一种基于浸渍-热处理法制备氧化锆表面钛酸锶修饰层的方法、产品和应用与流程

本发明涉及氧化锆陶瓷表面改性的，尤其涉及一种基于浸渍-热处理法制备氧化锆表面钛酸锶修饰层的方法、产品和应用。

背景技术：

1、氧化锆陶瓷因其耐腐蚀、化学性质稳定、生物相容性好和机械性能优越等优点，被应用于种植体领域。但氧化锆本身的生物惰性和较弱的骨整合能力严重限制了其种植体产品在临床上的应用推广。为提高氧化锆种植体的生物活性和骨整合能力，临床上常采用喷砂和酸蚀技术，以期提高氧化锆表面粗糙度、增加表面与骨骼的耦合位点和活性官能团数量，但前者易在氧化锆表面造成微裂纹，而后者对化学惰性的氧化锆改性效果极其有限；除了喷砂酸蚀、激光处理、离子注入、仿生沉积和生物改性等技术亦用于对氧化锆种植体的表面改性，但以上技术的改性效果有限，均无法达至理想的改性效果。

2、锶元素对人体骨骼健康起着重要作用，负责提高骨骼强度和保护骨骼健康，是人体的必需元素。在骨缺损治疗方面，锶元素对骨再生和骨修复具有双重调节作用，即：促进成骨细胞增殖分化，同时抑制破骨细胞增殖分化，最终促进骨形成、抑制骨吸收。与生长因子等用于骨再生的因子和药物，锶具有低成本、低风险和良好稳定性等优点，在临床上常用于治疗骨质疏松(雷尼酸锶)和修饰改性人工骨修复材料以提高促成骨能力。除了锶元素，钙、镁和锌等元素(钙和镁均为锶的同族元素)同样具有促进骨形成和骨再生的能力。

3、li等(magnetron sputtering of strontium nanolayer on zirconia implantto enhance osteogenesis,materials science&engineering c,2021.5.19)公开了一种通过磁控溅射法在氧化锆植入体上沉积锶纳米层以增强成骨作用，该技术方案中采用物理沉积的方式在氧化锆植入体表面沉积纳米钛酸锶涂层，但制备得到的纳米钛酸锶涂层厚度高达400nm，而涂层中sr含量却仅有1.16±0.18at％(图3)，而且亲水性提升也相当有限，其视接触角仍高达87±9°。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明公开了一种在氧化锆种植体表面构建钛酸锶修饰层的方法，在氧化锆陶瓷表面制备的钛酸锶层紧密附着于氧化锆基底，具有高亲水性，有利于人体内蛋白质和细胞等的黏附，同时对人体的细胞组织无毒性和腐蚀性，可长期释放锶离子等活性因子以促进植入处的骨形成和骨再生，最终增强氧化锆种植体的骨整合能力，为氧化锆种植体表面改性提供崭新的技术体系，以促进氧化锆种植体的进一步发展和深入应用。

2、具体技术方案如下：

3、一种基于浸渍-热处理法制备氧化锆表面钛酸锶修饰层的方法，包括：

4、(1)将硫酸钛、尿素与水混合得到前驱体液a，将氧化锆陶瓷置于前驱体液a中，加热至沸腾状态下保持一段时间，再将氧化锆陶瓷取出，经热处理a后，在氧化锆表面制备得到二氧化钛膜；

5、(2)将h2o2水溶液、氨水和去离子水混合，加入偏钛酸搅拌溶解，得到前驱体液b，将制备有二氧化钛膜的氧化锆置于前驱体液b中，在室温环境内静置反应一段时间，沉积得到修饰有二氧化钛前驱体层的氧化锆；

6、(3)将乙酸锶，或者是乙酸钙和/或乙酸镁与乙酸锶组成的混合盐溶于去离子水中，得到浸渍处理液，将修饰有二氧化钛前驱体层的氧化锆置于浸渍处理液中，静置反应一段时间后取出，经热处理b后，在氧化锆表面制备得到钛酸锶修饰层。

7、本发明通过浸渍-热处理法在氧化锆陶瓷表面沉积两层二氧化钛层，通过不同的制备工艺赋予两层二氧化钛层不同的形貌结构与反应活性，再通过引入的盐溶液种类的不同，对原位生成的钛酸锶修饰层的组分、形貌和结构等进行调控，最终在氧化锆表面制备得到与基底紧密结合的含有钙、镁等促成骨活性元素的钛酸锶层，经该钛酸锶层修饰的氧化锆种植体，不仅具有高亲水性，有利于人体内蛋白质和细胞等的黏附，还在植入人体后可在患处长期释放锶离子、钙离子和镁离子等等以促进新骨组织的形成，其骨整合能力明显提高。

8、经试验发现，若仅沉积一层二氧化钛层，将无法在氧化锆陶瓷表面制备得到钛酸锶修饰层；而若改变步骤(1)中所选钛源，如将硫酸钛替换为钛酸四丁酯，则无法沉积得到二氧化钛层；而若将步骤(3)的热处理工艺替换为水热法，则无法将二氧化钛原位转化为钛酸锶，同时还会导致二氧化钛层从氧化锆表面剥落脱离。

9、步骤(1)中：

10、硫酸钛和尿素的组合可以保证前驱体液a在常温下稳定，只有在加热条件下分解才会缓慢提供碱性氛围与钛离子结合生成沉淀，稳定控制反应进程。

11、优选的：

12、硫酸钛与尿素的摩尔比为1：(1～7)，进一步优选为1：(3～7)。

13、前驱体液a中硫酸钛的浓度为0.1～1.0mol/l，进一步优选为0.3～1.0mol/l。

14、步骤(1)中，加热至沸腾状态下保持5～40min，使钛形成沉淀。

15、优选的，所述热处理a，热处理温度为800～1000℃，保温时间为10～60min；

16、进一步优选，所述热处理a，热处理温度为850～950℃。

17、偏钛酸(h2tio3)不溶于去离子水，但溶于h2o2/氨水的混合溶液，步骤(2)中，将偏钛酸加入前驱体液b中会转化为过钛酸铵溶液，并在室温静置环境下缓慢发生降解，得到二氧化钛前驱体层，即第二层二氧化钛层。

18、优选的：

19、以h2o2水溶液中h2o2的摩尔数计，h2o2水溶液与偏钛酸的摩尔比为(3.7～5.2)：1；

20、经试验发现，若本步骤中加入的h2o2过多，会抑制二氧化钛前驱体层的生成，导致钛酸锶的生成率过低。

21、优选的：

22、以氨水中铵根离子的摩尔数计，氨水与偏钛酸的摩尔比为(2.0～2.4)：1；

23、前驱体液b中偏钛酸的浓度为0.02～0.20g/ml，进一步优选为0.07～0.12g/ml。

24、步骤(2)中，在室温环境内静置反应6～48h。

25、步骤(3)中，将修饰有二氧化钛前驱体层的氧化锆置于浸渍处理液中静置时，浸渍处理液中的乙酸锶、乙酸钙、乙酸镁等乙酸盐会吸附并进入到二氧化钛前驱体层中；在热处理阶段，乙酸盐中的锶离子、钙离子和镁离子等则会在高温下与二氧化钛发生固相反应，生成钛酸锶或钙、镁固溶的钛酸锶。

26、优选的，所述浸渍处理液中，盐浓度为0.05～0.5mol/l；进一步优选为0.15～0.2mol/l。

27、本步骤中，当仅加入乙酸锶时，盐浓度即为乙酸锶的浓度；

28、当加入的为乙酸钙和/或乙酸镁与乙酸锶组成的混合盐时，盐浓度即为混合盐的总浓度。

29、经试验发现，本步骤中，适合的锶盐、钙盐和镁盐仅为乙酸盐；若替换为硝酸盐，以硝酸锶为例，制备得到钛酸锶修饰层的形貌均一性差，且表面出现较多的突起和棱角，不利于细胞的早期黏附。

30、步骤(3)中，静置反应6～48h；

31、优选的：

32、所述热处理b，热处理温度为600～800℃，保温时间为1～5h，升温速率为1～3℃/min；经试验发现，当升温速率过大，如5℃/min时，制备的钛酸锶修饰层的整体结构较为松散，易从氧化锆表面脱落。

33、进一步优选，热处理温度为700～800℃，保温时间为1～2h，升温速率为1.5～3.0℃/min。

34、当该升温速率小于1.5℃/min时，制备的钛酸锶修饰层形貌无明显差异，但所需升温时间更长，能耗明显增多。

35、本发明还公开了根据所述的方法制备的表面覆盖有钛酸锶修饰层的氧化锆。

36、当步骤(3)中加入的仅为乙酸锶时，制备得到的钛酸锶修饰层为平铺于氧化锆表面均匀分布的颗粒层，厚度约150nm，由于热处理过程中升温速率的不同会引起烧结状态的差异，不同制备条件下钛酸锶层的具体形貌有所不同。当热处理b的升温速率为1～3℃/min，此时主要发生液相烧结，钛酸锶层主要由玻璃相结构和分散于其间的粒径20～40nm的纳米颗粒组成，表面相对光滑，所含气孔和缺陷的尺寸与数量最少；当升温速率大于3℃/min时，液相烧结减少，钛酸锶层由尺寸150～200nm的玻璃相区域和粒径40～60nm的纳米颗粒交错组成，整体结构较为松散，致密度下降，缺陷增多，容易在植入过程和人体环境内发生破损和剥落。

37、当步骤(3)中加入的为乙酸锶和乙酸钙时，制备的为钙固溶钛酸锶修饰层，此时的钛酸锶修饰层厚约150nm，由40～60nm的纳米颗粒组成，同时颗粒间出现明显的烧结颈部，气孔呈连续通道状分布于晶粒边缘。

38、当步骤(3)中加入的为乙酸锶和乙酸镁时，制备的为镁固溶钛酸锶修饰层，此时的钛酸锶层厚约为150～200nm，表面由20～60nm的纳米颗粒组成，其中，大量20～30nm的纳米颗粒间发生环形团聚，部分40～60nm的纳米颗粒间出现烧结颈部，但烧结程度不高。

39、当步骤(3)中加入的为乙酸锶、乙酸钙和乙酸镁时，制备的为镁钙共固溶钛酸锶修饰层，此时的钛酸锶修饰层厚约250nm，由10～20nm的小颗粒和50～100nm的大颗粒组成，两类尺寸的纳米颗粒各自团聚并紧密堆积，推测是由于钙和镁元素的固溶引起区域内组分不均匀，导致出现两种纳米颗粒聚集态。

40、本发明还公开了所述的表面覆盖有钛酸锶修饰层的氧化锆在生物植入体材料领域的应用

41、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

42、本发明公开了一种在氧化锆种植体表面构建钛酸锶修饰层的方法，通过浸渍-热处理法在氧化锆表面成功制备一层钛酸锶修饰层，并通过控制热处理制度和引入的盐的种类，对钛酸锶层的组分、形貌和结构等进行调控，最终在氧化锆表面制备得到紧密附着在基底表面、形貌和组分可控的钛酸锶修饰层。

43、本发明在氧化锆表面制备的钛酸锶修饰层，厚度约为150～250nm，在不同制备条件下由不同粒径的纳米颗粒和不同尺寸的玻璃相结构组成；钛酸锶层紧密附着在氧化锆基底上，无明显缺陷，不易破损或发生剥落，同时具有较高的亲水性，有利于植入早期蛋白质和细胞的黏附；钛酸锶层(固溶有钙、镁等元素)将促成骨活性元素锶、钙和镁等引入氧化锆种植体表面，并在植入人体后长期向植入处释放锶离子、钙离子和镁离子等促进成骨细胞的增殖分化和新骨组织的形成，进而提高氧化锆种植体的骨整合能力和种植成功率；钛酸锶已在钛种植体表面改性领域得到应用以及安全性与促成骨性的证明，对人体无毒性、无腐蚀性，安全系数高，且相对稳定，不易发生分解解离，能够长期植入复杂的人体环境内，生物相容性佳；此外钙和镁元素均为人体所必需的重要元素，和锶一样对骨形成与骨再生起到重要作用。综上，钛酸锶修饰层的高亲水性表面能够为植入早期的蛋白质和细胞提供较好的黏附环境，其所含的锶离子、钙离子和镁离子等等活性离子则能够通过刺激成骨细胞增殖分化以促进新骨生成，进而提高氧化锆种植体的骨整合能力，增强其植入治疗效果，为氧化锆种植体表面改性提供崭新的改性方案和思路。