阅读说明：本技术 一种具有表面活性的Nb-Ta-Ti-Si生物医用复合材料的制备方法 (Preparation method of Nb-Ta-Ti-Si biomedical composite material with surface activity ) 是由 刘珏 于 2019-12-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有表面活性的Nb-Ta-Ti-Si生物医用复合材料的制备方法,属于生物医用材料领域,本发明采用表面预处理+超声电沉积法+后处理的方案,在金属基体表面沉积羟基磷灰石活性层,实验条件温和,能有效避免改善表面活性层与金属基体之间界面结合强度不足的问题；本发明采用特定的预处理机制对合金进行表面处理,通过不同的表面化学处理及热处理,使基体表面获得独有的形貌特征,为后期羟基磷灰石形核与附着提供了有效的位点；基体表面形成氧化物过渡层,有利于羟基磷灰石的化学键合。(The invention discloses a preparation method of a Nb-Ta-Ti-Si biomedical composite material with surface activity, which belongs to the field of biomedical materials, adopts the scheme of surface pretreatment, an ultrasonic electrodeposition method and aftertreatment to deposit a hydroxyapatite active layer on the surface of a metal matrix, has mild experimental conditions, and can effectively avoid the problem of insufficient interface bonding strength between the surface active layer and the metal matrix; the invention adopts a specific pretreatment mechanism to carry out surface treatment on the alloy, and the surface of the substrate obtains unique morphological characteristics through different surface chemical treatments and heat treatments, thereby providing effective sites for hydroxyapatite nucleation and adhesion in the later period; an oxide transition layer is formed on the surface of the substrate, which is beneficial to the chemical bonding of hydroxyapatite.)

一种具有表面活性的Nb-Ta-Ti-Si生物医用复合材料的制备 方法

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种具有表面活性的Nb-Ta-Ti-Si生物医用复合材料的制备方法。

背景技术

生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的一类材料，其在人类的生活中至关重要，它的存在与人类的健康息息相关。生物医用材料可以按照材料来源、临床用途、性质组成进行分类。其中，依照性质组成，生物医用材料可以分为无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料和复合材料。其中，生物医用金属材料由于具有良好的力学性能、优异的耐腐蚀性能及生物相容性，应用前景光明。

目前应用最为广泛的生物医用金属材料包括不锈钢、钛基合金、钴基合金。上述生物医用金属材料开发时间相对较早，力学性能及抗疲劳性能突出，因此在人体硬组织修复替换、医疗辅助器械等方面的应用实例都很常见。然而，随着医疗技术的发展与经济水平的提高，生物医用金属材料在临床应用上的不足逐渐凸显。尽管金属材料具有优异的生物相容性，但仍然只能被视为惰性材料，在植入生物体后表面只能与骨组织形成机械结合，并不能形成牢固的化学键合。这将影响植入物的远期稳定性，导致植体松动甚至失效，将给人体带来不可估量的生理、心理伤痛。因此，需要对金属材料表面进行活化处理，通过改性手段在材料表面涂覆具有生物活性的羟基磷灰石。

在金属基体表面涂覆羟基磷灰石的常见的方法包括等离子喷涂法、脉冲激光沉积法、水热法等。等离子喷涂法需要在超过2000℃的高温下作业，容易使基体材料发生相变，影响材料的微观组织和力学性能。同时，高温处理后快速冷却，表面活性层内部残余的应力会使得涂层产生裂纹而剥离。脉冲激光法不能适用于表面具有复杂及含有小孔的工件，同时处理过程中基体表面易发生氧化，使得涂层与基体结合力不足。水热法需要利用高压反应釜，得到的羟基磷灰石层厚度不均匀，反应过程不可控。

发明内容

针对现有技术中金属材料表面活性不足而影响植入物的远期稳定性，表面活性层与基体结合强度不足，反应条件苛刻，反应过程不可控，制备的羟基磷灰石层厚度不均匀的技术问题，本发明的目的在于提供一种有表面活性的Nb-Ta-Ti-Si生物医用复合材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种有表面活性的Nb-Ta-Ti-Si生物医用复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据合金体系各元素组成的质量比例分别称取高纯粉末，通过混料获得复合粉末；

(2)将复合粉末在模具中压制成型，获得压制生坯；

(3)将生坯进行真空烧结，获得Nb-Ta-Ti-Si合金材料；

(4)表面预处理：对步骤(3)所得Nb-Ta-Ti-Si合金材料表面进行打磨，清洗干净，采用特定的预处理机制对合金进行表面处理；

所述预处理机制为酸处理+碱处理工艺，酸处理+碱处理+热处理工艺中的一种；

(5)表面活性处理：利用超声电沉积法，在步骤(4)所得合金材料表面修饰羟基磷灰石；

(6)后处理：将步骤(5)所得修饰羟基磷灰石的合金材料置于热碱液中进行后处理，以增加表面活性层与基体的结合强度、促进羟基磷灰石的转化，再经清洗、干燥，获得表面活性的Nb-Ta-Ti-Si生物医用复合材料。

优选的方案，所述酸处理+碱处理工艺，具体为：

将清洗后的合金材料置于2～5mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样0.5～1h，酸处理后的试样经过乙醇、去离子水清洗；然后采用5～8mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡12～24h。

优选的方案，所述酸处理+碱处理+热处理工艺，具体为：

将清洗后的合金材料置于2～5mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样0.5～1h，酸处理后的试样经过乙醇、去离子水清洗；然后采用5～8mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡12～24h；碱液处理后的试样经过37℃烘干24h，放入箱式电阻炉中300℃热处理2～4h。

优选的方案，步骤(1)中，所述混料过程转速为200～300r/min，混料时间为4～6h；

所述合金成分为：10wt.％Ta-20wt.％Ti-0.1wt.％Si，余量为Nb。

优选的方案，步骤(2)中，所述压制过程中，压制压力为300～400MPa。

优选的方案，步骤(3)中，所述真空烧结过程的真空度不低于10^-3Pa，真空烧结的温度为1600～1700℃，保温时间为2～3h，升温速率为5～10℃/min。

优选的方案，步骤(4)中，将Nb-Ta-Ti-Si合金材料加工为Φ10mm×2mm的薄片试样，以砂纸对样品进行粗磨和细磨，依次经过丙酮、乙醇、去离子水逐次清洗15～20min。

优选的方案，步骤(5)中，所述电沉积过程中，利用可溶性钙盐与磷酸盐的复合沉淀反应在合金材料表面修饰羟基磷灰石；石墨作为阳极，合金材料为阴极；电沉积温度30～50℃，沉积时间30s～15min，电流密度为0.5～1.5mA/cm²；超声频率为20～40kHz，超声时间为1～15min。

进一步，所述可溶性钙盐与磷酸盐包括但不限于Ca(NO₃)₂和NH₄H₂PO₄的组合。

优选的方案，步骤(6)中，将修饰羟基磷灰石的合金材料置于70～80℃的NaOH溶液中恒温震荡2～3h；NaOH溶液的pH为13～14。

本发明还提供一种Nb-Ta-Ti-Si生物医用复合材料，由基体、氧化物中间层和羟基磷灰石表面层构成，有望成为人体骨组织修复、替代的材料。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

1)通过对合金材料表面进行预处理(“酸处理+碱处理”或者“酸处理+碱处理+热处理”)，表面预处理后基体材料表面将形成氧化物中间层，能够有效改善材料表面粗糙程度，提高基体材料与表面层的结合强度；通过表面耦合处理(表面预处理+表面活性处理+后处理)，使材料表面形成致密基体层、氧化物中间层和表面活性层的“三明治”结构。

2)本发明在金属基体表面沉积羟基磷灰石活性层，实验条件温和，能有效避免改善表面活性层与金属基体之间界面结合强度不足的问题；合金材料表面的羟基磷灰石活性层有助于提高金属材料的表面惰性，改善了传统生物医用金属材料表面活性不足而影响植入物的远期稳定性的缺陷，有望成为人体硬组织修复或替代材料。

3)本发明采用特定的预处理机制对合金进行表面处理，通过不同的表面化学处理及热处理，使基体表面获得独有的形貌特征，为后期羟基磷灰石形核与附着提供了有效的位点；基体表面形成氧化物过渡层，有利于羟基磷灰石的化学键合。

附图说明

图1：酸处理(2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h)+碱处理(5mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡24h)后样品形貌图。

图2(a)：酸处理(2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h)+碱处理(5mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡24h)+热处理(300℃保温2h)后样品形貌图；图2(b)为图2(a)放大图。

图3：超声电沉积后表面类骨磷灰石形貌。

图4：MG-63细胞在试样表面共培养24h后形貌图。

图5：酸处理后(2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h)样品形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1

原料质量百分比为：高纯Ta粉10％(纯度99.8％)、Ti粉20％(纯度99.6％)、Si粉0.1％(纯度99.6％)，余量为Nb粉(纯度99.6％)。按上述原理比例称取粉末，并在200r/h的转速条件下混料6h。混合好的复合粉末在模具中进行压制，压制压力为300MPa，生坯试样尺寸为Φ10×10mm。将生坯在真空烧结炉中进行烧结，整个烧结过程真空度维持在10^-3Pa。真空烧结升温速率为5～10℃/min，烧结温度1600℃，保温时间2h。将烧结后的样品依次经过丙酮、乙醇、去离子水逐次清洗15min后，采用2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h；酸处理后的试样经过乙醇、去离子水清洗，采用5mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡24h，其形貌如图1所示。酸、碱处理后试样依次经无水乙醇、去离子水超声清洗20min后，试样在Ca(NO₃)₂和NH₄H₂PO₄进行超声电沉积，电沉积温度30℃，沉积时间15min，电流密度为1.0mA/cm²，超声频率为30kHz，超声时间为10min；而后试样在80℃的NaOH水溶液中恒温震荡2h，NaOH溶液的pH为13，促进羟基磷灰石的转化与增大结合强度。

发明人对酸处理后试样表面形貌、表面活性处理后形貌、磷酸钙层与基体结合强度进行检测。如图1所示，合金经过酸处理+碱处理后材料表面变得更加粗糙，此时试样粗糙度为Ra＝18.2nm。经过表面活性处理后，表面羟基磷灰石与基体的结合力为8.63N，结晶物Ca/P比为1.42。参照GB/T 1688+.5-2003和GB/T 16886.6-1997对材料进行体外生物学性能检测，结果表明：MG-63细胞在试样表面共培养24h后，细胞形态健康，粘附、增殖、迁移等生理行为均正常。

实施例2

原料质量百分比为：高纯Ta粉10％(纯度99.8％)、Ti粉20％(纯度99.6％)、Si粉0.1％(纯度99.6％)，余量为Nb粉(纯度99.6％)。按上述原理比例称取粉末，并在200r/h的转速条件下混料6h。混合好的复合粉末在模具中进行压制，压制压力为300MPa，生坯试样尺寸为Φ10×10mm。将生坯在真空烧结炉中进行烧结，整个烧结过程真空度维持在10^-3Pa。真空烧结升温速率为5～10℃/min，烧结温度1600℃，保温时间2h。将烧结后的样品依次经过丙酮、乙醇、去离子水逐次清洗15min后，采用酸液为2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h；酸处理后的试样经过乙醇、去离子水清洗，采用5mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡24h；碱液处理后的试样经过37℃烘干24h，再在箱式电阻炉中300℃热处理2h，其形貌如图2所示。酸、碱、热处理后试样依次经无水乙醇、去离子水超声清洗20min后，试样在Ca(NO₃)₂和NH₄H₂PO₄进行超声电沉积，电沉积温度30℃，沉积时间15min，电流密度为1.0mA/cm²，超声频率为30kHz，超声时间为10min；而后试样在80℃的NaOH水溶液中恒温震荡2h，NaOH溶液的pH为13，促进羟基磷灰石的转化与增大结合强度(如图3)。

发明人对酸处理后试样表面形貌、表面活性处理后形貌、磷酸钙层与基体结合强度进行检测。如图2所示，合金经过酸处理+碱处理+热处理后材料表面呈现多孔网状结构，此时试样粗糙度为Ra＝21.7nm。经过表面活性处理后，表面羟基磷灰石与基体的结合力为9.07N，结晶物Ca/P比为1.45。参照GB/T 1688+.5-2003和GB/T 16886.6-1997对材料进行体外生物学性能检测，结果表明：MG-63细胞在试样表面共培养24h后，细胞形态健康，粘附、增殖、迁移等生理行为均正常(如图4)。

实施例3

原料质量百分比为：高纯Ta粉10％(纯度99.8％)、Ti粉20％(纯度99.6％)、Si粉0.1％(纯度99.6％)，余量为Nb粉(纯度99.6％)。按上述原理比例称取粉末，并在200r/h的转速条件下混料6h。混合好的复合粉末在模具中进行压制，压制压力为300MPa，生坯试样尺寸为Φ10×10mm。将生坯在真空烧结炉中进行烧结，整个烧结过程真空度维持在10^-3Pa。真空烧结升温速率为5～10℃/min，烧结温度1600℃，保温时间2h。将烧结后的样品依次经过丙酮、乙醇、去离子水逐次清洗15min后，采用酸液为5mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样0.5h；酸处理后的试样经过乙醇、去离子水清洗，采用5mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡24h；碱液处理后的试样经过37℃烘干24h，再在箱式电阻炉中300℃热处理2h。酸、碱、热处理后试样依次经无水乙醇、去离子水超声清洗20min后，试样在Ca(NO₃)₂和NH₄H₂PO₄进行超声电沉积，电沉积温度30℃，沉积时间15min，电流密度为1.0mA/cm²，超声频率为30kHz，超声时间为10min；而后试样在80℃的NaOH水溶液中恒温震荡2h，NaOH溶液的pH为13，促进羟基磷灰石的转化与增大结合强度。

发明人对酸处理后试样表面形貌、表面活性处理后形貌、磷酸钙层与基体结合强度进行检测。合金经过酸处理+碱处理+热处理后材料表面呈现多孔网状结构，此时试样粗糙度为Ra＝22.5nm。经过表面活性处理后，表面羟基磷灰石与基体的结合力为7.85N，结晶物Ca/P比为1.38。参照GB/T 1688+.5-2003和GB/T 16886.6-1997对材料进行体外生物学性能检测，结果表明：MG-63细胞在试样表面共培养24h后，细胞形态健康，粘附、增殖、迁移等生理行为均正常。

实施例4

原料质量百分比为：高纯Ta粉10％(纯度99.8％)、Ti粉20％(纯度99.6％)、Si粉0.1％(纯度99.6％)，余量为Nb粉(纯度99.6％)。按上述原理比例称取粉末，并在200r/h的转速条件下混料6h。混合好的复合粉末在模具中进行压制，压制压力为300MPa，生坯试样尺寸为Φ10×10mm。将生坯在真空烧结炉中进行烧结，整个烧结过程真空度维持在10^-3Pa。真空烧结升温速率为5～10℃/min，烧结温度1600℃，保温时间2h。将烧结后的样品依次经过丙酮、乙醇、去离子水逐次清洗15min后，采用酸液为2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h；酸处理后的试样经过乙醇、去离子水清洗，采用8mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡12h；碱液处理后的试样经过37℃烘干24h，再在箱式电阻炉中300℃热处理2h。酸、碱、热处理后试样依次经无水乙醇、去离子水超声清洗20min后，试样在Ca(NO₃)₂和NH₄H₂PO₄进行超声电沉积，电沉积温度30℃，沉积时间15min，电流密度为1.0mA/cm²，超声频率为30kHz，超声时间为10min；而后试样在80℃的NaOH水溶液中恒温震荡2h，NaOH溶液的pH为13，促进羟基磷灰石的转化与增大结合强度。

发明人对酸处理后试样表面形貌、表面活性处理后形貌、磷酸钙层与基体结合强度进行检测。合金经过酸处理+碱处理+热处理后材料表面呈现多孔网状结构，此时试样粗糙度为Ra＝23.2nm。经过表面活性处理后，表面羟基磷灰石与基体的结合力为9.51N，结晶物Ca/P比为1.43。参照GB/T 1688+.5-2003和GB/T 16886.6-1997对材料进行体外生物学性能检测，结果表明：MG-63细胞在试样表面共培养24h后，细胞形态健康，粘附、增殖、迁移等生理行为均正常。

实施例5

原料质量百分比为：高纯Ta粉10％(纯度99.8％)、Ti粉20％(纯度99.6％)、Si粉0.1％(纯度99.6％)，余量为Nb粉(纯度99.6％)。按上述原理比例称取粉末，并在200r/h的转速条件下混料6h。混合好的复合粉末在模具中进行压制，压制压力为300MPa，生坯试样尺寸为Φ10×10mm。将生坯在真空烧结炉中进行烧结，整个烧结过程真空度维持在10^-3Pa。真空烧结升温速率为5～10℃/min，烧结温度1600℃，保温时间2h。将烧结后的样品依次经过丙酮、乙醇、去离子水逐次清洗15min后，采用酸液为2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h；酸处理后的试样经过乙醇、去离子水清洗，采用5mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡24h；碱液处理后的试样经过37℃烘干24h，再在箱式电阻炉中300℃热处理4h。酸、碱、热处理后试样依次经无水乙醇、去离子水超声清洗20min后，试样在Ca(NO₃)₂和NH₄H₂PO₄进行超声电沉积，电沉积温度30℃，沉积时间15min，电流密度为1.0mA/cm²，超声频率为30kHz，超声时间为10min；而后试样在80℃的NaOH水溶液中恒温震荡2h，NaOH溶液的pH为13，促进羟基磷灰石的转化与增大结合强度。

发明人对酸处理后试样表面形貌、表面活性处理后形貌、磷酸钙层与基体结合强度进行检测。合金经过酸处理+碱处理+热处理后材料表面呈现多孔网状结构，此时试样粗糙度为Ra＝25.4nm。经过表面活性处理后，表面羟基磷灰石与基体的结合力为10.27N，结晶物Ca/P比为1.45。参照GB/T 1688+.5-2003和GB/T 16886.6-1997对材料进行体外生物学性能检测，结果表明：MG-63细胞在试样表面共培养24h后，细胞形态健康，粘附、增殖、迁移等生理行为均正常。

实施例6

原料质量百分比为：高纯Ta粉10％(纯度99.8％)、Ti粉20％(纯度99.6％)、Si粉0.1％(纯度99.6％)，余量为Nb粉(纯度99.6％)。按上述原理比例称取粉末，并在200r/h的转速条件下混料6h。混合好的复合粉末在模具中进行压制，压制压力为300MPa，生坯试样尺寸为Φ10×10mm。将生坯在真空烧结炉中进行烧结，整个烧结过程真空度维持在10^-3Pa。真空烧结升温速率为5～10℃/min，烧结温度1600℃，保温时间2h。将烧结后的样品依次经过丙酮、乙醇、去离子水逐次清洗15min后，采用酸液为2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h；酸处理后的试样经过乙醇、去离子水清洗，采用5mol/L的NaOH水溶液，在80℃的恒温水浴锅中浸泡24h；碱液处理后的试样经过37℃烘干24h，再在箱式电阻炉中300℃热处理4h。酸、碱、热处理后试样依次经无水乙醇、去离子水超声清洗20min后，试样在Ca(NO₃)₂和NH₄H₂PO₄进行超声电沉积，电沉积温度50℃，沉积时间15min，电流密度为1.0mA/cm²，超声频率为30kHz，超声时间为10min；而后试样在80℃的NaOH水溶液中恒温震荡2h，NaOH溶液的pH为13，促进羟基磷灰石的转化与增大结合强度。

发明人对酸处理后试样表面形貌、表面活性处理后形貌、磷酸钙层与基体结合强度进行检测。经过表面活性处理后，表面羟基磷灰石与基体的结合力为11.54N，结晶物Ca/P比为1.51。参照GB/T 1688+.5-2003和GB/T 16886.6-1997对材料进行体外生物学性能检测，结果表明：MG-63细胞在试样表面共培养24h后，细胞形态健康，粘附、增殖、迁移等生理行为均正常。

对比例1

制备方法和实施例1基本相同，区别在于：将烧结后的样品依次经过丙酮、乙醇、去离子水逐次清洗15min后，只采用2mol/L的HCl+HNO₃混合酸溶液浸泡试样1h，其形貌如图5所示。

试样粗糙度为Ra＝13.5nm，经过表面活性处理后，表面羟基磷灰石与基体的结合力为7.08N，结晶物Ca/P比为1.35。

对比例2

制备方法和实施例1基本相同，区别在于：通过超声电沉积法，在合金材料表面修饰羟基磷灰石，不进行热碱后处理。

经过表面活性处理后，表面羟基磷灰石与基体的结合力为7.85N，结晶物Ca/P比为1.32。对比例2说明碱热后处理可促进磷酸钙盐杂质转化为羟基磷灰石，提高其与基体之间的结合力。