一種在鈦合金上制備Ag/ZnO/HA納米復合涂層的方法與流程

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本發明涉及材料科學與納米材料技術領域，具體涉及一種通過激光熔覆技術在鈦合金上制備具有持久抗菌性及良好生物相容性的ag/zno/ha納米復合涂層的方法。

背景技術：

激光用于制備合金及涂層的技術是上世紀90年代興起的一種技術手段。其優點在于能將熔點較高的不同種類的無機金屬類物質牢固的結合在一起。經過近些年的發展，發展出包括激光脈沖沉積、激光熔覆等手段，其中，激光熔覆以其較為簡單的操作及對原材料要求較低而頗受青睞。通過對激光儀器的電流，脈寬，頻率等參數的設置，從而實現對涂層熔覆厚度，結合強度，涂層圖案化較為精準的控制。由于激光配套設備能夠實行編程運行，智能化的水平大大滿足對材料快速，微觀結構調控的力度。

由于中國逐步邁入人口老齡化的社會，老年人發生骨折的幾率較大，社會對骨植入體材料的需求逐年攀升。而當前的許多植入體材料自身不具備抗菌及生物相容性，導致術后發生細菌感染，出現植入體排異反應的情況時有發生。二次植入不僅給病人帶來經濟上的負擔，而且會對患者的身心造成更大的痛苦與折磨。同時，抗生素的大量使用會使人體感染的細菌出現耐藥性，當人體只能依靠抗生素進行治療的時候而沒有有效的抗生素可用。因此，通過制備無機抗菌粒子已成為近些年的研究熱點。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明通過在鈦合金上激光熔覆一種銀/氧化鋅/羥基磷灰石(ag/zno/ha)納米復合涂層，使改進后的鈦合金具有持久抗菌性及良好生物相容性；在制備ag/zno/ha納米復合涂層過程中，本發明先運用化學還原法制備具優異抗菌性的納米銀顆粒，再利用激光熔覆技術制備牢固的ag/zno/ha納米復合涂層，ag具有優異抗菌性，zno具有一定的抗菌性及成骨性，ha具有優異的生物相容性和成骨性，涂層中的每一組分發揮各自功能并起到協同殺菌及生物相容的效果。

本發明第一方面提供了一種在鈦合金上制備ag/zno/ha納米復合涂層的方法，步驟包括：

s1、將羥基磷灰石與溶于氨水中的agno3混合后，向體系中滴加n2h4使agno3中的銀離子被還原成納米銀單質；

s2、向步驟s1所得溶液中加入氧化鋅納米顆粒，抽濾、研磨，然后配置為懸浮液，在拋光好的鈦合金材料上滴加所述懸浮液，干燥后形成預制涂層樣品；

s3、將步驟s2所得預制涂層樣品置于激光熔覆平臺上，在氬氣氛圍中進行激光熔覆。

本發明第二方面提供了采用上述在鈦合金上制備ag/zno/ha納米復合涂層的方法制備得到的產品。

本發明的有益效果是：

(1)利用激光熔覆技術可以簡單快速的制備無機復合涂層；

(2)相比于一般的植入體只解決生物相容性的問題，ag/zno/ha涂層同時具有良好的抗菌，成骨，生物相容等綜合性能；

(3)由于ag與zno具有較大差異的熔點，因此在激光熔覆后的銀和鋅的釋放速率不同步，使涂層具有兼顧長短期的持久殺菌能力，而一般載藥或其它手段都無法具有長期穩定的抗菌效果；

(4)相比于使用抗生素抗菌，激光熔覆的ag/zno/ha不會產生耐藥性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為實施例1中未結合涂層的激光熔覆的sem圖。

圖2為實施例2中經過激光熔覆ag/zno/ha納米復合涂層的sem圖。

圖3為實施例3中涂層浸泡在sbf溶液中鋅離子緩釋曲線圖。

圖4為實施例3中涂層浸泡在sbf溶液中銀離子緩釋曲線圖。

圖5為實施例4中ag/zno/ha納米復合涂層表面的大腸桿菌的sem圖。

圖6為實施例5中ag/zno/ha納米復合涂層表面的金黃色葡萄球菌的sem圖。

圖7為實施例6中ag/zno/ha納米復合涂層的堿性磷酸酶活性(alp)測試圖。

具體實施方式

本發明提供了一種在鈦合金上制備ag/zno/ha納米復合涂層的方法，步驟包括：

s1、將羥基磷灰石與溶于氨水中的agno3混合后，向體系中滴加n2h4使agno3中的銀離子被還原成納米銀單質；

s2、向步驟s1所得溶液中加入氧化鋅納米顆粒，抽濾、研磨，然后配置為懸浮液，在拋光好的鈦合金材料上滴加所述懸浮液，干燥后形成預制涂層樣品；

s3、將步驟s2所得預制涂層樣品置于激光熔覆平臺上，在氬氣氛圍中進行激光熔覆。

優選的，所述鈦合金材料為ti6al4v。

納米單質銀顆粒具有優異的抗菌性能，它能通過誘導細菌細胞質產生活性氧，使細胞膜內外形成氧壓力，從而使細菌細胞壁，細胞膜破裂凋亡，同時它能讓細菌在分裂使損害其dna鏈，從而影響分裂來達到抗菌的效果。納米zno顆粒與納米單質銀一樣，具有同樣的納米尺寸效應，能夠產生一定的活性氧抗菌，同時氧化鋅中的鋅離子是組織細胞生長所需的一種元素，能促進骨組織的生長恢復。ha是與自然骨成分特別接近的一種物質，它具有優異的生物活性，生物相容性，促進骨修復，誘導新骨生成的能力。鈦合金有較多的類別，ti6al4v作為其中的一種，它具有較高的強度被廣泛使用，并被大量用于醫用植入體中。ti6al4v具有較高的熔點，能很好的作為熔覆有功能涂層的基底材料。涂層中的每一組分發揮各自功能并起到協同殺菌及生物相容的效果。

優選的，步驟s1中，將羥基磷灰石與去離子水混合、超聲后攪拌，再與溶于氨水中的agno3混合。

優選的，步驟s1中，向體系中滴加n2h4至混合溶液由白色突變為咖啡色時，停止滴加n2h4，此時agno3中的銀離子被還原成納米銀單質。通過顏色的明顯變化來直觀準確的判斷agno3中銀離子還原情況，更加方便有效，易于操作。

更加優選的，所述羥基磷灰石、agno3、氧化鋅納米顆粒的添加量為，以質量比計，使ag：zno：ha＝0～10：0～10：90。

使用化學方法將agno3溶液中的銀離子還原成納米銀單質，納米尺寸較小(20nm左右)，尺寸分布較均勻。相較于紫外還原，本發明的步驟s1中使用n2h4能將agno3溶液中的銀離子全部還原，而紫外還原不能定量，不易檢測還原的納米銀單質的質量，而且紫外還原需要添加成核劑，本發明采用的納米銀顆粒制備方法能得到具優異抗菌性的納米銀顆粒。

優選的，步驟s2中，配置為8～12mg/ml懸浮液。進一步的，所述滴加在ti6al4v基底上的懸浮液為50ul。

優選的，步驟s2中，所述抽濾步驟后用乙醇和去離子水各清洗至少三次，清洗完畢后再次抽濾并于55～65℃下干燥0.8～1.2h，然后進行研磨。

更加優選的，所述抽濾采用0.22um的微孔濾膜。

優選的，在本發明的一個實施例中，步驟s3中，激光熔覆過程使用的是型號為jhm-1gy-300b的激光器，所述激光熔覆條件參數為電流i＝50～300a，脈寬w＝1～100ms,頻率f＝10～50hz，光束直徑d＝0.1～1mm，運行速率v＝1～20mm/s。

通過對ti6al4v上的ag/zno/ha預置涂層在特定條件下進行激光熔覆，使ag/zno/ha納米復合涂層牢固的與基底結合。由于氧化鋅的熔點有1975℃，遠高于納米銀單質961.78℃的熔點，熔覆時形成的涂層中，納米銀單質較多的分布在涂層的底部并與基底過度結合，氧化鋅的大多分布在涂層表面。元素在涂層中的這種分布及結合方式使其釋放速率及時間段不同，將材料植入到體內后，前期主要依靠鋅元素的釋放來抗菌，而植入后期，銀元素起著主要的抗菌作用。一般的植入體感染會發生在術后三個月內，激光熔覆的ag/zno/ha納米復合涂層有效的解決了持續抗菌的長久性問題。

為了便于理解本發明，下文將結合說明書附圖和實施例對本發明作更全面、細致地描述，但本發明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。

除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發明的保護范圍。

除非另有特別說明，本發明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現有方法制備得到。

實施例1

本實施例直接對鈦合金進行了激光熔覆處理，步驟包括：

(1)步驟一：將ti6al4v用240目的砂紙進行拋光打磨，使ti6al4v得一面呈現鏡面狀。接著用乙醇清洗超聲3遍，然后再用去離子水進行清洗并干燥。

(2)步驟二：激光熔覆過程使用的是型號為jhm-1gy-300b的激光器。打開激光二維平臺設置熔覆參數，將電流設置為i＝100a，脈寬w＝2ms,頻率f＝20hz，光束直徑d＝0.6mm，運行速率v＝5mm/s.將樣品放置于激光熔覆平臺上，通過程序調節平臺x軸和y軸，使樣品處于激光發射器的起點。打開氬氣瓶使樣品處于氬氣氛圍中，分別開啟控制平臺上的“驅動”，“程控”，“程序”系統進行激光熔覆。

對上述方法得到的產品進行掃描電鏡檢測，得到的sem圖如圖1所示，檢測結果表明：無涂層的ti6al4v樣經激光處理后形成較明顯的熔池峰狀，這是基底表面被高能量快速熔化冷卻的效果。

實施例2

本實施例提供了一種在鈦合金上制備ag/zno/ha納米復合涂層的方法，步驟包括：

(1)步驟一：稱取135mg羥基磷灰石(ha)放入裝有10ml去離子水的燒杯，超聲30min后進行磁力攪拌。稱取11.81mg硝酸銀晶體(agno3)放入另一燒杯中，并加入10ml氨水將其溶解，待agno3完全溶解于氨水后將溶液緩慢倒入裝有ha溶液的燒杯中，繼續攪拌。隨后往攪拌的混合溶液里緩慢滴加水合肼(n2h4),直到混合溶液由白色突變為咖啡色時，停止滴加n2h4，此時agno3中的銀離子被還原成納米銀單質。

(2)步驟二：在上述咖啡色溶液中加入7.5mg氧化鋅納米顆粒(zno)，用有機濾膜進行抽濾，并用乙醇和去離子水各清洗3遍。抽濾完成后放入60℃干燥箱中干燥1h，隨后用研缽研磨，配成10mg/ml的懸浮液，在拋光好的ti6al4v上滴加50ul懸浮液，放入60℃干燥箱中干燥1h形成預制涂層。

(3)步驟三：激光熔覆過程使用的是型號為jhm-1gy-300b的激光器。打開激光二維平臺設置熔覆參數，將電流設置為i＝100a，脈寬w＝2ms,頻率f＝20hz，光束直徑d＝0.6mm，運行速率v＝5mm/s.將樣品放置于激光熔覆平臺上，通過程序調節平臺x軸和y軸，使樣品處于激光發射器的起點。打開氬氣瓶使樣品處于氬氣氛圍中，分別開啟控制平臺上的“驅動”，“程控”，“程序”系統進行激光熔覆。

對上述方法得到的產品進行掃描電鏡檢測，得到的sem圖如圖2所示，檢測結果表明：ag/zno/ha比例為(7:3:90)的涂層樣經過激光熔覆處理后，表面形成微納米級球狀結構，涂層這種粗糙度會改變物質的親疏水性質，細菌細胞粘附情況。大的比表面積會使細菌更充分接觸到抗菌納米物質。

實施例3

本實施例提供了一種在鈦合金上制備ag/zno/ha納米復合涂層的方法，并對該方法得到的帶有涂層的鈦合金進行了鋅離子和銀離子的釋放濃度的測試，具體步驟包括：

(1)步驟一：稱取羥基磷灰石(ha)放入裝有10ml去離子水的燒杯，超聲30min后進行磁力攪拌。稱取硝酸銀晶體(agno3)放入另一燒杯中，并加入10ml氨水將其溶解，待agno3完全溶解于氨水后將溶液緩慢倒入裝有ha溶液的燒杯中，繼續攪拌。隨后往攪拌的混合溶液里緩慢滴加水合肼(n2h4),直到混合溶液由白色突變為咖啡色時，停止滴加n2h4，此時agno3中的銀離子被還原成納米銀單質。

(2)步驟二：在上述咖啡色溶液中加入氧化鋅納米顆粒(zno)，用有機濾膜進行抽濾，并用乙醇和去離子水各清洗3遍。抽濾完成后放入60℃干燥箱中干燥1h，隨后用研缽研磨，配成10mg/ml的懸浮液，在拋光好的ti6al4v上滴加50ul懸浮液，放入60℃干燥箱中干燥1h形成預制涂層。

采用上述方法，調整ag/zno/ha比例制備多組帶有不同配比涂層的鈦合金，具體的，ag/zno/ha比例包括如下幾組，以質量比計：0:10:90、3:7:90、5:5:90、7:3:90、10:0:90。

(4)將制好的上述配比的涂層放入裝有30mlsbf的緩釋瓶中進行緩釋，分別在1,4,7,14,21d時進行取樣，每次取3ml的同時補充3ml的sbf溶液，通過原子吸收分光光度計測試鋅離子和銀離子的釋放濃度，進行計算后繪制成緩釋圖，分別如圖3、圖4所示。

檢測結果表明：通過原子吸收分光光度計測試發現，樣品涂層中zn²⁺的釋放在前四天很快，后面釋放速率較緩慢，釋放量也較少，這是由于zno熔點極高，導熱系數低，激光熔覆過程中與基底及涂層中其它組分的結合不如ag牢固，這時的抗菌zn²⁺起著主要作用。通過ag⁺釋放曲線可知，1,4,7,14,21d中ag⁺持續釋放，能起到持久的抗菌作用。這是因為ag的熔點較低，導熱系數高，進行激光熔覆時最先熔融與基底和其它組分過度結合。

實施例4

本實施例提供了一種在鈦合金上制備ag/zno/ha納米復合涂層的方法，并將該方法得到的帶有涂層的鈦合金與大腸桿菌作用培養，具體步驟包括：

(4)將步驟(3)所得樣品放入48孔板中，往孔中加入400ul濃度為10⁷cfu/ml的大腸桿菌菌液使其沒過樣品表面，緊接著將孔板放在培養箱里培養12h。將培養后的ti6al4v樣上的細菌進行固定脫水，干燥之后在掃描電子顯微鏡下觀察細菌的形貌，如附圖5所示。

檢測結果表明：大腸桿菌細胞壁皺縮破損較為嚴重，證明涂層對大腸桿菌的殺菌機理是作用于細胞壁使其凋亡。

實施例5

本實施例提供了一種在鈦合金上制備ag/zno/ha納米復合涂層的方法，并將該方法得到的帶有涂層的鈦合金與金黃色葡萄球菌作用培養，具體步驟包括：

(4)將步驟(3)所得樣品放入48孔板中，往孔中加入400ul濃度為10⁷cfu/ml的金黃色葡萄球菌菌液使其沒過樣品表面，緊接著將孔板放在培養箱里培養12h。將培養后的ti6al4v樣上的細菌進行固定脫水，干燥之后在掃描電子顯微鏡下觀察細菌的形貌，如附圖6所示。

檢測結果表明：金黃色葡萄球菌部分細胞壁發生破損，細胞質流出，說明涂層對金黃色葡萄球菌的殺菌機理是作用于細胞壁使其凋亡。但由于金黃色葡萄球菌細胞壁較厚，并不能讓所有的細菌細胞壁破裂。

實施例6

本實施例提供了一種在鈦合金上制備ag/zno/ha納米復合涂層的方法，并將該方法得到的帶有涂層的鈦合金進行堿性磷酸酶活性(alp)測試，具體步驟包括：

(4)將制好的上述配比的涂層樣品放入96孔板中，用150ul濃度為10⁵cell/ml的mc3t3e1細胞加入到孔板中培養3,7,14d，用akp試劑盒檢測樣品上細胞的堿性磷酸酶活性，檢測結果如附圖7所示。

檢測結果表明：帶有涂層樣的mc3t3e1細胞堿性磷酸酶活性在3,7d時是逐漸升高，尤其是ag/zno/ha比例為(7:3:90)的樣在7d升為最高，在14d時涂層樣alp值都有所下降。說明前期有利于細胞增殖，后期開始分化。