一种镍钛合金表面氧化钛生物活性涂层的制备方法.pdf

一种镍钛合金表面氧化钛生物活性涂层的制备方法，属于材料科学与工程技术领域，涉及一种在镍钛合金表面用复合涂层技术制备含钙和磷的微孔二氧化钛涂层的方法。其特征在于，先将镍钛合金电弧离子镀钛，再进行微弧氧化处理。在镀膜阶段，选择纯钛作阴极靶材，弧电流为60～120A，负偏压为脉冲形式；在微弧氧化阶段，将镀钛后的镍钛合金作为阳极挂到电解液中，阴极为不锈钢电解液槽或悬挂在电解液内的不锈钢片，采用双极性脉冲电源进行微弧氧化处理，采用的电解液由乙酸钙、磷酸二氢钠和水组成，在镍钛合金表面制备出含钙和磷的TiO2微孔涂层，以此提高镍钛植入材料的生物活性和与骨的结合力。特别适合在人体硬组织植入材料领域中应用。

1.  一种镍钛合金表面氧化钛生物活性涂层的制备方法，其特征在于，先将镍钛合金放入电弧离子镀设备中进行电弧离子镀钛，然后取出工件再在微弧氧化的电解槽中进行微弧氧化处理；在电弧离子镀钛阶段，选择纯钛作阴极靶材，弧电流为60～120A，负偏压为脉冲形式，幅值、频率和占空比分别为100～800V、5～40kHz、5％～60％，镀膜时间为5～60min；然后将镀钛后的镍钛合金取出并作为微弧氧化的阳极挂到电解液中，阴极为不锈钢电解液槽或悬挂在电解液内的不锈钢片，采用双极性脉冲电源，正向脉冲电压为300～650V、负向脉冲电压为0～100V、脉冲频率为200～800Hz、占空比为5～40％，进行微弧氧化处理，工作液温度为0～40℃，处理时间0～10min，微弧氧化采用的电解液由4～40g/L乙酸钙、3.5～40g/L磷酸二氢钠和水组成。

一种镍钛合金表面氧化钛生物活性涂层的制备方法
技术领域
本发明属于材料科学与工程技术领域，涉及一种镍钛形状记忆合金(NiTi)表面氧化钛生物活性涂层的制备方法，特别涉及一种用电弧离子镀钛与微弧氧化相结合的复合涂层技术在NiTi表面制备含钙和磷的微孔二氧化钛涂层的方法。
背景技术
镍钛形状记忆合金广泛应用于人体硬组织植入材料，然而将其植入到人体中存在着与骨结合强度低、生物活性差、愈合时间长等问题。对镍钛合金进行表面改性，使其表面形成具有良好生物活性、较高界面结合强度的改性涂层，是解决问题的有效途径。钙和磷是人体骨组织重要的无机成分，具有良好的生物相容性及骨引导性，富含钙(Ca)，磷(P)的二氧化钛(TiO₂)多孔涂层，可有效地提高植入材料生物活性，有利于骨组织较快愈合。
微弧氧化方法(MAO)是一种金属表面微孔氧化物涂层制备方法，该方法可制备以基底金属氧化物为主的多孔涂层并与基体形成高强度的冶金结合，但由于镍钛形状记忆合金中Ni和Ti的原子比例接近50％，Ni不是阀金属，其氧化膜性质不稳定，不能直接应用微弧氧化工艺制备涂层。目前国内外尚无直接用微弧氧化法在镍钛合金表面制备含钙和磷成分的二氧化钛微孔涂层的报道。
电弧离子镀技术是离化率最高的离子镀形式，具有沉积速度快，工作温度低，膜基结合力强，膜层均匀致密等优点，已成为工业应用最为广泛的薄膜制备技术。
本发明采用电弧离子镀与微弧氧化涂层制备技术相结合，首先采用电弧离子镀技术在NiTi表面制备一层致密的Ti膜，然后再在此基础上通过微弧氧化方法在镍钛表面制备含钙和磷的TiO₂微孔涂层，以达到提高NiTi植入材料的生物活性和与骨的结合力的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提高NiTi材料表面的生物相容性。通过电弧离子镀技术与微弧氧化技术相结合，提供一种在镍钛合金表面制备含钙和磷、具有较高界面结合强度的TiO₂生物活性多孔涂层的方法。
本发明的技术构思是先应用电弧离子镀技术在镍钛合金表面沉积一层致密的纯钛膜，以预先改变镍钛合金的表面性能，然后再应用微弧氧化技术处理表面的钛膜最终获得生物活性多孔的氧化钛涂层。
本发明的技术解决方案是先将镍钛合金放入电弧离子镀设备中进行电弧离子镀钛，然后取出工件再在微弧氧化的电解槽中进行微弧氧化处理。在电弧离子镀钛的镀膜阶段，选择纯钛作阴极靶材，弧电流为60～120A，负偏压为脉冲形式，幅值、频率和占空比分别为100～800V、5～40kHz、5％～60％，镀膜时间为5～60min；然后将镀钛后的镍钛合金取出并作为微弧氧化的阳极挂到电解液中，阴极为不锈钢电解液槽或悬挂在电解液内的不锈钢片，采用双极性脉冲电源，正向脉冲电压为300～650V、负向脉冲电压为0～100V、脉冲频率为200～800Hz、占空比为5～40％进行微弧氧化，工作液温度为0～40℃，处理时间0～10min，微弧氧化采用的电解液由4～40g/L乙酸钙((CH₃COO)₂Ca·H₂O)和3.5～40g/L磷酸二氢钠(NaH₂PO₄·2H₂O)的水组成。
本发明的效果和益处是通过对镍钛合金进行电弧离子镀钛，然后再进行微弧氧化处理，解决了NiTi合金不是阀金属，难于直接通过微弧氧化处理制备生物活性微孔涂层的问题，从而在NiTi合金表面制备出含钙和磷的TiO₂微孔涂层，本发明方法制备的涂层可提高NiTi合金植入材料生物活性和涂层与基体的界面结合强度。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
将NiTi合金试样清洗、烘干后放入电弧离子镀设备真空室中，将真空抽至10^-2Pa，通氩气到0.5Pa，启钛弧，弧流为60A，加负偏压为800V×20kHz×50％，进行溅射清洗5min，而后负偏压降到300V×20kHz×40％，提高钛弧流到80A开始镀膜，40min后停弧、停气、断电、炉冷30min后，放掉真空取出工件并将镀钛后的合金作为阳极挂到电解液中，阴极为不锈钢电解液槽。采用双极性脉冲电源，正向脉冲电压为400V、负向脉冲电压为60V、脉冲频率为500Hz、占空比为20％进行微弧氧化，工作液温度为10℃，处理时间3min，微弧氧化采用的电解液为(CH₃COO)₂Ca·H₂O和NaH₂PO₄·2H₂O的水溶液，浓度为20g/L(CH₃COO)₂Ca·H₂O、15g/L NaH₂PO₄·2H₂O，其余为水。
本实施方式可在镍钛合金表面形成含钙和磷的生物活性TiO₂多孔涂层，涂层与镍钛合金划痕法结合力大于70N，不易剥离、脱落，具有良好的生物相容性。