一種超親水性Ti6Ai7Ni表面噴砂酸蝕處理方法
【專利摘要】一種超親水性Ti6Ai7Ni表面噴砂酸蝕處理方法，屬于生物醫(yī)用鈦合金表面制備【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及的是一種鈦合金表面噴砂、酸蝕處理的表面制備方法。通過(guò)對(duì)Ti6Ai7Ni進(jìn)行預(yù)處理、噴砂、酸蝕、清洗的表面處理工藝方法，制備出微米級(jí)粗糙多孔鈦合金表面，表面具備超強(qiáng)的親水性。
【專利說(shuō)明】—種超親水性Ti6Ai7Ni表面噴砂酸蝕處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物醫(yī)用鈦合金表面制備【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及的是一種鈦合金表面噴砂、酸蝕處理的表面制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦因其良好的生物相容性及較高的臨床成功率，已經(jīng)作為口腔種植材料在臨床上廣泛應(yīng)用。目前臨床常用的是以純鈦和T1-6A1-4V為主的第一代醫(yī)用鈦合金種植體，但兩者的彈性模量均高于骨組織，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力屏障現(xiàn)象，最終導(dǎo)致種植體失敗。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)T1-6A1_4V中釩(V)元素具有細(xì)胞毒性，因此學(xué)者們嘗試用鈮(Nb)取代釩(V)，而發(fā)明了新型鈦合金T1-6Al_7Nb，該合金具有良好的機(jī)械性能和生物相容性，且彈性模量更接近于人體骨。但是未經(jīng)處理的T1-6Al-7Nb在生物活性特別是促進(jìn)骨結(jié)合方面表現(xiàn)欠佳，必須對(duì)其表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?br> [0003]植入體的表面處理是指用機(jī)械、化學(xué)和物理等方法使材料表面疏松、粗糙化，從而具有更好的生物粘附力、表面張力、表面親水性、骨組織親和力和適宜的電勢(shì)能，也包括防止污染和表面凈化。噴砂是一種常用的表面粗糙化方法，該方法是在凈化的壓縮空氣作用下,通過(guò)噴砂機(jī)將研磨材料高速噴射到材料表面,高速運(yùn)動(dòng)的磨料與材料基體相互作用，使表面產(chǎn)生凹陷，進(jìn)而粗化表面。通過(guò)改變噴砂顆粒大小、噴射角度、噴砂壓力和噴砂時(shí)間來(lái)控制表面的粗糙度。Wennerberg等用不同粒度大小的Al2O3顆粒在光滑的純鈦表面噴砂，結(jié)果得出噴砂粒度越大，材料表面粗糙度越大。噴砂技術(shù)成本低，加工方法簡(jiǎn)單，不需高溫條件，保留了粗糙表面的特性，且不形成自身界面。用于噴砂處理的磨料有許多種類，主要是非金屬陶瓷材料包括金剛砂(SiC)、剛玉砂(Al2O3)和氧化鈦砂(TiO2)等。但是單純噴砂所形成的表面形貌不規(guī)則，有大量的銳利邊緣，這種表面增大了表面積，但也造成內(nèi)應(yīng)力分布不均，表面化學(xué)元素活躍，降低了鈦的耐腐蝕性，且表面孔洞級(jí)別單一。噴砂處理后的植入體表面殘留噴砂顆粒，造成表面異種元素的污染，植入機(jī)體后這殘余顆粒會(huì)釋放到周圍組織中而影響骨礦化。金屬的電化學(xué)腐蝕(Electrochemical Corrosion)是指金屬在電解質(zhì)溶液中因發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而受到腐蝕，在腐蝕過(guò)程中存在兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的反應(yīng)一陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中伴隨有電流的產(chǎn)生，金屬在酸、堿、鹽中的腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕。
[0004]酸蝕法是指將金屬植入體放入到特定的酸溶液中一定時(shí)間，表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕而形成具有一定形狀和大小的蝕坑。酸蝕采用一種或多種酸溶液來(lái)蝕刻金屬表面，鈦及其合金蝕刻常用的酸有鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟和草酸等，酸的種類和濃度、腐蝕時(shí)間和溫度等是產(chǎn)生表面微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。對(duì)金屬材料進(jìn)行酸蝕處理，主要通過(guò)“二控一配”來(lái)完成。所謂“二控” 一是指對(duì)酸蝕液成分的控制，包括:化學(xué)試劑的組成及相互之間的濃度配比；二是指對(duì)酸蝕過(guò)程中加工方法及工藝方法的控制，包括:溫度、時(shí)間、溶液與試樣的接觸方式及試樣在溶液中的放置方向等?！耙慌洹笔侵附饘俨牧吓c酸蝕液的配合，只有適用于某種金屬的酸蝕液才能對(duì)該種材料產(chǎn)生較好的表面效果。酸蝕處理操作方便，臨床研究發(fā)現(xiàn)酸蝕表面能夠通過(guò)骨原細(xì)胞和纖維的黏附，來(lái)增強(qiáng)骨傳導(dǎo)性，骨整合良好。酸蝕技術(shù)可減少和消除噴砂處理過(guò)程中的不利影響，如殘留的噴砂顆粒對(duì)材料表面的污染，微觀上表面不均勻，金屬材料的過(guò)多損失等，酸蝕處理的表面純凈無(wú)雜質(zhì)，蝕坑分布均勻，且處理后的表面積也相對(duì)較大。此法相對(duì)較簡(jiǎn)單，但其能達(dá)到的粗糙度有限，常要結(jié)合其它粗化處理方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)內(nèi)容的缺陷，首次采用噴砂、酸蝕的表面處理工藝應(yīng)用于Τ?6Α17Ν?表面的處理方法，制備出微米級(jí)粗糙多孔鈦合金表面，表面具備超強(qiáng)的親水性。 [0006]本發(fā)明采取的技術(shù)方案:
[0007]第一步進(jìn)行預(yù)處理:將Ti6A17Ni棒材切割成為Φ IOmmX IOmm的圓柱形試塊,用分析純丙酮、酒精和去離子水超聲清洗各15min，然后選取一個(gè)平整的底面，在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)打磨儀上，依次用400#、600#、1200#的防水SiC砂紙將選取的平面逐級(jí)打磨，直到獲得劃痕均勻一致的光滑表面，然后用無(wú)水乙醇超聲波清洗15min，將經(jīng)過(guò)打磨后的Ti6A17Ni試樣烘干后，放入干燥箱內(nèi)以室溫保存待用。
[0008]第二步進(jìn)行噴砂處理:將吸入式干噴砂機(jī)固定在臺(tái)虎鉗上，噴砂介質(zhì)為白剛玉砂，粒度為60#，尺寸約為250-300μ m，將Ti6A17Ni試樣固定在平口鉗上，使吸入式干噴砂機(jī)的槍頭和Ti6A17Ni試樣的表面保持一定的距離，噴射角度選擇75°，將噴砂機(jī)的氣壓調(diào)至為
0.3MPa氣壓，對(duì)Ti6A17Ni試樣的表面進(jìn)行噴砂處理，噴砂時(shí)間30s，然后將噴砂處理后的Ti6A17Ni試樣用去離子水沖洗，再用酒精和去離子水各超聲清洗lOmin，烘干，得到噴砂處理的Ti6A17Ni試樣。
[0009]第三步進(jìn)行酸蝕處理:先將鹽酸HCl、硫酸H2SO4和水H2O按2:12:11的比例混合，配制溶液過(guò)程中注意密封處理以防止鹽酸HCl的揮發(fā)，然后將配好的酸蝕溶液加熱至沸騰狀態(tài)，保持溫度不變；再將Ti6A17Ni試樣置于溫度為50°C的蒸餾水中保溫2min ;然后置于加熱的酸蝕溶液中，當(dāng)將Ti6A17Ni試樣放入酸蝕溶液初期時(shí)，Ti6A17Ni試樣的表面會(huì)有氣泡產(chǎn)生，隨著酸蝕時(shí)間的不斷增加，Ti6A17Ni試樣的表面產(chǎn)生的氣泡越來(lái)越多，并且觀察到酸蝕溶液由無(wú)色變成紫色。
[0010]第四步進(jìn)行清洗處理:將酸蝕處理后的Ti6A17Ni試樣用去離子水超聲清洗lOmin，烘干，得到酸蝕出來(lái)的Ti6A17Ni試樣。
[0011]有益效果:表面形貌均一:一級(jí)孔洞的內(nèi)部和洞壁有大量微米級(jí)的小孔洞，呈蜂窩狀，二級(jí)孔洞的邊緣較銳利，參差不齊，孔洞形狀不規(guī)則，形態(tài)大小均有差異。
[0012]超親水性表面:水滴在表面接觸角在Is內(nèi)迅速由35.4°變化到16.6°
[0013]操作方法簡(jiǎn)單:噴砂與酸蝕工藝均不需要高溫、高壓環(huán)境，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作步驟簡(jiǎn)單易行。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1.樣品制備流程圖
[0015]圖2.Τ?6Α17Ν?試樣預(yù)處理后表面
[0016]圖3.Τ?6Α17Ν?試樣噴砂酸蝕后的表面形貌
[0017]圖4.水滴滴到Ti6A17Ni試樣的表面[0018]圖5.水滴滴到Ti6A17Ni試樣的表面6s后接觸角【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明結(jié)合附圖1、附圖2、附圖3、附圖4、附圖5進(jìn)行實(shí)施例中所述一種鈦合金表面噴砂酸蝕的表面處理方法。
[0020]樣品預(yù)處理:將Ti6A17Ni棒材切割成為Φ IOmmX IOmm的圓柱形試塊，用分析純丙酮、酒精和去離子水超聲各清洗15min，然后選取一個(gè)平整的底面，在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)打磨儀上，依次用400#、600#、1200#的防水SiC砂紙將選取的平面逐級(jí)打磨，直到獲得劃痕均勻一致的光滑表面，然后用無(wú)水乙醇超聲波清洗15min，將經(jīng)過(guò)打磨后的Ti6A17Ni試樣烘干后，放入干燥箱內(nèi)以室溫保存待用。
[0021]首先將吸入式干噴砂機(jī)固定在臺(tái)虎鉗上，吸入式干噴砂機(jī)采用的是北京九野機(jī)器制造有限公司提供的JY-80D型吸入式干噴砂機(jī)，噴砂介質(zhì)為白剛玉砂，白剛玉是以優(yōu)質(zhì)鋁氧化粉為原料，經(jīng)高溫電熔提煉結(jié)晶而成，純度高、自銳性好、耐酸堿腐蝕、耐高溫、熱態(tài)性能穩(wěn)定。主要化學(xué)成分為Al2O3,還含有少量的SiO2和Fe2O3等成分，顯微硬度HV1800-2200，強(qiáng)度和硬度比碳化硅SiC低，韌性比SiC高，粒度為60#，尺寸約為250-300 μ m,將Ti6A17Ni試樣固定在平口鉗上，使吸入式干噴砂機(jī)的槍頭和Ti6A17Ni試樣的表面保持一定的距離，噴射角度選擇75°，將噴砂機(jī)的氣壓調(diào)至為0.3MPa氣壓，對(duì)Ti6A17Ni試樣的表面進(jìn)行噴砂處理,噴砂時(shí)間30s，然后將噴砂處理后的Ti6A17Ni試樣用去離子水沖洗，再用酒精和去離子水各超聲清洗IOmin,烘干,得到噴砂處理的Ti6A17Ni試樣。
[0022]其次先將鹽酸HCl、硫酸H2SO4和水H2O按2:12:11的比例混合，配制溶液過(guò)程中注意密封處理以防止鹽酸HCl的揮發(fā)，然后將配好的酸蝕溶液加熱至沸騰狀態(tài)，保持溫度不變；再將Ti6A17N i試樣置于溫度為50°C的蒸餾水中保溫2min ;然后置于加熱的酸蝕溶液中，當(dāng)將Ti6A17Ni試樣放入酸蝕溶液初期時(shí)，Τ?6Α17Ν?試樣的表面會(huì)有氣泡產(chǎn)生，隨著酸蝕時(shí)間的不斷增加，Τ?6Α17Ν?試樣的表面產(chǎn)生的氣泡越來(lái)越多，并且觀察到酸蝕溶液由無(wú)色變成紫色。
[0023]最后將酸蝕處理后的Ti6A17Ni試樣用去離子水超聲清洗lOmin，烘干，得到酸蝕出來(lái)的Ti6A17Ni試樣。
[0024]經(jīng)過(guò)噴砂、酸蝕表面處理工藝后的Ti6A17Ni試樣表面形貌均一，孔洞的內(nèi)部和洞壁有大量微米級(jí)的小孔洞，呈蜂窩狀，二級(jí)孔洞的邊緣較銳利，參差不齊，孔洞形狀不規(guī)則，形態(tài)大小均有差異。具有超親水性能。
【權(quán)利要求】
1.一種超親水性Ti6Ai7Ni表面噴砂酸蝕處理方法，其特征在于，具體步驟如下: 第一步進(jìn)行預(yù)處理:將Ti6A17Ni棒材切割成為Φ IOmmX 10mm的圓柱形試塊,用分析純丙酮、酒精和去離子水超聲清洗各15min，然后選取一個(gè)平整的底面，在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)打磨儀上，依次用400#、600#、1200#的防水SiC砂紙將選取的平面逐級(jí)打磨，直到獲得劃痕均勻一致的光滑表面，然后用無(wú)水乙醇超聲波清洗15min，將經(jīng)過(guò)打磨后的Ti6A17Ni試樣烘干后，放入干燥箱內(nèi)以室溫保存待用； 第二步進(jìn)行噴砂處理:將吸入式干噴砂機(jī)固定在臺(tái)虎鉗上，噴砂介質(zhì)為白剛玉砂，粒度為60#，尺寸為250-300ymJfTi6A17Ni試樣固定在平口鉗上，使吸入式干噴砂機(jī)的槍頭和Ti6A17Ni試樣的表面保持一定的距離，噴射角度選擇75°，將噴砂機(jī)的氣壓調(diào)至為.0.3MPa氣壓，對(duì)Ti6A17Ni試樣的表面進(jìn)行噴砂處理，噴砂時(shí)間30s，然后將噴砂處理后的Ti6A17Ni試樣用去離子水沖洗，再用酒精和去離子水各超聲清洗lOmin，烘干，得到噴砂處理的Τi6Α17ni試樣； 第三步進(jìn)行酸蝕處理:先將鹽酸HC1、硫酸H2SO4和水H2O按2:12:11的比例混合，配制溶液過(guò)程中注意密封處理以防止鹽酸HCl的揮發(fā)，然后將配好的酸蝕溶液加熱至沸騰狀態(tài)，保持溫度不變；再將Ti6A17Ni試樣置于溫度為50°C的蒸餾水中保溫2min ;然后置于加熱的酸蝕溶液中，當(dāng)將Ti6A17Ni試樣放入酸蝕溶液初期時(shí)，Ti6A17Ni試樣的表面會(huì)有氣泡產(chǎn)生，隨著酸蝕時(shí)間的不斷增加，Ti6A17Ni試樣的表面產(chǎn)生的氣泡越來(lái)越多，并且觀察到酸蝕溶液由無(wú)色變成紫色； 第四步進(jìn)行清洗處理:將酸蝕處理后的Ti6A17Ni試樣用去離子水超聲清洗lOmin，烘干，得到酸蝕出來(lái)的Ti6A17Ni試樣。
【文檔編號(hào)】C23F1/26GK103981523SQ201410175875
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】張靜瑩 申請(qǐng)人:大連大學(xué)