申请/专利权人：安徽理工大学

申请日：2018-12-13

公开（公告）日：2020-07-28

公开（公告）号：CN109468605B

主分类号：C23C14/48(20060101)

分类号：C23C14/48(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.28#授权;2019.04.09#实质审查的生效;2019.03.15#公开

摘要：本发明公开一种钛合金表面改性方法，基于钛合金植入体内后与周围组织的结合仅仅是简单的机械锁合，不能形成良好的化学键合，易松动脱落的问题而提出的，本发明包括以下步骤：1将Ti‑Nb‑Zr‑Sn钛合金固定在表面机械研磨处理机的处理腔中进行研磨处理，研磨处理的振动频率为2000Hz；2将经表面处理后的Ti‑Nb‑Zr‑Sn钛合金放入离子注入机中进行处理，其以Co靶材为离子源，注入Co离子；本发明还提供由上述方法改性后的钛合金，本发明的有益效果在于：经本发明改性后的Ti‑Nb‑Zr‑Sn钛合金能显著促进干细胞向血管形成方向分化，可以制备出同时具有良好促骨及血管形成能力的钛基种植体。

主权项：1.一种钛合金表面改性方法，其特征在于：包括以下步骤：1将Ti-Nb-Zr-Sn钛合金固定在表面机械研磨处理机的处理腔中进行研磨处理；2将经表面处理后的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金放入离子注入机中进行处理，其以Co靶材为离子源，在真空条件下注入Co离子。

全文数据：一种钛合金表面改性方法及改性后的钛合金技术领域本发明涉及材料表面改性技术领域，具体涉及一种钛合金表面改性方法及改性后的钛合金。背景技术金属钛由于具有较轻的密度，良好的生物相容性，化学稳定性及力学性能，成为对骨、关节以及牙等硬组织进行修复和替换的首选材料。然而，钛基种植体均属于生物惰性材料，植入体内后与周围组织的结合仅仅是简单的机械锁合，不能形成良好的化学键合，往往被纤维组织包裹而与宿主组织隔离开来，从而引起骨整合不牢而导致种植失败。此外，与正常骨组织相比，钛基种植体植入人体后存在着周围骨质血运情况较差的问题，增加了钛种植体与骨组织结合的时间，引发术后种植体松动脱落。表面机械研磨SMAT是一种新兴的表面处理方法，该法通过强烈的塑性变形使金属材料表面纳米化，获得表面为纳米晶、而晶粒尺寸沿深度方向逐渐增大梯度结构的一种表面处理方法，其工作示意图如图1所示。在表面机械研磨处理过程中，表面光滑的钢球或者其它材料如玻璃球或陶瓷球以不同方向作用于样品表面，在样品的表面附近形成应力场，使得处理样品的表面晶粒尺寸不断细化、直至纳米尺度。采用SMAT的方法对Ti-Nb-Zr-Sn钛合金表面进行纳米化，而后采用离子注入的方式对SMAT后的钛合金表面进一步注入Co离子，考察最终样品表面的促骨及血管形成能力。离子注入是将气体或者元素的蒸汽通过电离形成离子，而后经高压电场加速使离子高速击入固体表面的物理过程。高速离子注入到金属后，将与金属表面的原子，电子等发生弹性或非弹性碰撞，逐步将离子的动能传递给反冲原子或电子，完成能量的传递和沉积，如图2所示。离子注入改性方法具有以下几个特点：I离子注入是非热平衡过程，原则上周期表上的任何元素都可以注入到任何基体材料表面，不受冶金学限制；II注入元素种类、能量及剂量均可选择，用该法制备的表面，不受经典热力学参数和平衡相图的限制，注入后的表面层往往处于亚稳状态，得到如过饱和固溶体，非晶等一些难以用常规方法获得的新相或化合物；III离子注入层相对基体材料而言没有明显的界面，表面不存在破裂或剥落问题，亦不存在其它生物材料表面改性方法膜基结合不牢的问题；IV离子注入过程极易控制且重复性好，注入元素的浓度，分布及深度均可通过工艺参数调控；V离子注入时一般在常温真空下进行，不会改变工件形状，无氧化，能保持样品表面原有的尺寸精度及表面粗糙度，特别适合高精密部件的最后工序。发明内容本发明所要解决的问题在于钛合金植入体内后与周围组织的结合仅仅是简单的机械锁合，不能形成良好的化学键合，易松动脱落。本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：本发明提供一种钛合金表面改性方法，包括以下步骤：1将Ti-Nb-Zr-Sn钛合金固定在表面机械研磨处理机的处理腔中进行研磨处理；2将经表面处理后的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金放入离子注入机中进行处理，其以Co靶材为离子源，在真空条件下注入Co离子。优选的，所述步骤1中研磨处理的振动频率为1000-2000Hz。优选的，所述步骤1中的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金为直径60mm，厚度为3mm的圆板。优选的，所述步骤1中Ti-Nb-Zr-Sn钛合金采用GCr15钢球对样品板进行撞击。优选的，所述步骤1中GCr15钢球的直径为2mm。优选的，所述步骤1中的撞击时间为15min。优选的，所述步骤2中离子注入机真空腔中的真空度为1×10-5～1×10-3Pa，加速电压为50-100kV。优选的，所述步骤2中Co离子注入剂量为1×1017～1×1018ionscm2。优选的，一种钛合金表面改性方法，包括以下步骤：1将直径60mm、厚度为3mm的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板固定在表面机械研磨处理机的处理腔中进行研磨处理，采用直径为2mm的GCr15钢球在振动频率为2000Hz条件下对样品板进行撞击15min；2将经表面处理后的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金放入离子注入机中进行处理，其以Co靶材为离子源，离子注入机真空腔中的真空度为5×10-4Pa，加速电压为80kV，注入剂量为2×1017ionscm2。本发明还提供一种由上述方法改性后的钛合金。本发明的有益效果在于：经本发明改性后的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金在不同的培养时间均具有更多的活细胞个数，表现出更好的细胞相容性，能显著促进干细胞向血管形成方向分化，可以制备出同时具有良好促骨及血管形成能力的钛基种植体。附图说明图1为表面机械研磨处理示意图；图2为离子注入到金属表面后引发的不同过程；图3为本发明实施例中Ti-Nb-Zr-Sn钛合金原始样品表面形貌图；图4为本发明实施例中Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品经SMAT处理后的表面形貌图；图5为本发明实施例中Ti-Nb-Zr-Sn钛合金经SMAT处理后表面的纳米结晶层；图6为本发明实施例中Ti-Nb-Zr-Sn钛合金经SMAT处理后离子注入Co元素后的表面形貌图；图7为本发明实施例中Ti-Nb-Zr-Sn钛合金经SMAT处理前后表面的二维轮廓线图；图8为本发明实施例中三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面的面能谱-元素分析结果图；图9为本发明实施例中间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养不同时间后的MTT结果图；图10为本发明实施例中间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养3，7及14天后的骨钙素基因表达情况对比图；图11为本发明实施例中间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养3，7及14天后的骨钙素蛋白表达情况对比图；图12为本发明实施例中间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养3，7及14天后的血管内皮生长因子VEGF基因表达情况对比图；图13为本发明实施例中间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养3，7及14天后的血管内皮生长因子VEGF蛋白表达情况对比图；其中yuanshi为未经处理的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金；SMAT为经表面机械研磨处理的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金；SMAT-Co板为在经表面机械研磨处理的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板表面注入Co离子的样品。具体实施方式以下将结合说明书附图和实施例对本发明做进一步详细说明。下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得；其中钛合金购买于西北有色金属研究院下属的西安九洲生物材料有限公司。实施例11将直径60mm，厚度为3mm的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板固定在表面机械研磨处理机的处理腔中；2开动机器，让直径为2mm的GCr15钢球在振动频率为2000Hz条件下对样品板进行撞击15min；3将经表面机械研磨处理后的圆板放入离子注入机中进行处理；处理工艺如下：以Co靶材为离子源，离子注入机真空腔中的真空度为5×10-4Pa，加速电压为80kV，注入剂量为1×1018ionscm2。实施例21将直径60mm，厚度为3mm的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板固定在表面机械研磨处理机的处理腔中；2开动机器，让直径为2mm的GCr15钢球在振动频率为1000Hz条件下对样品板进行撞击15min；3将经表面机械研磨处理后的圆板放入离子注入机中进行处理；处理工艺如下：以Co靶材为离子源，离子注入机真空腔中的真空度为5×10-4Pa，加速电压为80kV，注入剂量为1×1018ionscm2。实施例31将直径60mm，厚度为3mm的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板固定在表面机械研磨处理机的处理腔中；2开动机器，让直径为2mm的GCr15钢球在振动频率为2000Hz条件下对样品板进行撞击60min；3将经表面机械研磨处理后的圆板放入离子注入机中进行处理。处理工艺如下：以Co靶材为离子源，离子注入机真空腔中的真空度为5×10-4Pa，加速电压为80kV，注入剂量为1×1017ionscm2。实验检测：将处理前后的三种钛合金圆板原始板；SMAT板；SMAT-Co板切割为10mm×10mm×3mm的小方块作为样品进行兔间充质干细胞共培养实验；其中原始板为未经处理的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板，SMAT板为经表面机械研磨处理的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板，SMAT-Co板为在经表面机械研磨处理的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板表面注入Co离子的样品。一表面机械研磨处理前后样品表面的粗糙度测试表面机械研磨处理前后两种样品表面的粗糙度采用北京时代集团公司生产的TR240型表面轮廓仪进行分析，取样长度为2.4mm，评定长度约为5个取样长度。每组试样随机选取3个样本，每个样本随机测三处。选取具有代表性的指标Ra来评价样品表面的粗糙度。实验结果：图3为Ti-Nb-Zr-Sn钛合金原始样品表面形貌，图4为Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品经SMAT处理后的表面形貌，图5为Ti-Nb-Zr-Sn钛合金经SMAT处理后表面的纳米结晶层，图6为Ti-Nb-Zr-Sn钛合金经SMAT处理后离子注入Co元素后的表面形貌，结果表面表面机械研磨处理后，Ti-Nb-Zr-Sn钛合金最表面为纳米层，晶粒尺寸约为24nm，和处理前的钛合金样品相比具有更大的粗糙度。图7为Ti-Nb-Zr-Sn钛合金经SMAT处理前后表面的二维轮廓线，原始样表面的平均粗糙度Ra＝0.06±0.01μm，而经SMAT处理后的样品表面的平均粗糙度Ra＝0.22±0.02μm。图8为三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面的面能谱-元素分析，结果表明Co成功的注入到了SMAT钛合金样品的表面。二MTT检测1细胞获取与培养：选取2月龄新西兰大耳白兔，无菌条件下取胫、股骨骨膜，先后以0.25％胰酶及0.1％I型胶原酶各消化30min及2h，离心收集细胞，置于37℃、5％培养箱培养，培养基为含20％胎牛血清、10-7地塞米松、50mgL维生素C、青霉素100UmL、链霉素100μgmL的DMEM；原代细胞传代至100mL培养瓶，待细胞达到80％融合时，按1:4比例传代；2MTT检测：将本实施例中原始板、SMAT板、SMAT-Co板放入24孔板中，处理面向上；将干细胞以1×104cm2的密度种植在每孔中，放入培养箱中培养至1、6、24、72、168h时取出，吸弃培养液，用PBS缓冲液清洗3遍后将样品移至新的空孔中。加入5mg·mL-1MTT试剂50μL及培养液450μL，置入培养箱中继续培养4h，小心吸弃原培养液，在每孔内加入DMSO试剂500μL，室温下放置并振荡15min，取200μL溶解液在酶联免疫检测仪下于490nm波长处测定其光密度opticaldensity，OD。每组样品在每个时间点上设平行样品4个，测试4次考察其统计意义n＝4。实验结果：图9为间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养不同时间后的MTT结果，*P0.01与原始样品相比，MTT结果显示，对比原始样，SMAT及SMAT-Co两组样品表面在不同的培养时间均具有更多的活细胞个数，表现出更好的细胞相容性。三干细胞成骨和促血管形成相关基因的表达水平：使用实时定量PCRqRT-PCR检测干细胞在三种样品表面培养3，7及14天后的mRNA水平表达。该实验检测促血管形成因子：血管内皮细胞因子VEGF；细胞成骨相关基因：骨钙素OCN。GAPDH作为管家基因。①样品表面干细胞总RNA的提取：每种样品各取4个放在24孔板内，在每孔中加入1mL含2×104个细胞的培养基，放置于孵箱中于37℃、5％CO2、饱和湿度条件下培养3、7和14d。到达目标时间后，移弃细胞培养液，用PBS漂洗3次，随后加入1mLTRIzol溶解4个平行试样上的细胞，将细胞裂解液转移至l.5mL离心管中；加入0.2mL氯仿，颠倒混匀，室温静置1min，于4℃、12000r·min-1条件下离心15min；取无色水相液体至另一个1.5mL离心管中，加入0.5mL异丙醇，室温静置l0min，于4℃、12000r·min-1条件下离心10min后弃液体；加入75％乙醇lmL，于4℃、7500r·min-1条件下离心5min后弃液体；加入0.02mL0.1％DEPC水溶解RNA，细胞总RNA提取物使用分光光度计定量分析核酸浓度并调整使总RNA浓度均一化；②将RNA逆转录成cDNA：每组样品取模板RNA4μL，加入OligodT和DEPC水各1μL后混匀，在70℃条件下反应10min后急速冰浴2min；将反应得到的模板6μL，加入5×M-MLVBuffer2μL、dNTP0.5μL、RNA酶抑制剂0.25μL、M-MLV酶0.25μL和DEPC水1μL后混匀，将该混合物体系在42℃条件下反应60min之后再于70℃条件下反应15min；将逆转录得到的各组cDNA置于冰上冷却，放置于-20℃条件下保存待用；③实时定量PCR反应：引物及探针序列设计如下表1所示；将2中逆转录得到的cDNA用双蒸水稀释5倍后吸取2μL，转移到实时定量PCR专用的离心管中，与10μLReal-TimePCRMaterMix、7μL双蒸水、上下游引物各0.5μL混匀成20μL的反应体系。反应体系在Bio-RadiQ5Real-timePCR仪上进行PCR反应，使用IQ5SYBRGreenISupermixPCRSystem进行实时荧光定量反应，反应过程为：首先在95℃，30s条件下预变性，然后在60℃、10s和40℃、20s条件下进行目标基因扩增反应，扩增循环40次。每组试样设3个重复。实验数据的处理采用根据绘制的梯度稀释DNA标准曲线，将各测试组目的基因的Ct值除以管家基因的Ct值，以消除系统误差，保证结果分析中一致。表1实时定量PCR各基因使用的上下游引物序列4细胞胞内VEGF及OCN蛋白检测：干细胞在三种样品表面培养3，7及14天后，其胞内特异性蛋白血管内皮细胞因子及骨钙素含量用酶联免疫分析法检测。将总体积500μL、含2×104个干细胞的细胞培养基，注入到放有实验样品的24孔板中，培养3、7和14d后用PBS轻柔漂洗三次；每孔用200μL0.1％TritonX-100处理试验试样，并反复冻融5个循环裂解细胞，震荡5min；4℃，1000r·min-1离心10min，取上清，-80℃保存备用。分别使用相应的酶联免疫分析试剂盒测试R&D，USA，具体试验操作方法参照试剂盒说明书。实验结果：图10为间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养3，7及14天后的骨钙素基因表达情况，*P0.01与原始样品相比；图11为间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养3，7及14天后的骨钙素蛋白表达情况，*P0.01与原始样品相比；图12为间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养3，7及14天后的血管内皮生长因子VEGF基因表达情况对比图；图13为间充质干细胞在三种Ti-Nb-Zr-Sn钛合金样品表面培养3，7及14天后的血管内皮生长因子VEGF蛋白表达情况对比图；骨钙素OCN基因及蛋白表达情况显示，对比原始样，SMAT及SMAT-Co两组样品表面能更好的促进干细胞向成骨方向分化。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，与本发明构思无实质性差异的各种工艺方案均在本发明的保护范围内。

权利要求：1.一种钛合金表面改性方法，其特征在于：包括以下步骤：1将Ti-Nb-Zr-Sn钛合金固定在表面机械研磨处理机的处理腔中进行研磨处理；2将经表面处理后的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金放入离子注入机中进行处理，其以Co靶材为离子源，在真空条件下注入Co离子。2.根据权利要求1所述的钛合金表面改性方法，其特征在于：所述步骤1中研磨处理的振动频率为1000-2000Hz。3.根据权利要求1所述的钛合金表面改性方法，其特征在于：所述步骤1中的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金为直径60mm，厚度为3mm的圆板。4.根据权利要求1所述的钛合金表面改性方法，其特征在于：所述步骤1中Ti-Nb-Zr-Sn钛合金采用GCr15钢球对样品板进行撞击。5.根据权利要求1所述的钛合金表面改性方法，其特征在于：所述步骤1中GCr15钢球的直径为2mm。6.根据权利要求1所述的钛合金表面改性方法，其特征在于：所述所述步骤1中的撞击时间为15min。7.根据权利要求1所述的钛合金表面改性方法，其特征在于：所述步骤2中离子注入机真空腔中的真空度为1×10-5～1×10-3Pa，加速电压为50-100kV。8.根据权利要求1所述的钛合金表面改性方法，其特征在于：所述步骤2中Co离子注入剂量为1×1017～1×1018ionscm2。9.根据权利要求1所述的钛合金表面改性方法，其特征在于：包括以下步骤：1将直径60mm、厚度为3mm的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金圆板固定在表面机械研磨处理机的处理腔中进行研磨处理，采用直径为2mm的GCr15钢球在振动频率为2000Hz条件下对样品板进行撞击15min；2将经表面处理后的Ti-Nb-Zr-Sn钛合金放入离子注入机中进行处理，其以Co靶材为离子源，离子注入机真空腔中的真空度为5×10-4Pa，加速电压为80kV，注入剂量为2×1017ionscm2。10.采用权利要求1-9中任一项所述的方法改性后的钛合金。

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