[发明专利]一种具有梯度功能羟基磷灰石纳米复合涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在钛或钛合金表面制备羟基磷灰石纳米复合涂层的方法。

技术背景

纯钛(Ti)及钛合金由于其生物相容性及力学性能良好，广泛应用于临床植入材料，但其生物活性不足，与周围组织的化学性结合较差。羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HAp)是人体骨等硬组织的主要无机成份，具有相当高的生物活性及生物相容性，其植入后能促进新骨在其表面生长，参与骨组织的新陈代谢，可与骨组织形成化学结合，在植入的早期增加了种植体与骨间界面的结合强度，但是HAp力学性能较脆，耐疲劳性能差，限制了它在人体负重部位的应用。在金属钛表面上制备HAp涂层，使植入体兼备Ti金属优良的力学性能和HAp陶瓷的高生物活性及生物相容性，成为性能优良的骨替代植入材料，是目前生物医学材料研究的热点之一。

在钛表面制备HAp涂层的方法有很多，如等离子喷涂法、溶胶-凝胶法、电泳沉积法等，这些方法在制备工艺上有较大的差别，各有优缺点。电泳沉积(Electrophoretic deposition，简称EPD)是一种新型的陶瓷涂层制备方法，广泛应用于磁性、超导及生物活性陶瓷涂层的制备，EPD在陶瓷涂层的制备过程表现出了显著的优势，沉积条件温和，一般在常温下即可进行；所需设备简单，成本低；通过调节电压或电流，易于对沉积速率以及涂层的微观结构进行控制；沉积过程是一个非直线过程，适于形状复杂，表面多孔的多种基材。然而，电泳沉积所得的陶瓷涂层生坯，致密度相对较低，仅40％左右，机械性能一般不能满足应用要求，所以涂层还需要经过后续的热处理，以达到本身的致密化以及与基体相互结合。

近年来，电泳沉积生物活性羟基磷灰石涂层引起了国内外学者的普遍关注，取得了很大的进展，但仍然存在一些问题，研究的难点主要在于，如何防止涂层在制备过程中开裂，并最终提高涂层与基底的结合强度。导致这些问题的主要原因在于HAp涂层与基底钛在物理化学性质上有较大差异，尤其表现在HAp的热膨胀系数(α_HAP＝14×10^-6K^-1)显著高于金属钛的热膨胀系数(α_Ti＝10.3×10^-6K^-1)，这样，在热处理的降温过程中，容易在涂层与基底的界面处累积有害的张应力，从而使涂层易于脱落，另外，涂层的致密化过程发生较大的体积收缩，而基底钛则几乎没有任何收缩，这种不匹配也在涂层内部累积大量的内应力而诱导裂纹的生成。反应烧结是将金属粉体添加到陶瓷粉体中，与陶瓷共同成型并烧结，在烧结过程中，金属粉体发生原位氧化反应生成金属氧化物，促进原有陶瓷颗粒的相互粘结，能够降低陶瓷烧结温度，改善陶瓷烧结性能，提高陶瓷材料力学性能。研究表明，设计并制备具有梯度功能的复合涂层，可以改善单一涂层的性质，缓解涂层材料与基底材料之间性质的差异，提高涂层与基底间的结合强度。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种采用将羟基磷灰石纳米粉与金属Al微粉多层电泳共沉积，经过反应烧结热处理，可提高羟基磷灰石涂层与基底的结合强度，在钛或钛合金表面制备具有梯度功能羟基磷灰石纳米复合涂层的方法。

所述的一种具有梯度功能羟基磷灰石纳米复合涂层的制备方法其步骤如下：

步骤1)：基底预处理

(1)机械磨光：将基底经机械打磨至表面均匀光亮，所述的基底为钛或钛合金；

(2)碱洗脱酯：将磨光后的基底放入碱洗液中处理3～10min后，取出清洗去除表面残留碱液；

(3)酸浸蚀：将碱洗后的基底放入浸蚀液中处理30～45s，取出清洗，烘干待用；

步骤2)：悬浮液的配制

以乙醇作为分散溶剂，加入HAp粉和Al粉配制成不同HAp和Al含量的悬浮液，其中Hap含量为10～20g·L^-1，Al含量为0～10g·L^-1，调节pH至4～5，机械搅拌分散，形成稳定的悬浮液，静置陈化1～3天；

步骤3)：电泳沉积

沉积前，先将悬浮液超声15～30min，以基底为阴极，两个相对不锈钢薄片作为对电极，基底置于其正中间，采用直流电源，沉积电压30～40V，沉积时间15～30s，按Al的含量逐渐减少的顺序依次在不同HAp粉和Al粉含量的悬浮液中电泳沉积至少3次，沉积完成后，样品自然晾干，干燥保存；

步骤4)：反应烧结热处理