阅读说明：本技术 一种微米有序纳米无序图案结构在钛基底上的制备方法 (A kind of preparation method of the unordered patterning of micro ordered nanometer in titanium substrate ) 是由 吴水林 付杰妮 刘想梅 于 2019-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种微米有序纳米无序图案结构在钛基底上的制备方法,包括以下步骤：(1)钛片处理,(2)微米有序结构在钛基底上的构建,(3)纳米无序结构在微米有序结构钛片基底的构建。本发明使用选择性激光熔覆制备微米有序结构方法简单,以碱热一段时间在微米结构上修饰一层纳米结构形成微米有序纳米无序图案结构,并且通过两者的协调作用可改善其各自的缺点,使其具有更加优异的生物功能,本发明制备方法设备投入少,实施难度小,制备方法简单易行,并且对环境并无太大影响。(The present invention provides a kind of preparation method of unordered patterning of micro ordered nanometer in titanium substrate, the following steps are included: (1) titanium sheet is handled, (2) building of the micro ordered structure in titanium substrate, building of (3) the nanometer disordered structure in micro ordered structure titanium sheet substrate.The present invention is simple using selective laser cladding preparation micro ordered structural approach, one layer of nanostructure is modified on micrometer structure with alkali heat a period of time forms the unordered patterning of micro ordered nanometer, and its disadvantage respectively can be improved by the coordinative role of the two, make it have more excellent biological function, preparation method equipment investment of the present invention is few, enforcement difficulty is small, and preparation method is simple, and has no too big influence to environment.)

一种微米有序纳米无序图案结构在钛基底上的制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种微米有序纳米无序图案结构在钛基底上的制备方法。

背景技术

医用钛金属具有优越的力学性能，抗腐蚀性强，弹性模量低，生物相容性好等优良特性，是目前骨科常用的内固定材料，作为植入物材料在骨科内固定手术中尤其在负载部位得到了广泛的应用。然而由于医用钛基材料植入体与周围组织的骨整合能力缺陷已经被越来越多的人所注意,而且骨细胞接触骨整合性能不太好的基底时更倾向于分化形成软骨细胞，而非形成骨细胞，导致骨植入的失败。不仅会带来更多的痛苦和经济损失,甚至还会使人截肢或死亡。为了提高骨植入的成功率，迫切需要对植入体在不影响其使用性能的条件下对其进行改性，使其具有骨整合的能力，可以促进细胞黏附，增殖及成骨分化。

细胞外基质提供细胞正常生命活动的物质和信号，有些信号可以影响细胞的命运，例如：成骨分化，细胞外基质提供的信号可以分为物理信号和化学信号两大类，物理信号因其价格便宜，作用时间长久近年来被广泛研究。因而，可以考虑将物理信号构建在钛植入体上，从而改善其骨整合的性能。

微米有序纳米无序图案结构不仅可以刺激成骨细胞，而且可以刺激干细胞成骨分化。微米有序纳米无序图案结构一方面可以增强钛植入体表面的亲水性，促进细胞在改性后钛植入体表面的黏附；另一方面可以改变细胞的行为和命运。

发明内容

针对这种情况，本发明提供了一种微米有序纳米无序图案结构在钛基底上的制备方法，可有效解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：一种微米有序纳米无序图案结构在钛基底上的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)钛片处理

将钛金属圆片用砂纸逐级表面打磨后，依次在丙酮、蒸馏水、酒精中超声清洗，并在室温下干燥，随后将干燥完的钛片放在混合酸溶液中浸泡两分钟，然后在60-80℃的烘箱中放置90分钟，干燥样品；

2)微米有序结构在钛基底上的构建

将步骤1)中处理好的钛片放置在激光处理系统中，所述激光处理系统中操作平台沿x轴方向的运动速率为0.5-0.7mm/s,沿y轴方向的运动距离是600-700μm，激光处理钛片后，即得微米有序的钛片基底，将其命名为Ti-LA；

3)纳米无序结构在微米有序结构钛片基底的构建

将步骤2)得到的Ti-LA放入盛有70-90mLKOH溶液的100mL反应釜中，然后将所述反应釜放入100-120℃烘箱中烘干2-3h，所得烘干产品用去离子水超声浸泡10-15min,然后在60-80℃的烘箱中放置90分钟，干燥完成后即得具有微米有序纳米无序图案结构的钛片基底。

优选的，所述步骤1)中钛金属圆片直径为6mm、厚度为2.5mm。

优选的，所述步骤1)中混合酸溶液中各组分浓度比为HF:HNO₃:H₂O＝1：4：5。

优选的，所述步骤2)中激光系统的参数为电流为80-100A,能量为20-40J/mm²。

优选的，所述步骤3)中KOH溶液浓度为1-4mol/mL。

本发明所具有的有益效果为：

(1)本发明使用选择性激光熔覆和碱热，大大简化了制备工艺；

(2)本发明以微米有序纳米无序为骨整合材料，使微米结构和纳米结构结合起来，与细胞外基质有一定的相似性，微纳米分级结构，促进了细胞在其表面的黏附，改善了钛基底表面的骨整合性能，具有更加优异的生物功能；

(3)本发明制备微米有序，纳米无序图案结构设备投入少，实施难度小，制备方法简单易行，并且对环境并无太大影响。

附图说明

图1为实施例1经过选择性激光熔覆后的钛片的SEM图，a样品的真实相机图片；b样品的SEM图；

图2为选择性激光熔覆和碱热处理后钛片的XRD的图；

图3为选择性激光熔覆和碱热处理后钛片的接触角的图；

图4为成骨细胞在样品上的SEM图，标尺是1μm；

图5为骨髓间充质干细胞在样品上的荧光染色的图，标尺是100μm。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明具体实施例如下：

实施例1：

准备阶段：将1mL的HF溶液，4mL的HNO₃溶液，5mL的去离子水混合加入塑料烧杯中，先加水，再缓慢加入HNO₃溶液，最后加HF溶液，混合均匀后得到钛片的预处理液。将砂纸打磨好的钛片放在塑料烧杯中，然后将混合酸液加入其中，两分钟后，倒掉酸液，加入去离子水清洗钛片，然后把钛片放在60-80℃下干燥60-90min。将激光系统的参数设置为电流为80A,能量为20J/mm²，激光操作平台沿x轴方向的运动速率为0.5mm/s,沿y轴方向的运动距离是600μm。设置好之后，将钛基底放入激光系统中。一段时间后，取出钛基底，即得微米有序的结构的钛基底；

处理阶段：将激光处理后的钛基底放入含有70mL的1mol/L的KOH溶液的反应釜中，置入120℃的烘箱中保温2h。反应结束后，取出样品，用乙醇和去离子水分别超声15min，然后置入60℃的烘箱中60min。即在钛基底上构建出微米有序纳米无序的图案结构。所得样品的扫描电镜图像如图1所示，钛片表面微米有序纳米无序的结构形成；

将本组实验样品命名为Ti-LA-AT₁。

实施例2：

准备阶段；同实施例1；

处理阶段：将激光处理后的钛基底放入含有70mL的2mol/L的KOH溶液的反应釜中，置入120℃的烘箱中保温2h。反应结束后，取出样品，用乙醇和去离子水分别超声15min，然后置入60℃的烘箱中60min；

将本组实验样品命名为Ti-LA-AT₂。

实施例3：

准备阶段；同实施例1；

处理阶段：将激光处理后的钛基底放入含有70mL的4mol/L的KOH溶液的反应釜中，置入120℃的烘箱中保温2h。反应结束后，取出样品，用乙醇和去离子水分别超声15min，然后置入60℃的烘箱中60min；

将本组实验样品命名为Ti-LA-AT₄。

实施例4：

准备阶段：将1mL的HF溶液，4mL的HNO₃溶液，5mL的去离子水混合加入塑料烧杯中，先加水，再缓慢加入HNO₃溶液，最后加HF溶液，混合均匀后得到钛片的预处理液。将砂纸打磨好的钛片放在塑料烧杯中，然后将混合酸液加入其中，两分钟后，倒掉酸液，加入去离子水清洗钛片，然后把钛片放在60-80℃下干燥60-90min；

处理阶段：将处理后的钛基底放入含有70mL的2mol/L的KOH溶液的反应釜中，置入120℃的烘箱中保温2h。反应结束后，取出样品，用乙醇和去离子水分别超声15min，然后置入60℃的烘箱中60min；

将本组实验样品命名为Ti-AT₂。

实施例5：

准备阶段：纯钛片洗净，烘干；

处理阶段：将处理后的钛基底放入含有70mL的2mol/L的KOH溶液的反应釜中，置入120℃的烘箱中保温2h。反应结束后，取出样品，用乙醇和去离子水分别超声15min，然后置入60℃的烘箱中60min；

将本组实验样品命名为Ti。

对制备后的产品作相应的检测，其检测结果如下：图1为钛片被选择性激光熔覆的SEM图(a样品的真实相机图片，b样品的SEM图)，图中明暗相间的结构是钛片经选择性激光熔覆后形成的波浪图案。暗色为凹槽，亮色为突出的脊。SEM进一步放大，图中可以看到经碱热处理后钛片表面形成大小均一的网状孔洞结构，而经激光处理后的基底经碱热则形成密度明显小很多的纳米花的结构。图2为合成的材料的XRD图，可以看出在合成的主要产物是钛的氧化物和钛酸钾。图3是样品的接触角的图，可以看到，经过选择性激光熔覆或者碱热，样品的亲水性都得到了改善。图4为成骨细胞在样品上的SEM图，其中成骨细胞在钛片上伸出的伪足较小较短，成骨细胞在Ti-AT₂,Ti-LA-AT₁,Ti-LA-AT₂,Ti-LA-AT₄细胞丝状伪足较长，较多。证明改性后的基底更利于细胞黏附，钛基底的生物相容性得到较大的改善。图5为骨髓间充质干细胞在样品上的细胞荧光的图，其中骨髓间充质干细胞在Ti-LA-AT₂上相比于别的组有更明显的取向。在一定程度上证明Ti-LA-AT₂具有成骨分化的能力。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。