一種四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層的制備方法與流程

本發明涉及鈦和鈦合金構件的表面改性領域，具體涉及一種四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層的制備方法。

背景技術：

利用磁場治療骨組織疾病早已在臨床上廣泛開展起來。大量研究結果表明外加磁場能夠促進成骨細胞的增殖和分化，從而促進新骨形成，還具有促進植入體與骨的整合、提高骨密度和鈣含量，促進骨折愈合等作用。但傳統的磁療通常需要比較復雜的設備，不方便使用和攜帶，從而極大地限制了其應用。

磁性納米顆粒因其在蛋白分離、細胞分離、載藥媒介、核磁共振成像、癌癥磁熱療、組織修復等生物領域表現出潛在的應用前景，逐漸受到科研工作者的廣泛關注。已經報道了很多關于將磁性納米顆粒復合到硬組織替代材料用作生物支架，并且顯示出了良好的生物相容性及對細胞的增殖、分化等的促進作用。目前，國內外研究者在制備磁性硬組織替代材料時，主要采用靜電紡絲技術、纖維沉積技術、吸附方法和球磨混勻方法等。前兩種技術主要用于高分子材料，后兩種方法主要用于陶瓷材料。然而高分子材料的強度和彈性模量低，陶瓷材料的斷裂韌度低且在生理環境抗疲勞性差，難以獨立應用于承載部位的硬組織替換。另一方面，上述制備方法得到的材料植入體內后會釋放出的納米顆粒，這些納米顆粒對生物體的毒副作用仍然不明確。

鈦及鈦合金因其優異的機械強度、化學穩定性以及耐腐蝕性，受到了牙科和骨科植入研究者的青睞。但和其它金屬材料一樣，植入體內后不能與骨形成直接的化學鍵合，從而導致種植體發生松動。采用微弧氧化法對鈦和鈦合金進行表面處理得到多孔二氧化鈦涂層，可提高其耐磨損性能、耐腐蝕性能，提高生物活性，改善種植體與骨組織的結合，已經得到了商業化應用。但是在臨床應用上仍存在生物活性不足等問題，植入體內后易形成包裹性纖維膜，與組織結合不牢固，從而引起植入失敗。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層的制備方法，以克服上述現有技術存在的缺陷，本發明制備的涂層內具有極小的微區磁場，具有良好的生物活性，利于骨細胞的附著、增殖和分化，使材料具有骨誘導性，能夠促進新骨形成，促進植入體與骨的整合，促進骨折愈合

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：利用溶劑熱法，以乙二醇為溶劑，以1,6–己二胺、六水合三氯化鐵、無水乙酸鈉為溶質，在反應釜中進行反應，反應結束后得到水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒；

步驟二：采用微弧氧化法，以水為溶劑，以水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒、鈣鹽、磷鹽和弱酸為溶質，形成電解液，以鈦或鈦合金試樣為陽極、不銹鋼為陰極，采用脈沖電源對鈦或鈦合金試樣進行微弧氧化處理，待反應結束后，即在鈦或鈦合金試樣的表層生成四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層。

進一步地，步驟1中1,6–己二胺濃度為0.2–5.0mol/l，六水合氯化鐵濃度為0.05-2.0mol/l，無水乙酸鈉的濃度為0.01-0.5mol/l。

進一步地，步驟一中反應溫度為180-220℃，時間為2-24h。

進一步地，步驟一中得到的水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒的粒徑為20-300nm。

進一步地，步驟二中弱酸為乙酸、水楊酸、檸檬酸或草酸。

進一步地，步驟二所述的鈣鹽為乙酸鈣、氯化鈣或硝酸鈣；所述的磷鹽為β-甘油磷酸鈉、磷酸鈉或磷酸氫鈉。

進一步地，步驟二電解液中水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒的濃度為0.2–50g/l，鈣鹽濃度為0.1-0.5mol/l，磷鹽濃度為0.1-0.5mol/l，弱酸濃度為0.01-0.5mol/l。

進一步地，步驟二中采用脈沖電源在電壓為350–550v、頻率為50–500hz、占空比為5-40％的條件下對鈦或鈦合金試樣進行微弧氧化處理。

進一步地，微弧氧化處理過程中陰極和陽極之間的距離為8-12cm。

進一步地，微弧氧化處理的溫度為5–25℃，處理時間1–10min。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

采用本發明工藝合成的四氧化三鐵/二氧化鈦生物活性涂層，與鈦及其合金相比，該涂層內具有極小的微區磁場，具有良好的生物活性，利于骨細胞的附著、增殖和分化，使材料具有骨誘導性，能夠促進新骨形成，促進植入體與骨的整合，促進骨折愈合；同時，該磁性材料還能響應外加磁場，通過外加交變磁場產生磁熱效應使病灶區升溫，殺死腫瘤細胞，從而實現骨癌磁熱療的作用。

進一步地，通過控制工藝條件，本發明工藝合成的四氧化三鐵/二氧化鈦涂層解決了目前制備方法制備的磁性硬組織植入材料植入后的細胞毒性以及后期粒子釋放等的問題，在保證涂層結合力和強度的同時，使得涂層具有一定的鐵磁性(ms為0.1-0.5emu/g)。

附圖說明

圖1為本發明實施例1得到的fe3o4納米顆粒的sem圖；

圖2為本發明實施例1得到的涂層的sem圖；

圖3為本發明實施例1得到的涂層的能譜圖；

圖4為本發明實施例1得到的涂層磁滯回線。

具體實施方式

下面對本發明的實施方式做進一步詳細描述：

一種四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：利用溶劑熱法，以乙二醇為溶劑，1,6–己二胺、六水合三氯化鐵、無水乙酸鈉為溶質，其中1,6–己二胺濃度為0.2–5.0mol/l，六水合氯化鐵濃度為0.05-2.0mol/l，無水乙酸鈉的濃度為0.01-0.5mol/l，在高溫高壓反應釜中進行反應，反應溫度為180-220℃，時間為2-24h，反應結束后得到粒徑為20-300nm的水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒；

步驟二：采用微弧氧化法，以水為溶劑，以水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒、鈣鹽、磷鹽和弱酸為溶質，形成電解液，電解液中水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒的濃度為0.2–50g/l，鈣鹽濃度為0.1-0.5mol/l，磷鹽濃度為0.1-0.5mol/l，弱酸濃度為0.01-0.5mol/l，以鈦或鈦合金試樣為陽極、不銹鋼為陰極，采用脈沖電源在電壓為350–550v、頻率為50–500hz、占空比為5-40％對鈦或鈦合金試樣進行微弧氧化處理，處理過程中陰極和陽極之間的距離為8-12cm，且微弧氧化處理的溫度為5–25℃，處理時間1–10min，待反應結束后，即在鈦或鈦合金試樣的表層生成四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層。

下面結合實施例對本發明做進一步詳細描述：

實施例1

第一步：配置180ml以1,6–己二胺、六水合三氯化鐵、無水乙酸鈉為溶質和以乙二醇為溶劑的溶液，其中1,6–己二胺濃度為1.4mol/l、六水合三氯化鐵濃度為0.1mol/l、無水乙酸鈉濃度為0.06mol/l，然后將上述溶液轉入250ml高溫高壓反應釜內，198℃條件下保溫6h，即可制備得到尺寸為160nm的水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒。

第二步：在由0.2mol/l的乙酸鈣、0.2mol/l的β–甘油磷酸鈉和0.167mol/l乙酸的復合溶液中，加入5.0g上述制得的胺基化四氧化三鐵納米顆粒，形成電解液，以鈦為陽極、不銹鋼為陰極，采用脈沖電源在電壓為500v、頻率為500hz、占空比為7.5％、陰陽極板間距為8cm的條件下對鈦進行微弧等離子處理，處理時間3min，保持電解液的溫度在15℃，可在鈦表面形成四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層，其飽和磁化強度可達0.207emu/g。

實施例2

第一步：配置180ml以1,6–己二胺、六水合三氯化鐵、無水乙酸鈉為溶質和以乙二醇為溶劑的溶液，其中1,6–己二胺濃度為0.2mol/l1,6–己二胺、六水合三氯化鐵濃度為2.0mol/l、無水乙酸鈉濃度為0.01mol/l，然后將上述溶液轉入250ml高溫高壓反應釜內，220℃條件下保溫2h，即可制備得到尺寸為20nm的水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒。

第二步：在由0.5mol/l的氯化鈣、0.5mol/l的磷酸鈉和0.01mol/l草酸的復合溶液中，加入0.2g上述制得的胺基化四氧化三鐵納米顆粒，形成電解液，以鈦為陽極、不銹鋼為陰極，采用脈沖電源在電壓為550v、頻率為350hz、占空比為5％、陰陽極板間距為10cm的條件下對鈦進行微弧等離子處理，處理時間10min，保持電解液的溫度在25℃，可在鈦表面形成四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層，其飽和磁化強度可達0.107emu/g。

實施例3

第一步：配置180ml以1,6–己二胺、六水合三氯化鐵、無水乙酸鈉為溶質和以乙二醇為溶劑的溶液，其中1,6–己二胺濃度為5.0mol/l1,6–己二胺、六水合三氯化鐵濃度為0.05mol/l、無水乙酸鈉濃度為0.5mol/l，然后將上述溶液轉入250ml高溫高壓反應釜內，180℃條件下保溫24h，即可制備得到尺寸為300nm的水溶性胺基化四氧化三鐵納米顆粒。

第二步：在由0.1mol/l的硝酸鈣、0.1mol/l的磷酸氫鈉和0.5mol/l水楊酸的復合溶液中，加入50g上述制得的胺基化四氧化三鐵納米顆粒，形成電解液，以鈦合金為陽極、不銹鋼為陰極，采用脈沖電源在電壓為350v、頻率為50hz、占空比為40％、陰陽極板間距為12cm的條件下對鈦進行微弧等離子處理，處理時間1min，保持電解液的溫度在5℃，可在鈦表面形成四氧化三鐵/二氧化鈦磁性生物活性涂層，其飽和磁化強度可達0.357emu/g。