一种还原态钛氧化物涂层及制备方法和应用与流程

本发明涉及一种可用于钛基内植入物的还原态钛氧化物涂层及其制备方法和应用，具体涉及一种含有羟基和三价钛的还原态钛氧化物涂层及其制备方法和应用，属于医用生物涂层领域。
背景技术：
：钛及其合金具有优异的综合机械性能和良好的生物相容性，是医用植入体的首选材料。然而传统的医用钛植入体存在诸多不足，如植入人体后愈合时间较长、骨整合率较低。为了获得更优异的骨整合性能，常利用微弧氧化技术对植入体进行改性处理，增加材料表面粗糙度，改善植入体与新生的骨组织之间的结合。然而，钛植入体表面形成的钛氧化物仍具有生物惰性，且植入体在保存的过程中表面会不可避免地受到空气中碳氢化合物的污染，导致表面亲水性降低，生物活性减弱；而且钛植入体缺乏抗菌性，手术后容易发生细菌感染，最终导致植入失败，如瑞典专利申请号99019474-7、瑞典专利申请号0001202-1以及wo2005055860公开的用以获得多孔和粗糙表面的方法。技术实现要素：针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可用于钛基内植入物的还原态钛氧化物涂层，其特征在于，所述还原态钛氧化物涂层具有多孔结构，所述还原态钛氧化物涂层中含有氧空位、羟基和三价钛，羟基含量为26at％～30at％，三价钛含量为1at％～20at％。在本发明中，所述还原态钛氧化物涂层具有多孔结构，所述还原态钛氧化物涂层中含有氧空位、羟基(ti-oh)和三价钛，羟基含量为26at％～30at％，三价钛含量为1at％～20at％，具有促成骨和抑菌效果。其抗菌机理是产生的氧空位和三价钛，可与水反应产生ros，从而产生抑菌效果。具体来说，氢气离子注入处理会在样品表面产生大量的氧空位，溶液中的水在氧空位上解离形成羟基自由基(ros的一种)，羟基自由基会附着在细菌的细胞壁上，然后分解细胞壁的脂多糖层，攻击肽聚糖层，导致脂质膜过氧化和蛋白质膜上的氧化。由于这些层的损坏，钾离子从细菌中泄漏，影响细菌活力，细菌关键的功能丧失，最终导致细菌死亡。较佳地，所述还原态钛氧化物涂层的多孔结构的孔径大小为200nm～5μm。氢注入不会影响微弧氧化形成的多孔结构，只会还原涂层表面的氧化钛。较佳地，所述钛氧化物涂层包含锐钛矿型二氧化钛和/或金红石型二氧化钛；优选地，所述锐钛矿型二氧化钛的含量为17～28vol％，所述金红石型二氧化钛的含量为26～38vol％。本发明中，采用rir方法(也就是k值法)对xrd数据进行相含量计算所得锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛的含量值。较佳地，所述钛氧化物涂层的厚度为0.5～10μm。另一方面，本发明还提供了一种如上述的还原态钛氧化物涂层的制备方法，包括：采用微弧氧化技术在钛金属或钛合金表面制备多孔钛氧化物涂层；采用等离子体浸没离子注入技术在所得多孔钛氧化物涂层表面进行氢离子注入，得到所述还原态钛氧化物涂层。在本公开中，采用微弧氧化技术在钛金属或钛合金表面制备多孔钛氧化物涂层。再利用氢气等离子体浸没离子注入工艺对钛金属表层经微弧氧化处理形成的钛氧化物涂层进行氢离子注入。这样，可以使氢掺入钛氧化物涂层中，获得含羟基和三价钛、氧空位的多孔结构的还原态钛氧化物涂层。在上述在氢气离子注入过程中，氢离子会不断与微弧氧化改性形成的涂层表面的二氧化钛最外侧的桥氧反应，形成ti-oh键，并将部分的四价钛还原为三价钛，同时形成氧空位(ov)。较佳地，所述微弧氧化技术的参数包括：电压为200～300v；时间为15～90秒；正向电流为1.0～2.0a；占空比为5～15％；正向频率为600～800hz；所用电解液为0.1～0.3m的硫酸溶液。微弧氧化过程中形成的多孔三维结构使钛植入体表面的粗糙度增加，亲水性增强，更有效地促进了蛋白质分子的吸附。此外，微弧氧化改性钛表面的微孔结构可以诱导骨组织向孔内生长，而且有利于骨与植入体界面处化学键合的形成，加速植入体植入人体后的骨整合。降低电压和氧化时间可以减少生成的氧化钛中金红石相的比例，相应的增加锐钛矿的比例。锐钛矿和金红石虽然同属于四方晶系，但金红石的原子排列更致密，而锐钛矿的结构不如金红石稳定，因此锐钛矿具容易通过氢注入产生氧空位和四价钛，从而达到抑菌目的。又，较佳地，所述电解液中还含有磷元素、钙元素、硅元素、镁元素、锌元素、锰元素、铁元素中的至少一种；优选地，所述电解液中还包含0.2～0.4m磷酸。较佳地，所述等离子体浸没离子注入处理工艺条件为：本底真空度为3.0×10-3～5.0×10-3pa；注入电压为15～40kv；脉冲频率为100～400hz；脉宽为20～50μs；h25sccm～50sccm(标准立方厘米每分钟)；注入时间为30～120分钟；射频功率为200～1000w。氢注入不会影响微弧氧化形成的多孔结构，只会还原涂层表面的氧化钛。再一方面，本发明还提供了一种上述的还原态钛氧化物涂层在制备医疗器械材料中的应用。有益效果：本发明中，可用于钛基内植入物的还原态钛氧化物涂层，所述涂层主要由锐钛矿相和金红石相的氧化钛组成。羟基(ti-oh)和三价钛均匀分布在所述还原态钛氧化物涂层之中，使所述涂层具有促成骨和抑菌效果。同时，本发明提供了一种制备所述钛氧化物涂层的制备方法，具体步骤包括对钛金属表面微弧氧化原位生成的多孔钛氧化物涂层进行氢气等离子体浸没离子注入，以此在钛基金属表面形成含有ti-oh和三价钛的还原态钛氧化物涂层。本发明中的复合工艺在微弧氧化的基础上进一步进行氢气离子注入处理，在涂层表面产生更多的羟基，表面的羟基可以通过静电相互作用与吸附蛋白的氨基反应，从而引起蛋白质的构象变化，导致更活跃的细胞结合位点暴露，使细胞可以更好地与细胞整合素结合，促进细胞在样品表面的粘附和增殖，以及成骨相关基因的表达。附图说明图1为实施例1中预处理后的钛金属表面形貌图；图2a为实施例1中经微弧氧化处理的多孔钛氧化物表面形貌图；图2b为实施例4中经微弧氧化处理的多孔钛氧化物表面形貌图；图3a为实施例1中所得还原态钛氧化物涂层的形貌图；图3b为实施例2中所得还原态钛氧化物涂层的形貌图；图3c为实施例3中所得还原态钛氧化物涂层涂层的形貌图；图3d为实施例4中所得还原态钛氧化物涂层的形貌图；图4为本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层的x射线衍射(xrd)图谱；图5a为本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层表面钛元素高分辨光电子能谱(xps)图；图5b为本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层表面氧元素的高分辨光电子能谱(xps)图；图6为本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层表面的接触角；图7为大鼠骨髓间充质干细胞在本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层表面后得到的涂层表面上的增殖速率；图8为大鼠骨髓间充质干细胞在本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层表面上的碱性磷酸酶活性；图9为大肠杆菌(e.coil)和金黄色葡萄球(s.aureus)菌在本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层表面上培养12小时的涂板结果和抑菌率；图10为大鼠骨髓间充质干细胞(rbmscs)在本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层的碱性磷酸酶活性(a)和大肠杆菌在本发明实施例1-3中所得还原态钛氧化物涂层表面上培养12小时后的细菌形貌图(b)，从图a可以看出，经复合工艺制备的钛氧化物涂层上培养的细胞的碱性磷酸酶活性高于微弧氧化制备的涂层表面培养的细胞的碱性磷酸酶活性(成骨)；从图b可以看到，大肠杆菌在经复合工艺制备的钛氧化物涂层上培养12小时后，细菌形态无法保持正常的杆状，细菌的细胞膜出现破损，细菌活性降低或死亡(抑菌)。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在本公开中，还原态钛氧化物涂层具有多孔结构，含有氧空位、羟基和三价钛。其中，羟基含量为26％～30％，三价钛含量为1％～20％。因此，所得还原态钛氧化物涂层将促进细胞的成骨相关表达(分化)，抑制细菌活性。在可选的实施方式中，所述还原态钛氧化物涂层具有0.5～10μm范围内的厚度。在可选的实施方式中，所述还原态钛氧化物涂层包含锐钛矿型二氧化钛和/或金红石型二氧化钛。其中，所述锐钛矿型二氧化钛的含量为17～28vol％，所述金红石型二氧化钛的含量为26～38vol％在可选的实施方式中，所述还原态钛氧化物涂层的多孔结构的孔径大小为200nm～5μm。在本发明一实施方式中，利用微弧氧化技术和等离子体浸没离子注入技术复合工艺制备可用于钛基内植入物的还原态钛氧化物涂层，能够抑制细菌在植入物表面的生长、提高和加速与成骨有关的细胞生长。氢气离子注入处理会在氧化钛涂层表面产生大量的氧空位，溶液中的水在氧空位上解离形成羟基自由基，羟基自由基会附着在细菌的细胞壁上，然后分解细胞壁的脂多糖层，攻击肽聚糖层，导致脂质膜过氧化和蛋白质膜上的氧化。由于这些层的损坏，钾离子从细菌中泄漏，影响细菌活力，细菌关键的功能丧失，最终导致细菌死亡。以下示例性地说明还原态钛氧化物涂层的制备方法。使用微弧氧化技术在钛金属或钛合金表面生成钛氧化物涂层。具体来说，将钛金属在加电压下施加到液体或电解质，例如硫酸(和磷酸)，在钛表面获得钛氧化物涂层。在本发明中，微弧氧化过程选取电解液为0.1-0.3m的硫酸(和0.2-0.4m磷酸)溶液，工艺条件为：正向电压为200-300v，正向电流为1.0-2.0a，占空比为5-15％，正向频率为600-800hz，氧化时间为15-60秒。不同的电解液成分与不同的电压、电流、占空比以及频率相联系。除此之外，微弧氧化过程还可选取其他电解液，例如含磷元素、钙元素、硅元素、镁元素、锌元素、锰元素、铁元素中的一种或多种的溶液。作为一个示例微弧氧化技术的工艺条件和参数可以是：电解液为硫酸(和磷酸)溶液，氧化电压为200-300v，氧化时间为15-60秒。优选的工艺条件和参数是：电解液为0.2m的硫酸(优选还含有0.3m的磷酸)溶液，电压为250-270v，氧化时间为25～35秒。在可选的实施方式中，在微弧氧化处理之前，可将纯钛金属片进行预处理。所述预处理可为超声酸洗处理，所用酸洗液是由氢氟酸、硝酸和超纯水的混合溶液。当使用氢气等离子体浸没离子注入技术在上述钛氧化物涂层表面进行氢离子注入时，形成具有羟基和三价钛的氧化物涂层，优选高纯氢气。在钛氧化物涂层表面进行氢离子注入时的工艺参数是：本底真空度为3.0×10-3-5.0×10-3pa、注入电压为15-40kv、脉冲频率为100-400hz、脉宽为20-50μs、注入时间为30-120分钟，射频功率为200-1000w，氢气含量为5sccm～50sccm。本发明中，氧化钛涂层中羟基和三价钛含量除了跟氢离子注入的时间，电压等参数有关，还与氧化钛的成分有一定关系，锐钛矿的结构不如金红石稳定，具容易通过氢注入产生羟基，氧空位和四价钛。本发明中可在医疗器械材料(钛基材料，例如，钛基骨板、钛基牙种植体等)的表面直接制备还原态钛氧化物涂层，没有必要对实际的医疗器械材料植入物进行修改，对植入物的生产非常有利。下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。实施例1(1)将10mm×10mm×1mm的纯钛金属片进行超声酸洗处理，酸洗液是由氢氟酸、硝酸和超纯水以1:5:34的体积比混合而成；随后去离子水超声清洗干净，获得洁净均匀的表面(见图1所示)。采用微弧氧化技术，在钛金属表面原位氧化生成多孔钛氧化物涂层。具体工艺条件和参数见表1所示。在该工艺参数下获得的表面形貌图见图2a所示，结果显示钛金属表面形成多孔结构；表1为本实施例1中微弧氧化工艺条件和参数：电解液0.2m硫酸溶液氧化电压270v电流1.8a频率800hz占空比10％氧化时间30s；(2)对经上述微弧氧化技术处理钛金属表面得到的多孔钛氧化物涂层进行干燥处理后，采用等离子体浸没离子注入技术，通入高纯氢气，对钛金属表面的多孔钛氧化物涂层进行氢离子注入，获得还原态的钛氧化物涂层。具体注入参数见表2所示；在该注入参数下获得的表面形貌图见图3a所示，从图中可知经氢气离子注入处理后涂层表面仍保持微弧氧化涂层的多孔结构；表2为本实施例1中氢离子注入参数：本底真空4.0×10-3pa注入电压30kv脉宽30μs脉冲频率100hz注入时间30min射频功率400w氢气15sccm。所述还原态钛氧化物涂层中含有羟基和三价钛，羟基含量为26.77at％，三价钛含量为4.51at％，孔径大小为200nm～2.4μm，厚度为2.7μm。所述钛氧化物涂层包含锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛，所述锐钛矿型二氧化钛的含量为23.7vol％，所述金红石型二氧化钛的含量为34.9vol％。实施例2本实施例步骤(1)同于实施例1，在省略其详细说明。(2)将经上述实施例1微弧氧化技术处理钛金属表面得到的多孔钛氧化物涂层进行等离子体浸没离子注入处理。具体注入参数见表3所示；在该注入参数下获得的表面形貌图见图3b所示，从图中可知经氢气离子注入处理后涂层表面仍保持微弧氧化涂层的多孔结构；表3为本实施例2中氢离子注入参数：本底真空4.0×10-3pa注入电压30kv脉宽30μs脉冲频率100hz注入时间60min射频功率400w氢气15sccm。所述还原态钛氧化物涂层中含有羟基和三价钛，羟基含量为27.85at％，三价钛含量为8.1at％，孔径大小为200nm～2μm，厚度为3.2μm。所述钛氧化物涂层包含锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛，所述锐钛矿型二氧化钛的含量为19.9vol％，所述金红石型二氧化钛的含量为30.56vol％。实施例3本实施例步骤(1)同于实施例1，在省略其详细说明。(2)将经上述实施例1微弧氧化技术处理钛金属表面得到的多孔钛氧化物涂层进行等离子体浸没离子注入处理。具体注入参数见表4所示；在该注入参数下获得的表面形貌图见图3c所示，从图中可知经氢气离子注入处理后涂层表面仍保持微弧氧化涂层的多孔结构；表4为本实施例3中氢离子注入参数：本底真空4.0×10-3pa注入电压30kv脉宽30μs脉冲频率100hz注入时间120min射频功率400w氢气15sccm。所述还原态钛氧化物涂层中含有羟基和三价钛，羟基含量为28.01at％，三价钛含量为11.07at％，孔径大小为200nm～2μm，厚度为2.5μm。所述钛氧化物涂层包含锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛，所述锐钛矿型二氧化钛的含量为17.2vol％，所述金红石型二氧化钛的含量为27.1vol％。实施例4(1)将10mm×10mm×1mm的纯钛金属片进行超声酸洗处理，酸洗液是由氢氟酸、硝酸和超纯水以1:5:34的体积比混合而成；随后去离子水超声清洗干净，获得洁净均匀的表面(见图1所示)。采用微弧氧化技术，在钛金属表面原位氧化生成多孔钛氧化物涂层。具体工艺条件和参数见表5所示。在该工艺参数下获得的表面形貌图见图2b所示，结果显示钛金属表面形成“火山口”结构；表5为本实施例4中微弧氧化工艺条件和参数：电解液0.2m硫酸和0.3m磷酸混合溶液氧化电压300v电流1.2a频率800hz占空比10％氧化时间30s；(2)对经上述微弧氧化技术处理钛金属表面得到的多孔钛氧化物涂层进行干燥处理后，采用等离子体浸没离子注入技术，通入高纯氢气，对钛金属表面的多孔钛氧化物涂层进行氢离子注入，获得还原态的钛氧化物涂层。具体注入参数见表6所示；在该注入参数下获得的表面形貌图见图3d所示，从图中可知经氢气离子注入处理后涂层表面仍保持微弧氧化涂层的“火山口”结构；表6为本实施例4中氢离子注入参数：本底真空4.0×10-3pa注入电压20kv脉宽30μs脉冲频率100hz注入时间60min射频功率700w氢气15sccm。所述还原态钛氧化物涂层中含有羟基和三价钛，孔径大小为200nm～5μm，厚度为6.9μm。所述钛氧化物涂层包含锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛。实施例5将经上述实施例1、2和3微弧氧化处理和复合工艺处理钛金属表面后得到的还原态钛氧化物涂层进行xrd检测。图4是经上述实施例1、2和3微弧氧化处理和复合工艺处理钛金属表面后的还原态钛氧化物涂层表面的xrd图谱，由图中可知，涂层表面钛氧化物晶相主要由锐钛矿相和金红石相组成。实施例6将经上述实施例1、2和3微弧氧化处理和复合工艺处理钛金属表面后得到的还原态钛氧化物涂层进行表面光电子能谱检测。图5a是还原态钛氧化物涂层表面钛元素的高分辨xps图谱，图5b是还原态钛氧化物涂层表面氧元素的高分辨xps图谱。由图中可知，微弧氧化处理得到的多孔钛氧化物涂层(mao)表面钛元素主要以四价钛的形式存在，而复合工艺处理得到的还原态钛氧化物涂层(h-30、h-60和h-120)表面钛元素出现三价钛的形式；碳元素存在羟基和钛氧键两种形式，而复合工艺处理得到的还原态钛氧化物涂层中羟基含量高于微弧氧化处理得到的多孔钛氧化物涂层。实施例7在上述实施例1、2和3所得还原态钛氧化物涂层的表面进行表面接触角的测量。图6为实施例1、2和3所得还原态钛氧化物涂层表面的接触角以及在空气中保存了7天之后钛氧化物涂层的接触角，可以看到微弧氧化处理和复合工艺处理钛金属表面后得到的钛氧化物涂层表面都非常亲水，然而，在空气中保存了7天之后，微弧氧化处理钛金属表面后得到的多孔钛氧化物涂层表面的接触角明显大于复合工艺处理钛金属表面后得到的还原态钛氧化物涂层表面的接触角。实施例8在上述实施例1、2和3所得还原态钛氧化物涂层的表面进行大鼠骨髓间充质干细胞培养，并利用阿尔玛蓝(alamarbluetm，abdserotecltd，uk)试剂盒检测细胞在涂层表面的增殖情况。具体方法如下：(1)将经过2小时75％酒精灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1ml密度为2×104cell/ml细胞悬液；(2)将细胞培养板放入36.5℃、5％co2、饱和湿度的细胞培养箱中孵化；(3)细胞分别培养1、4及7天后，吸去原培养液，换新的培养板，并加入含有10％阿尔玛蓝(alamarbluetm)染液的新培养液，将培养板置于培养箱中培养2h后，从每孔取出100μl培养液放入96孔板中；(4)利用酶标仪(bio-tek，elx800)测量各孔在波长为560nm的激发光下，590nm处的发射光强度。其光强与细胞数量呈正相关。图7是本实施例细胞增殖实验结果。如图所示，随着培养时间的延长，复合工艺处理得到的钛氧化物涂层上的细胞增殖速率明显超过微弧氧化处理得到的钛氧化物涂层上的细胞增殖速率。实施例9在上述实施例1、2和3所得还原态钛氧化物涂层的表面进行大鼠骨髓间充质干细胞培养，并利用碱性磷酸酶试剂盒检测干细胞的碱性磷酸酶活性。具体方法如下：(1)将经过2小时75％酒精灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1ml细胞密度为1×104cell/ml的细胞悬液；(2)将细胞培养板放入36.5℃、5％co2、饱和湿度的细胞培养箱中孵化；(3)细胞分别培养7天后，用碱性磷酸酶试剂盒检测干细胞的碱性磷酸酶活性。图8是本实施例细胞成骨分化实验结果。如图所示，由于还原态钛氧化物的存在，复合工艺处理得到的钛氧化物涂层上的干细胞碱性磷酸酶表达活性明显超过微弧氧化处理得到的钛氧化物涂层上的碱性磷酸酶活性。实施例10在上述实施例1、2和3所得还原态钛氧化物涂层的表面进行大肠杆菌和金黄色葡萄球菌培养，以此评价钛氧化物涂层的抑菌活性。方法如下：(1)将经过2小时75％酒精灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加60μl密度为5×106cfu/ml菌液，置于37℃培养12小时；2)将样品转移至5ml离心管，并加入4ml生理盐水，在振荡器上剧烈震荡60s将样品表面的细胞震落；3)用生理盐水将菌液稀释100倍，取100μl稀释后的菌液均匀涂于标准琼脂板上继续培养18小时；4)利用凝胶成像系统对琼脂板进行拍照，并通过对琼脂板上的菌落进行计数，计算样品的抗菌率。图9是本实施例细菌实验结果。如图所示，由于还原态钛氧化物的存在，复合工艺处理得到的钛氧化物涂层上的细菌菌落数低于微弧氧化处理得到的钛氧化物涂层上的细菌菌落数，即复合工艺处理得到的钛氧化物涂层便显出对细菌生长的抑制作用。图9中c和d分别为复合工艺处理得到的涂层对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率，从图中可以看出相比于仅微弧氧化制备的涂层，复合工艺制备的涂层的抑菌率显著提高。通过本发明的微弧氧化技术和等离子体浸没离子注入技术复合工艺处理，可以在钛金属表面形成还原态钛氧化物涂层。该涂层具有多孔结构，表现出良好的生物相容性和促成骨活性，同时对于细菌的生长具有抑制作用。因此，本发明中的可用于钛基内植入物的还原态钛氧化物涂层及生产还原态钛氧化物涂层的方法，可以很好地应用与医疗器械材料的设计和制备中。当前第1页12