镁及镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法

摘要

本发明公开了一种镁及镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法，该方法采用磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液作为电解液，将镁或镁合金置于电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为10℃～45℃，调节脉冲频率为100Hz～2000Hz，占空比为10％～55％，在电压为250V～500V的条件下恒压处理3min～120min，即在镁或镁合金表面原位生长一层均匀致密的生物陶瓷膜。采用本发明的方法可以快速在镁及镁合金表面获得均匀致密的生物陶瓷膜，该方法对镁或镁合金的材质、形状、尺寸等无特殊要求，具有良好的通用性。

权利要求

1.一种镁或镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）以去离子水为溶剂配制磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，每升复合体系溶液中含磷酸钠5g～40g，硅酸钠2g～30g，甘油磷酸钙5g～30g，碳酸钾1g～15g，硼砂2g～8g，用氢氧化钠调节复合体系溶液的pH值为8～14，然后将复合体系溶液置于电解槽中静置24h后作为电解液；

（2）将待处理的镁或镁合金置于步骤（1）所述电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为10℃～45℃，调节微弧氧化电源脉冲频率为100Hz～2000Hz，占空比为10%～55%，在电压为250V～500V的条件下恒压处理3min～120min，即在镁或镁合金表面原位生长一层均匀、致密的生物陶瓷膜。

2.根据权利要求1所述的镁或镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法，其特征在于，步骤（2）中所述微弧氧化电源为直流脉冲电源。

3.根据权利要求1所述的镁或镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法，其特征在于，步骤（2）中所述脉冲频率为300Hz～1000Hz。

4.根据权利要求1所述的镁或镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法，其特征在于，步骤（2）中所述占空比为15%～30%。

5.根据权利要求1所述的镁或镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法，其特征在于，步骤（2）中所述恒压处理的时间为5min～60min。

说明书

镁及镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法

技术领域

[0001] 本发明属于医用金属植入材料技术领域，具体涉及一种镁及镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法。

背景技术

[0002] 目前已应用于临床的医用金属植入材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，均为生物惰性材料。经过临床应用，上述医用金属材料均显现了一些弊端，如材料在体内摩擦产生磨屑及在体液环境中腐蚀产生可溶性离子。这些磨屑及可溶性离子会产生一定的生物毒性，造成局部过敏反应或者炎症，甚至导致植入失败。力学性能特别是弹性模量不能与人骨组织相匹配，这样会产生应力遮挡效应，导致愈合迟缓，甚至植入失败。此外，这些医用金属材料均为不可降解材料，对于短期植入材料，在人体自身机能恢复之后，须通过再次手术取出，增加了患者的痛苦及医疗费用负担。

[0003] 基于上述原因，镁基生物医用材料的研究开发受到了人们的密切关注。与其它常用金属基生物医用材料相比，镁及镁合金具有以下主要优势：(1)镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参与人体内所有的新陈代谢过程，参与蛋白质的合成，能激活体内多种酶，调节神经肌肉和中枢神经系统的活动，保障心肌正常收缩；日常生活中，男性每天应摄取2.2mmol～5.0mmol镁，女性则需3.3mmol～6.3mmol镁。(2)镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应；镁与镁合金的密度约为1.7g/
3 3 3
cm，与人骨密度(1.75g/cm)接近，远低于典型应用的Ti-6Al-4V的密度(4.47g/cm)，符合理想接骨板的要求。(3)镁及镁合金具有很低的标准电极电位(-2.37V)，在含有氯离子的人体生理环境中耐蚀性更差；因而如果利用镁及镁合金的易腐蚀性，将其发展成为可降解金属植入材料，通过腐蚀逐步被机体吸收代谢，将更适合于制备短期或暂时植入器件。

[0004] 目前镁及镁合金作为生物医用材料的研究与应用很有限。主要原因是由于镁及镁合金的耐蚀性较差，在有氯离子存在的腐蚀环境中腐蚀速率更快，且在周围介质的pH值低于11.5时，镁合金在人体内的腐蚀会加快。因此，提高镁合金的耐蚀性能，是镁合金作为生物材料应用的关键。

[0005] 微弧氧化被认为是镁合金大幅度提高耐蚀性的先进表面处理技术。由于镁合金微弧氧化时，电解液需要对镁合金提供表面钝化条件。目前镁合金微弧氧化多采用含有大量F的电解液体系。虽然制备的微弧氧化陶瓷膜在耐蚀性、硬度、耐磨性等方面得到明显地提高，然而，与生物体相容性却不理想。因此，针对镁及镁合金的微弧氧化工艺有待进一步改进。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有良好通用性的镁及镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法。该方法采用微弧氧化技术在镁及镁合金基体表面制备生物陶瓷膜，陶瓷膜在基体原位生长，与基体冶金结合，能在短时间内获得生物陶瓷膜，具有成本低廉，高效节能的优点。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种镁及镁合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0008] (1)以去离子水为溶剂配制磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，每升复合体系溶液中含磷酸钠5g～40g，硅酸钠2g～30g，甘油磷酸钙5g～30g，碳酸钾1g～15g，硼砂2g～8g，用氢氧化钠调节复合体系溶液的pH值为8～14，然后将复合体系溶液置于电解槽中静置24h后作为电解液；

[0009] (2)将待处理的镁或镁合金置于步骤(1)所述电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为10℃～45℃，调节微弧氧化电源脉冲频率为100Hz～2000Hz，占空比为10％～55％，在电压为250V～500V的条件下恒压处理3min～120min，即在镁或镁合金表面原位生长一层均匀致密的生物陶瓷膜。

[0010] 上述步骤(2)中所述微弧氧化电源为直流脉冲电源。

[0011] 上述步骤(2)中所述脉冲频率为300Hz～1000Hz。

[0012] 上述步骤(2)中所述占空比为15％～30％。

[0013] 上述步骤(2)中所述恒压处理的时间为5min～60min。

[0014] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0015] 1、本发明使用的电解液为磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，电解液呈碱性，而且电-解液中不含F 及高价铬等对环境产生严重污染的金属离子，加之电解液使用寿命长，因此电解液具有长效、无毒、生态环保的优点。

[0016] 2、本发明采用微弧氧化技术在镁及镁合金表面制备生物陶瓷膜，陶瓷膜在基体原位生长，与基体冶金结合，能在短时间内获得生物陶瓷膜，具有成本低廉，高效节能的优点。

[0017] 3、本发明制备的生物陶瓷膜表面具有多孔形貌，在Hank’s模拟体液中浸泡7天至21天后，陶瓷膜表面无腐蚀现象，且陶瓷膜表面生成羟基磷灰石，这表明镁及镁合金的耐蚀性能显著提高，而且具有很好的生物相容性。

[0018] 4、通过调整本发明的处理工艺参数，可以获得不同特性的镁或镁合金生物陶瓷膜，从而实现对镁及镁合金生物陶瓷膜的功能设计。

[0019] 5、本发明的处理方法对镁或镁合金的材质、形状、尺寸等无特殊要求，凡是浸没在电解液中的镁或镁合金，微弧氧化处理后均可在表面获得均匀、致密的陶瓷膜，因此该工艺具有良好的通用性。

[0020] 下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0021] 图1为本发明实施例1镁微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的截面SEM图，放大倍数为1000倍。

[0022] 图2为本发明实施例1镁微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的表面SEM图，放大倍数为1000倍。

[0023] 图3为本发明实施例2镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的截面SEM图，放大倍数为1000倍。

[0024] 图4为本发明实施例2镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的表面SEM图，放大倍数为1000倍。

[0025] 图5为本发明实施例2镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的表面SEM图，放大倍数为50000倍。

[0026] 图6为本发明实施例2镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜在Hank’s模拟体液中浸泡7天后的表面SEM图，放大倍数为50000倍。

[0027] 图7为本发明实施例2镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜在Hank’s模拟体液中浸泡14天后的表面SEM图，放大倍数为50000倍。

[0028] 图8为本发明实施例2镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜在Hank’s模拟体液中浸泡21天后的表面SEM图，放大倍数为30000倍。

具体实施方式

[0029] 实施例1

[0030] (1)以去离子水为溶剂配制磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，每升复合体系溶液中含磷酸钠30g，硅酸钠10g，甘油磷酸钙5g，碳酸钾5g，硼砂2g，用氢氧化钠调节复合体系溶液的pH值为8，然后将复合体系溶液置于电解槽中静置24h后作为电解液；

[0031] (2)将待处理的镁置于步骤(1)所述电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为10℃，调节微弧氧化电源(直流脉冲电源)脉冲频率为600Hz，占空比为15％，在电压为350V的条件下恒压处理30min，即在镁表面原位生长一层均匀、致密的生物陶瓷膜。

[0032] 图1是本实施例镁微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的截面SEM图(放大倍数为1000倍)，从图中可以看出制备的生物陶瓷膜与镁基体呈冶金结合，界面处无缝隙等缺陷；
图2是本实施例镁微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的表面SEM图(放大倍数为1000倍)，从图中可看出该陶瓷膜表面具有微孔结构，这种微孔结构更有利于生物体组织、细胞的增殖，使镁具有良好的生物相容性。

[0033] 本实施例以磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液为电解液，采用微弧氧化技术在镁基体表面制备生物陶瓷膜，陶瓷膜在基体表面原位生长，与基体冶金结合，能在短时间内获得生物陶瓷膜，具有成本低廉，高效节能的优点。制备的生物陶瓷膜表面具有多孔形貌，在模拟体液中浸泡7天至21天后，陶瓷膜表面无腐蚀现象，且陶瓷膜表面生成羟基磷灰石，这表明处理后的镁的耐蚀性能显著提高，而且具有很好的生物相容性。

[0034] 实施例2

[0035] (1)以去离子水为溶剂配制磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，每升复合体系溶液中含磷酸钠25g，硅酸钠10g，甘油磷酸钙10g，碳酸钾10g，硼砂5g，用氢氧化钠调节复合体系溶液的pH值为10，然后将复合体系溶液置于电解槽中静置24h后作为电解液；

[0036] (2)将待处理的镁合金置于步骤(1)所述电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为15℃，调节微弧氧化电源(直流脉冲电源)脉冲频率为550Hz，占空比为20％，在电压为350V的条件下恒压处理5min，即在镁合金表面原位生长一层均匀、致密的生物陶瓷膜。

[0037] 图3是本实施例镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的截面SEM图(放大倍数为1000倍)，从图中可以看出制备的生物陶瓷膜与镁合金基体呈冶金结合，界面处无缝隙等缺陷。图4是本实施例镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的表面SEM图(放大倍数为1000倍)，从图中可看出该陶瓷膜表面具有微孔结构，这种微孔结构更有利于生物体组织、细胞的增殖，使镁合金具有良好的生物相容性。图5是本实施例镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜的表面SEM图(放大倍数为50000倍)，从图中可看出，陶瓷膜在放大50000倍下，表面光滑平整，在微孔附近呈现出片状褶皱。图6是本实施例镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜在Hank’s模拟体液中浸泡7天后的表面SEM图(放大倍数为50000倍)，从图中可看出与浸泡前光滑的表面不同，浸泡后在陶瓷膜表面生长出0.1μm～0.3μm大小不等的球状羟基磷灰石颗粒。图7是本实施例镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜在Hank’s模拟体液中浸泡14天后的表面SEM图(放大倍数为50000倍)，从图中可看出，这时的羟基磷灰石膜均匀、完整覆盖陶瓷膜表面；图8是本实施例镁合金微弧氧化处理生成的生物陶瓷膜在Hank’s模拟体液中浸泡21天后的表面SEM图(放大倍数为30000倍)，从图中可看出此时陶瓷膜表面的羟基磷灰石呈典型的蠕虫状形貌。

[0038] 本实施例以磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液为电解液，采用微弧氧化技术在镁合金基体表面制备生物陶瓷膜，陶瓷膜在基体表面原位生长，与基体冶金结合，能在短时间内获得生物陶瓷膜，具有成本低廉，高效节能的优点。制备的生物陶瓷膜表面具有多孔形貌，在模拟体液中浸泡7天至21天后，陶瓷膜表面无腐蚀现象，且陶瓷膜表面生成羟基磷灰石，这表明处理后的镁合金的耐蚀性能显著提高，而且具有很好的生物相容性。

[0039] 实施例3

[0040] (1)以去离子水为溶剂配制磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，每升复合体系溶液中含磷酸钠40g，硅酸钠2g，甘油磷酸钙30g，碳酸钾1g，硼砂8g，用氢氧化钠调节复合体系溶液的pH值为14，然后将复合体系溶液置于电解槽中静置24h后作为电解液；

[0041] (2)将待处理的镁置于步骤(1)所述电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为45℃，调节微弧氧化电源(直流脉冲电源)脉冲频率为2000Hz，占空比为10％，在电压为400V的条件下恒压处理3min，即在镁表面原位生长一层均匀、致密的生物陶瓷膜。

[0042] 本实施例以磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液为电解液，采用微弧氧化技术在镁基体表面制备生物陶瓷膜，陶瓷膜在基体表面原位生长，与基体冶金结合，能在短时间内获得生物陶瓷膜，具有成本低廉，高效节能的优点。制备的生物陶瓷膜表面具有多孔形貌，在模拟体液中浸泡7天至21天后，陶瓷膜表面无腐蚀现象，且陶瓷膜表面生成羟基磷灰石，这表明处理后的镁的耐蚀性能显著提高，而且具有很好的生物相容性。

[0043] 实施例4

[0044] (1)以去离子水为溶剂配制磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，每升复合体系溶液中含磷酸钠5g，硅酸钠30g，甘油磷酸钙5g，碳酸钾15g，硼砂8g，用氢氧化钠调节复合体系溶液的pH值为8，然后将复合体系溶液置于电解槽中静置24h后作为电解液；

[0045] (2)将待处理的镁合金置于步骤(1)所述电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为10℃，调节微弧氧化电源(直流脉冲电源)脉冲频率为100Hz，占空比为55％，在电压为250V的条件下处理120min，即在镁合金表面原位生长一层均匀、致密的生物陶瓷膜。

[0046] 本实施例以磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液为电解液，采用微弧氧化技术在镁合金基体表面制备生物陶瓷膜，陶瓷膜在基体表面原位生长，与基体冶金结合，能在短时间内获得生物陶瓷膜，具有成本低廉，高效节能的优点。制备的生物陶瓷膜表面具有多孔形貌，在模拟体液中浸泡7天至21天后，陶瓷膜表面无腐蚀现象，且陶瓷膜表面生成羟基磷灰石，这表明处理后的镁合金的耐蚀性能显著提高，而且具有很好的生物相容性。

[0047] 实施例5

[0048] (1)以去离子水为溶剂配制磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，每升复合体系溶液中含磷酸钠5g，硅酸钠30g，甘油磷酸钙15g，碳酸钾15g，硼砂5g，用氢氧化钠调节复合体系溶液的pH值为11，然后将复合体系溶液置于电解槽中静置24h后作为电解液；

[0049] (2)将待处理的镁置于步骤(1)所述电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为30℃，调节微弧氧化电源(直流脉冲电源)脉冲频率为300Hz，占空比为30％，在电压为500V的条件下处理60min，即在镁表面原位生长一层均匀、致密的生物陶瓷膜。

[0050] 本实施例以磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液为电解液，采用微弧氧化技术在镁基体表面制备生物陶瓷膜，陶瓷膜在基体表面原位生长，与基体冶金结合，能在短时间内获得生物陶瓷膜，具有成本低廉，高效节能的优点。制备的生物陶瓷膜表面具有多孔形貌，在模拟体液中浸泡7天至21天后，陶瓷膜表面无腐蚀现象，且陶瓷膜表面生成羟基磷灰石，这表明处理后的镁的耐蚀性能显著提高，而且具有很好的生物相容性。

[0051] 实施例6

[0052] (1)以去离子水为溶剂配制磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液，每升复合体系溶液中含磷酸钠40g，硅酸钠2g，甘油磷酸钙30g，碳酸钾1g，硼砂2g，用氢氧化钠调节复合体系溶液的pH值为14，然后将复合体系溶液置于电解槽中静置24h后作为电解液；

[0053] (2)将待处理的镁合金置于步骤(1)所述电解液中作为阳极，不锈钢板作为阴极，控制电解液的温度为45℃，调节微弧氧化电源(直流脉冲电源)脉冲频率为1000Hz，占空比为10％，在电压为250V的条件下处理90min，即在镁合金表面原位生长一层均匀、致密的生物陶瓷膜。

[0054] 本实施例以磷酸盐与硅酸盐复合体系溶液为电解液，采用微弧氧化技术在镁合金基体表面制备生物陶瓷膜，陶瓷膜在基体表面原位生长，与基体冶金结合，能在短时间内获得生物陶瓷膜，具有成本低廉，高效节能的优点。制备的生物陶瓷膜表面具有多孔形貌，在模拟体液中浸泡7天至21天后，陶瓷膜表面无腐蚀现象，且陶瓷膜表面生成羟基磷灰石，这表明处理后的镁合金的耐蚀性能显著提高，而且具有很好的生物相容性。

[0055] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。