形貌，钛种植体表面的氧化钛陶瓷层布满了大量直径为1 3uM的微孔，这些孔是钛种植体表面产生大量的微弧放电所形成的。再将氧化槽内的硅酸盐电解溶液换成碱液，碱液按重量与总体积比为20g/L的氢氧化钾，其溶剂为蒸馏水；通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压1分钟，控制电压为300V,占空比为20%，频率为IOOHZ0通过以上步骤即在钛种植体表面原位生长一层多孔且适于骨组织充分生长的陶瓷层，如图2所示，在最终形成的陶瓷层表面布满了孔径为50 IOOuM的孔，这是由于电解液为KOH时，微弧氧化不发生膜层增厚反应，而是发生电化学溶解。钛种植体在硅酸盐电解液中已生成了 TW2绝缘陶瓷层，当在KOH溶液中微弧氧化时形成了 “金属-绝缘层-电解液(钛基体一TiO2陶瓷层一碱液)”三相体系，钛种植体表面的陶瓷层被击穿而出现放电弧光，KOH在加压放电的作用下，在弧光击穿处对TW2陶瓷层产生电化学溶解，导致了如图2 所示的表面形貌出现。如图3所示，其为单个微孔放大650倍的扫描照片，孔径约为65uM 适于骨细胞在其内部攀附生长。图4是本实施例在钛种植体表面制备的陶瓷层的XRD相成分图谱，由此图可以看出，陶瓷层的成分为TiO2，具有生物相容性对人体无伤害。实施例2
一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法，包括以下步骤 先在氧化槽内配置硅酸盐电解溶液，硅酸盐电解溶液按重量与总体积比，由15g/L的硅酸钠和3g/L的碳酸钠组成，其溶剂为蒸馏水，配好的电解溶液的pH值为10-12 ；然后将钛种植体浸入配好的硅酸盐电解溶液中，钛种植体接微弧氧化控制电源的正极，电源的负极接不锈钢板，通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压2分钟，控制电压为400V， 占空比为8%，频率为IOOHZ0再将氧化槽内的硅酸盐电解液换成碱液，碱液按重量与总体积比为20g/L的氢氧化钾，其溶剂为蒸馏水；通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压1分钟，控制电压为300V,占空比为20%，频率为IOOHZ0通过上述步骤即在钛种植体表面原位生长一层多孔且适于骨组织充分生长的陶
瓷层ο实施例3
一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法，包括以下步骤 先在氧化槽内配置磷酸盐电解溶液，磷酸盐电解溶液按重量与总体积比，由8g/L 的β-甘油磷酸钠和15g/L的乙酸钙组成，其溶剂为蒸馏水，配好的电解溶液的pH值为 10-12 ；然后将钛种植体浸入配好的磷酸盐电解溶液中，钛种植体接微弧氧化控制电源的正极，电源负极接不锈钢板，通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压2分钟，控制电压为400V，占空比为8%，频率为100ΗΖ。置于磷酸盐电解溶液中的钛种植体在通电的瞬间将迅速形成一层极薄的氧化钛陶瓷层，在电压产生的强电场作用下，氧化钛陶瓷层中的薄弱区域被同时击穿形成放电通道，磷酸盐电解溶液被注入到放电通道中，同时处于高温作用，熔融的钛从基体脱离也进入到放电通道中，随后在通道中发生等离子化学反应，反应中的产物TiO2被沉积在放电通道的内壁和通道口附近的表面上，这样导致多孔的氧化钛陶瓷层的形成并逐渐加厚。如图5所示，通过扫描电子显微镜检测钛种植体表面的微观形貌，钛种植体表面的氧化钛陶瓷层布满了大量直径为1 3uM的微孔，这些孔是钛种植体表面产生大量的微弧放电所形成的。再将氧化槽内的磷酸盐电解溶液换成碱液，碱液按重量与总体积比为20g/L的氢氧化钾，其溶剂为蒸馏水；通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压1分钟，控制电压为300V,占空比为20%，频率为IOOHZ0通过以上步骤即在钛种植体表面原位生长一层多孔且适于骨组织充分生长的陶瓷层，如图6所示，在最终形成的陶瓷层表面布满了孔径为50 IOOuM的孔，这是由于电解液为KOH时，微弧氧化不发生膜层增厚反应，而是发生电化学溶解。钛种植体在磷酸盐电解液中已生成了 TW2绝缘陶瓷层，当在KOH溶液中微弧氧化时形成了 “金属-绝缘层-电解液(钛基体一TiO2陶瓷层一碱液)”三相体系，钛种植体表面的陶瓷层被击穿而出现放电弧光，KOH在加压放电的作用下，在弧光击穿处对TiA陶瓷层产生电化学溶解，导致了如图6 所示的表面形貌出现。如图7所示，其为单个微孔放大1200倍的扫描照片，孔径约为65uM 适于骨细胞在其内部攀附生长。图8是本实施例在钛种植体表面制备的陶瓷层的XRD相成分图谱，由此图可以看出，陶瓷层的成分为TiO2，具有生物相容性对人体无伤害。实施例4
一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法，包括以下步骤 先在氧化槽内配置磷酸盐电解溶液，磷酸盐电解溶液按重量与总体积比，由20g/L 的β -甘油磷酸钠和30g/L的乙酸钙组成，其溶剂为蒸馏水，配好的电解溶液的pH值为 10-12 ；然后将钛种植体浸入配好的磷酸盐电解溶液中，钛种植体接微弧氧化控制电源的正极，电源负极接不锈钢板，通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压2分钟，控制电压为400V,占空比为8%，频率为IOOHZ0再将氧化槽内的磷酸盐电解溶液换成碱液，碱液按重量与总体积比为20g/L的氢氧化钾，其溶剂为蒸馏水；通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压1分钟，控制电压为300V,占空比为20%，频率为IOOHZ0通过以上步骤即在钛种植体表面原位生长一层多孔且适于骨组织充分生长的陶
瓷层ο
权利要求
1.一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法，其特征在于，其操作步骤为先将钛种植体放入氧化槽里的硅酸盐或磷酸盐电解溶液中并接微弧氧化控制电源的正极，电源的负极接不锈钢；通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压2分钟，控制电压为 400V,占空比为8%，频率为100HZ ；再将硅酸盐或磷酸盐电解溶液换成碱液，通过微弧氧化控制电源对钛种植体施加脉冲电压1分钟，控制电压为300V，占空比为20%，频率为100HZ ； 通过上述步骤后即在钛种植体表面原位生长一层多孔且适于骨组织充分生长的陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的钛种植体表面处理方法，其特征在于所述硅酸盐电解溶液按重量与总体积比，由10 15g/L的硅酸钠和3 8g/L的碳酸钠组成，溶剂为蒸馏水。
3.根据权利要求1所述的钛种植体表面处理方法，其特征在于所述磷酸盐电解溶液为按重量与总体积比，由8 20g/L的β -甘油磷酸钠和15 30g/L的乙酸钙，溶剂为蒸馏水。
4.根据权利要求1所述的钛种植体表面处理方法，其特征在于所述的碱溶液按重量与总体积比为20g/L的氢氧化钾，溶剂为蒸馏水。
全文摘要
一种适于骨组织生长的钛种植体表面处理方法，在种植体表面制备出了适合于骨组织生长并且具备多尺寸孔径的膜层，其具体操作步骤为先将钛种植体放入氧化槽的硅酸盐或磷酸盐电解溶液中并接电源的正极，电源的负极接不锈钢，通过电参数的控制，制备出TiO2膜层，再将电解液换做纯碱，再通过电参数控制，即得到了所需要的膜层。本发明的方法处理的钛种植体完全满足了在人体中的使用要求，可以解决骨组织在种植体表面充分生长的问题。
文档编号C25D11/26GK102230206SQ201110147488
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者李均明, 王爱娟, 符致昭 申请人:西安理工大学