本發(fā)明屬于納米工程、納米處理純鈦種植體、微納制備、微-納米形貌，涉及一種納米處理純鈦表面以獲取兼具微-納米形貌納米結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用，具體涉及一種納米處理純鈦種植體表面以獲取兼具微-納米形貌納米結(jié)構(gòu)的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、純鈦?zhàn)鳛閺V泛應(yīng)用的牙/骨內(nèi)種植體材料，其生物活性受到表面形貌、化學(xué)及親水性的影響。為提升其表面活性從而促進(jìn)其表面軟硬組織的再生和結(jié)合，諸如微米級(jí)粗糙化、親水改性、離子注入等理化手段逐漸應(yīng)用在純鈦種植體表面[1]。而近年來，納米技術(shù)逐漸被應(yīng)用于純鈦種植體表面的處理，以在其表面制備出具有納米層級(jí)形貌的結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提升細(xì)胞活性并調(diào)控其功能。

2、在諸多納米技術(shù)中，電化學(xué)陽極氧化法（electrochemical?anodization，ea）具有操作簡單、效率較高、可擴(kuò)展至多種金屬表面等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)ea能夠在陽極鈦表面制備出孔管樣納米結(jié)構(gòu)[2]。簡單來說，ea是將陽極和陰極金屬同時(shí)浸沒在含有f離子的電解液中，通過穩(wěn)定的直流電供應(yīng)，使得陽極金屬表面氧化并合成可溶性的ti-f化合物，并溶解在電解液中，從而蝕刻出如納米孔（nanopore）或納米管（nanotube）等孔管樣納米結(jié)構(gòu)[3]。

3、這種孔管樣的納米結(jié)構(gòu)不僅增加了表面的粗糙度，還提供了更多的表面積，這有助于增加細(xì)胞附著點(diǎn)，促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化。此外，這些納米結(jié)構(gòu)還可以作為藥物遞送系統(tǒng)，通過緩釋生長因子或其他生物活性分子來進(jìn)一步促進(jìn)組織再生。

4、經(jīng)ea對純鈦進(jìn)行納米處理可在含有f離子的有機(jī)電解液或水基電解液中完成，且電解液為酸性或中性電解液均可。然而，酸性或水基電解液大多具有較強(qiáng)的腐蝕性和導(dǎo)電性，在ea過程中通常溶解掉純鈦的表層形貌，制備出成簇分布、相對獨(dú)立的納米管，繼而破壞純鈦種植體表面原有的微米級(jí)形貌。而建立中性、有機(jī)電解液并調(diào)節(jié)ea參數(shù)有可能在純鈦表面制備出納米孔結(jié)構(gòu)，有望在制備納米形貌的同時(shí)，在一定程度上保留其原有微米形貌。另外，前人報(bào)道經(jīng)ea制備的相對獨(dú)立的納米管彈性模量僅為0.3-16.6gpa[4]，納米孔之間的間隙被ea生成的ti-o-f復(fù)合體填充，因而可能具備更高的機(jī)械強(qiáng)度，更加適合制備為純鈦種植體及其附件表面[5,?6]。雖有研究發(fā)現(xiàn)：可以經(jīng)ea在純鈦表面制備出表面融合的納米孔，但尚未能明確一種能夠廣泛應(yīng)用于不同純鈦表面，并在制備納米孔的同時(shí)保留純鈦表面的原有微米形貌，最終在純鈦表面得到兼具微-納米形貌納米結(jié)構(gòu)的ea系統(tǒng)。此外，純鈦?zhàn)鳛樽顝V泛的制備牙/骨內(nèi)種植體及其附件的材料，其表面形成的納米孔需要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、親水性及蛋白黏附能力，以保證其機(jī)械穩(wěn)定性及生物學(xué)活性。

5、因而，急需設(shè)計(jì)出一種能夠廣泛應(yīng)用于不同形貌的純鈦表面的ea系統(tǒng)，使其在制備納米結(jié)構(gòu)的同時(shí)保留其原有的微米結(jié)構(gòu)，且制備出相比于納米管具有更佳機(jī)械強(qiáng)度的納米結(jié)構(gòu)，并對其表面機(jī)械強(qiáng)度、親水性及蛋白黏附能力進(jìn)行探究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種中性的、基于有機(jī)電解液的ea系統(tǒng)，使其能夠應(yīng)用在不同形貌的純鈦表面，制備納米孔的同時(shí)，保留其原有的微米級(jí)別形貌，進(jìn)而制備出兼具微納米形貌的納米孔結(jié)構(gòu)，尤其適用于純鈦種植體及其附件表面。

2、電化學(xué)陽極氧化法是一種前景廣闊的納米技術(shù)，它通過在純鈦種植體表面創(chuàng)建納米層級(jí)結(jié)構(gòu)，為提高植入物的生物活性和促進(jìn)快速有效的骨整合開辟了新的可能性。將這一技術(shù)的深入研究和應(yīng)用優(yōu)化，預(yù)計(jì)未來鈦植入物的臨床性能將得到顯著提升。

3、本發(fā)明主要克服的技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)困難有：如何提供一種可以廣泛用于不同形貌的純鈦表面的ea系統(tǒng)、在制備納米孔的同時(shí)保留純鈦表面的原有微米形貌；該系統(tǒng)具有一定的延展性，可在40-80v電壓之間實(shí)現(xiàn)在不同形貌的純鈦表面以獲得兼具微-納米形貌納米結(jié)構(gòu)的制備；本發(fā)明制備的兼具微-納米形貌的納米孔相比納米管具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，適合用于骨內(nèi)種植體表面；此外，相比于純鈦表面，本發(fā)明制備的兼具微-納米形貌納米孔表面具備更好的親水性及蛋白黏附能力，在植入人體后能夠迅速被血漿潤濕且有利于組織蛋白及細(xì)胞的黏附，也具備一定的載藥功能。

4、本發(fā)明提供一種ea系統(tǒng)和方法，其可以在不同形貌的純鈦表面制備出具有一定穩(wěn)定性和蛋白黏附能力的納米孔，且在制備納米孔的同時(shí)盡量保留純鈦表面的微米形貌表面，最終在純鈦表面獲得兼具微-納米形貌納米結(jié)構(gòu)的表面特征。

5、本發(fā)明提供了一種納米處理純鈦表面以獲取兼具微-納米形貌納米結(jié)構(gòu)的制備方法，所述制備方法的具體步驟如下：

6、第一步，將體積分?jǐn)?shù)為0.5-10%的去離子水及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2-0.5%的氟化銨在有機(jī)溶劑乙二醇內(nèi)攪拌，制備得到電解液；

7、第二步，在純鈦表面制備納米孔前，將第一步中得到的所述電解液進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)：通過反復(fù)電化學(xué)陽極氧化法ea純鈦（純鈦片、純鈦棒等低值），以調(diào)節(jié)所述電解液的導(dǎo)電性、ph等參數(shù)；

8、第三步，通過第二步的調(diào)節(jié)，將所述電解液的導(dǎo)電性調(diào)節(jié)在480~495μs/cm2，ph調(diào)節(jié)在7.0~7.8之間，以達(dá)成納米孔制備的最佳條件（參考發(fā)明人發(fā)表的文獻(xiàn)[3,?5]）；

9、第四步，在所述第三步得到的達(dá)成納米孔制備的最佳條件的所述電解液中，通過直流穩(wěn)壓電源提供40-80v的電壓，對純鈦進(jìn)行ea，能夠在不同粗糙度、形貌的純鈦表面制備出具有一定孔隙率的、直徑較為均一的納米孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留其原有微米級(jí)別形貌，最終在純鈦表面制備出兼具微-納米形貌納米結(jié)構(gòu)。

10、所述第一步中，所述去離子水的體積分?jǐn)?shù)為0.5-10%，優(yōu)選的為1-3%。

11、所述第一步中，所述氟化銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2-0.5%，優(yōu)選地為0.3%。

12、所述第一步中，所述乙二醇的品質(zhì)為光譜純。

13、所述第一步中，所述攪拌的速度為300-1000rpm，優(yōu)選地，為350-500rpm。

14、所述第一步中，所述攪拌的時(shí)間為30-60分鐘，優(yōu)選地，為40-45分鐘。

15、所述第二步中，所述純鈦為市售純鈦，如ta1、ta2等中的一種或多種，優(yōu)選地，為ta2。

16、所述第二步中，所述純鈦的形貌包括光滑鈦、粗糙鈦、微溝紋鈦等。

17、所述第二步中，所述純鈦的形態(tài)包括純鈦片、純鈦棒等，純鈦片厚度為0.2-0，5mm，優(yōu)選地，為0,25-0.3mm，純鈦棒直徑為1mm-10mm，優(yōu)選地，為1mm-5mm。

18、所述第二步中，所述ea的次數(shù)為2-8次，優(yōu)選地，為3-5次。

19、所述第二步之前還包括搭建ea電化學(xué)處理系統(tǒng)：將第一步中得到的所述電解液倒入500ml燒杯中，并用泡沫海綿將燒杯蓋住，將陰極和陽極的純鈦穿過泡沫海綿浸泡到電解液中，將電源與陽極鈦和陰極的純鈦分別相連進(jìn)行ea。所述ea的過程需要在磁力攪拌器上完成，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為200-1000轉(zhuǎn)，過程中需要持續(xù)攪拌電解液；優(yōu)選地，陰極與陽極的純鈦一致或類似（如陽極為純鈦片則陽極也宜為類似厚度純鈦片），調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為300-500轉(zhuǎn)。

20、所述第二步中，所述預(yù)調(diào)節(jié)的ea參數(shù)為：80v，最大電流50ma，持續(xù)2小時(shí)為1次，總共調(diào)節(jié)次數(shù)為2-10次；優(yōu)選地，調(diào)節(jié)次數(shù)為4-6次。

21、所述第三步中，所述電解液的導(dǎo)電性調(diào)節(jié)在480~495μs/cm2，優(yōu)選地，為483~492μs/cm2。

22、所述第三步中，所述ph調(diào)解在7.0~7.8之間，優(yōu)選地，為7.2~7.6。

23、所述第四步中，所述直流穩(wěn)壓電源提供40-80v的電壓，優(yōu)選地，為60-80v。

24、所述第四步中，所述ea的時(shí)間為5-30分鐘，優(yōu)選地，為10分鐘。

25、本發(fā)明還提供了如上所述的制備方法制備所得的鈦制品，所述鈦制品的表面的納米孔孔徑為40-60nm，孔隙率為10%-15%，且所述納米孔表面穩(wěn)定，基本不出現(xiàn)裂紋。

26、本發(fā)明還提供了一種純鈦的納米處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

27、直流穩(wěn)壓電源：最大電壓需≥80v，最大電流需≥50ma；

28、封閉電解池：外殼應(yīng)為塑料或玻璃等惰性材料構(gòu)成，頂端應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)封閉，例如：塑料燒杯，頂端通過塑料蓋或泡沫塑料實(shí)現(xiàn)封閉。

29、中性電解液：需要使用乙二醇、去離子水及氟化銨進(jìn)行配制。

30、本發(fā)明還提供了如上所述的制備方法、如上所述的鈦制品、或如上所述的系統(tǒng)在純鈦生物材料表面處理中的應(yīng)用。

31、具體地，所述純鈦生物材料包括骨內(nèi)種植體、牙種植體及上部基臺(tái)等。

32、本發(fā)明在具體實(shí)施例方案中，sem（掃描電鏡）和afm（原子力顯微鏡）數(shù)據(jù)闡明了本發(fā)明適用于不同形貌的純鈦表面，包括且不限于拋光過的光滑鈦、沿單一方向打磨的微溝紋鈦、及表面形貌不規(guī)則的粗糙鈦。sem、afm圖片同時(shí)體現(xiàn)了本發(fā)明在不同材料的純鈦表面制備納米孔時(shí)，會(huì)在一定程度上保留純鈦材料原始的微米形貌，最終達(dá)成兼具微-納米形貌的表面。xps（x射線光電子能譜）和xrd（x射線衍射）數(shù)據(jù)解釋了本發(fā)明在對純鈦表面進(jìn)行ea處理時(shí)，會(huì)將電解液中的f元素引入到制備出的納米孔表面，但不會(huì)對純鈦表面的晶格進(jìn)行改變。wca（水接觸角）數(shù)據(jù)提示了本發(fā)明在純鈦表面制備出兼具微-納米形貌納米孔的同時(shí)會(huì)極大地提升其親水性，蛋白黏附實(shí)驗(yàn)闡釋了本發(fā)明在純鈦表面制備出的兼具微-納米形貌納米孔可以提升不同蛋白在其表面的黏附，提示其具有很好的生物活性。此外，納米壓痕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不同形貌的純鈦表面制備出的兼具微-納米形貌納米孔具有約30-60?gpa的楊氏模量和1.5-2.7?gpa的硬度，具備成為牙/骨內(nèi)種植體的條件。

33、本發(fā)明可在純鈦表面制備出的兼具微-納米形貌納米孔的過程中保留原有種植體表面的微米形貌，最終在純鈦表面獲取兼具微-納米形貌的納米孔結(jié)構(gòu)。

34、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益技術(shù)效果：本發(fā)明的主要優(yōu)勢在于可以應(yīng)用于不同形貌的純鈦表面，并在純鈦表面制備出納米孔的同時(shí)，保留其原有微米級(jí)別形貌，最終在純鈦表面制備出兼具微-納米形貌納米結(jié)構(gòu)；本發(fā)明在純鈦表面制備出的兼具微-納米形貌納米孔結(jié)構(gòu)為表層融合的納米管結(jié)構(gòu)，相比于單純的納米管，納米孔具有較好的機(jī)械強(qiáng)度及穩(wěn)定性（相比于納米管的優(yōu)勢）；本發(fā)明在純鈦表面制備出的兼具微-納米形貌納米孔結(jié)構(gòu)可以顯著改善純鈦表面的親水性及蛋白黏附能力，為其進(jìn)一步在種植體表面的臨床轉(zhuǎn)化提供基礎(chǔ)。