[发明专利]一种超声辅助感应加热制备纳米结构氧化膜的方法

说明书

本发明属于医用金属表面改性技术领域，具体涉及一种超声辅助感应加热制备纳米结构氧化膜的方法。所述方法包括如下步骤：(1)对钛和/或钛合金的表面进行清理；(2)感应加热上述钛或钛合金，同时将超声场导入到上述钛或钛合金上；(3)冷却，即得；所述超声场导入试样的方法为：将超声工具头与钛和/或钛合金表面紧密固定相接，开启超声，将超声振动直接传入钛或钛合金上。本发明采用的感应加热制备纳米结构氧化膜的方法，高效环保、操作方便；超声辅助感应加热与常规感应加热相比，可以进一步均匀细化氧化膜晶粒，提高氧化膜的耐磨性，优化生物学性能。

技术领域

本发明属于医用金属表面改性技术领域，具体涉及一种超声辅助感应加热在钛、钛合金等表面制备纳米结构氧化膜的方法。

背景技术

本发明背景技术中，公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

钛及钛合金由于高比强度、低密度，与骨相似的弹性模量及优良的抗腐蚀性，在承载的整形外科、骨科和牙科等医学临床领域得到越来越广泛的应用。然而，钛及钛合金耐磨性较差，产生磨损磨屑易使植入体周围组织发生炎症，限制了其应用。摩擦学性能较差的原因是当材料受到相对滑动时，钛及钛合金的脆性表面易发生断裂和剥落。例如，Ti6Al4V合金骨科植入物与其他金属、聚乙烯或骨骼接触时，界面相对运动引起的磨损可去除钝化的氧化钛，产生碎片，释放金属离子。磨损碎片导致异物反应，从而导致骨溶解和植入物无菌性松动。因此需要对钛及钛合金进行表面改性以提高耐磨性，更好地满足临床需求。

为了提高钛及钛合金的耐磨损性能,通常是利用表面处理工艺在基体表面形成一层耐磨涂层。通过陶瓷层代替金属层，表面氧化被证明是提高许多金属的耐磨性的有效方法。表面氧化法主要包括化学氧化法(CO)、阳极氧化法(AO)、微弧氧化法(MAO)和热氧化法(TO)等。其中，感应加热技术本身是一种高效、绿色的快速热氧化方法。通过感应加热氧化后，钛及钛合金表面能够快速形成均匀生长的二氧化钛纳米晶氧化膜，进而能够有效地提高其耐磨性、生物活性和组织相容性。专利文献201611142217.1公开了一种在钛合金表面制备纳米结构生物活性氧化膜的方法中对钛合金Ti6Al4V超声喷丸处理后进行感应加热氧化，发现制备的纳米结构氧化膜能够显著提高植入体内钛及钛合金的生物活性、生物相容性和细胞反应能力。但是没有涉及超声场对氧化膜层的影响。

大量文献和资料表明，超声作用可以软化金属、改善材料成形性能，原因是超声作用激活材料内部的位错。比如，Fartashvand,V.进行了不同功率下的超声振动拉伸试验，发现施加超声后，Ti-6Al-4V合金的位错数量增加，屈服强度及最终抗拉强度减小(参见文章：Investigation of Ti-6Al-4V alloy acoustic softening，UltrasonicsSonochemistry,2017,38,744-749)。但是大多数关于超声激活材料位错的研究局限于与塑性加工成形结合。

温波等比较了纳米羟基磷灰石(nHA)和常规羟基磷灰石(cHA)对成骨细胞功能代谢影响方面的差异，研究表明纳米尺度表面更能增强成骨细胞的功能及代谢活动(参见文章：纳米羟基磷灰石对成骨细胞功能代谢影响的研究，生物医学工程学杂志,2005,22(3),463-467)。

King-Chuen Wu等综述了纳米尺度表面在调控干细胞的粘附、生长、分化中的应用，表明了纳米尺度特征和材料对干细胞粘附、生长和分化的调控的重要性(参见文章：Nanotechnology in the regulation of stem cell behavior，Science and Technologyof Advanced Materials,2013,14(5))。