钛基生物医用材料的阳极氧化表面改性

张海平(国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心， 江苏 苏州 215000)

钛基生物医用材料的阳极氧化表面改性

张海平(国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心， 江苏 苏州 215000)

生物医用钛及其合金植入体的骨再生能力差，与周围组织结合能力不佳，因而需要通过表面改性技术赋予其相应的生物相容性、生物活性和抗菌性的同时改善其耐磨性和耐蚀性等。本文旨在对钛基生物医用材料的阳极氧化表面改性进行总结和分析，从而为以后的相关专利审查提供参考。

钛;钛合金;阳极氧化;微弧氧化;生物活性

0 引言

钛及其合金由于具有良好的可加工性、机械力学性能、耐腐蚀性能，以及较低的弹性模量和优于其它医用金属的生物相容性而在20世纪40年代被引入生物医学领域，70年代中期开始在医学上获得广泛应用[1]。虽然钛及其合金被广泛用作植入材料，但由于其自身缺乏骨诱导性能，生物活性差，导致植入体使用寿命受到影响，严重影响了钛种植体的稳定性及远期成功率。因此，迫切需要通过表面改性技术赋予钛及其合金相应的生物相容性、生物活性和抗菌性并改善其耐磨性和耐蚀性等性能。

根据材料表面改性层的形成过程机理，钛及其合金表面改性技术一般分为机械方法、化学方法和物理方法三大类[2]。而电化学法(阳极氧化和电泳法等)由于其简便、快速和工艺参数控制灵活等特点而受到广泛关注。本文旨在对电化学法表面改性绝大多数的阳极氧化法进行总结和分析，从而为以后的相关专利审查提供参考。

1 国内阳极氧化直接制备生物活性涂层

中国科学院金属研究所的陶晓杰等人在2005年的专利CN1986003A中公开了一种钛或钛合金表面生物活性涂层及其制备方法，通过对钛及其合金在醋酸钙电解液中阳极氧化、碱处理和热处理，在其表面生成梯度涂层，钙元素的引入增加了膜层的生物相容性，并且由于表面具有粗糙的多孔结构也提高了羟基磷灰石层的结合力以及细胞附着能力。

哈尔滨工业大学的王福平等人在2007年的专利CN101063221A中公开了一种应用NiTi合金直接进行微弧氧化处理的方法，将医用NiTi合金放入酸性或碱性体系中进行双向脉冲微弧氧化，制备得到的陶瓷层与镍钛合金的结合强度高，生物安全性高；刘福等人在2011年的专利CN102492976A中公开了一种在NiTi合金表面制备富含Ca和P多孔二氧化钛氧化膜层的方法，在由磷酸、二氧化钛溶胶、钙盐和乙二醇制备的电解液中进行微弧氧化，制备得到富含Ca和P的多孔二氧化钛氧化膜层的NiTi合金，该NiTi合金生物活性好且与人骨骨性结合良好；2013年，魏大庆等人在专利CN103361703A中将经过喷砂处理的钛材料再用硫酸溶液浸泡后置于氟化铵水溶液中进行阳极氧化后制备得到具有生物活性的表面多级孔结构钛材料。

福建师范大学的肖秀峰等人在2008年的专利CN101311328A中公开了一种制备钛基羟基磷灰石/氧化钛纳米管复合涂层的方法，首先在含HF的二甲亚砜溶液中，通过阳极氧化，在纯钛表面构筑一层氧化钛纳米管阵列膜，然后将氧化钛纳米管阵列膜置于含CaCl2、NaH2PO4、EDTA的水溶液中，在水热条件下诱导羟基磷灰石在纳米管阵列膜表面结晶沉积，从而制得与基体界面具有良好结合强度的羟基磷灰石涂层。

广州南枫生物科技有限公司在2009年的专利CN101624719A中公开了一种用于钛基微弧氧化的电解质溶液及方法，以钛片为阳极，不锈钢为阴极，进行分段式微弧氧化；由此制备的膜层生物活性良好；另外，广州南枫生物科技有限公司还在2009年的专利CN101575726A中公开了采用分段微弧氧化技术在包含有磷酸根、氟离子和钙离子的电解质溶液中直接在钛及钛合金表面原位生成含TiO2/FHA/HA的梯度生物活性膜层，该膜层在在模拟体液中溶解度较小，使材料植入人体后寿命有望延长。

四川大学的廖晓明和尹光福等人在2010年的专利CN101871118A中公开了一种在医用钛表面制备具有多级孔结构二氧化钛层的方法，首先将医用钛在醋酸电解液中采用直流缓慢均速升流模式阳极氧化，然后在硫酸或醋酸钠电解液中采用直流恒压模式二次阳极氧化，得到具有多级孔结构的二氧化钛层，该结构有利于新骨形成。

中国科学院上海硅酸盐研究所的胡红杰等人在2010年的专利CN102371005A中公开了一种锌掺杂多孔纳米氧化钛涂层及其制备方法，在包含有锌元素及至少一种辅助起弧的电解质的电解液中，采用直流脉冲电源对钛或钛合金进行微弧氧化处理，制得的涂层呈多孔纳米结晶结构形态且其中锌元素的含量在0.01～50wt%，该锌掺杂的多孔纳米氧化钛涂层比现有的氧化钛涂层具有更好的生物相容性；另外，中国科学院上海硅酸盐研究所的刘宜勇等人在2014的专利CN104001207A中公开了一种医用钛表面复合涂层及其制备方法，锰掺杂氧化钛改性层为通过微弧氧化处理钛基材表面得到的致密多孔结构，该改性层对革兰氏阴性的大肠杆菌有较明显的抗菌效果。

厦门大博颖精医疗器械有限公司的王周成等人在2012年的专利CN102912357A中公开了一种钛种植体表面制备微纳米结构的方法，其中将进行喷砂酸蚀处理后的医用纯钛作为阳极，在含磷酸二氢钠的含量为1～5g/L，氟化铵或氟化钠的含量为3～15g/L的电解液中进行阳极氧化，制备得到表面具有多级微纳米结构钛种植体。

江苏大学的许晓静等人在2013年的专利CN103014576A

中公开了一种基于组织超细化和阳极氧化的提高TiNi合金生物医用性能的方法，以市购TiNi合金为原材料，对其进行等通道转角大应变加工(ECAP)制得超细晶TiNi合金后在电解液中进行阳极氧化处理，即可使TiNi合金表面具有高抗腐蚀性和高生物活性等优异生物医用性能。

上海交通大学的金学军等人在2014年的专利CN104404602A中提供一种表面多孔NiTi形状记忆合金的制备方法，在 NH4F和(NH4)2SO4的电解液中，采用单步阳极氧化法获得具有独特的连通多孔结构的多孔NiTi形状记忆合金，且该多孔层中Ni含量极低，降低了植入人体后材料表面释放有毒Ni元素的风险。

2 国外阳极氧化直接制备生物改性涂层

日本尼康株式会社的石沢均在1992年的专利JPH0731627A、1993年的专利JPH0747115A和JPH0747116A中公开了先在含钙磷的溶液中进行阳极氧化，再进行水热处理，最终制备得到含有钙磷且与骨组织具有良好亲和力的植入体。

瑞士斯特泰克医学股份公司的V·M·弗劳奇杰等人在2003年的专利US2005019365A1中公开了一种用于医用植入体和假牙的生物活性表面层及其制备方法，在具有钙和磷酸根加入物的电解液中采用等压或等压脉冲和时间性改变电压的火花放电而进行表面改性，从而在钛基体表面形成一种生物活性的、多孔的、有助于骨生成含磷酸钙的表面层。

瑞士士卓曼公司的Michanl Breitenstien等人在2004年的专利US2005113834 A1中公开了一种钛植入体，通过在钛或钛合金表面进行阳极氧化制备得到含有至少一部分为骨接触表面和至少一部分为软组织接触表面的钛植入体。

东京医科牙科大学的福岛修在2006年的专利WO2007018189A1中公开了一种在钛镍合金进行阳极氧化的方法，其中将钛镍摩尔比为48.5∶51.5的合金放入由乙醇、乳酸和水组成的电解液中进行阳极氧化，并通过调节电解液成分和电参数来提高钛镍合金的耐蚀性。

PLUS ORTHOPEDICS 公 司 在2006年 的 专 利WO2007090433A2中公开了一种微弧氧化法制备牙科用骨植入材料，其中将Ti6A14V和Ti6A17Nb合金置于硫酸和磷酸混合电解液中进行微弧氧化，制备得到显著区别与一般纳米/微米多孔结构的微米级氧化膜，该氧化膜由锐钛矿、板钛矿和金红石三相混合而成，耐磨性好且与基体结合力为34MPa。

英国等离子涂料有限公司的A·耶罗克赫因在2008年的专利EP2212453A2中公开了一种形成生物活性涂层的方法，其中将纯钛试样置于含有Ca和P离子的电解质溶液中，同时采用一系列交变极性的电压脉冲施加在钛试样和阴极之间，由于交替的电流脉冲在同一过程中将阳极和阴极处理结合，因而促进Ca和P都引入到涂层中，形成羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)。

德国APP生物材料有限公司的E·丁格尔蒂恩等人在2010年的EP2437798A2中公开了含银抗菌涂层的制备方法，将钛基材通过使用胶体分散系统进行等离子体电解氧化，制备得到Ag-TiO2涂层，该涂层在抗菌效能(甚至对抗多药抗药株)、粘附和生物相容性方面表现出优异的性质。

韩国生物材料有限公司在2011年的专利KR20120126894A中公开了牙移植物，将钛基体放在乙酸钙和磷酸甘油的电解液中进行阳极氧化从而制备表面含有钙-磷沉积物和氧化钛的牙移植物。另外，在2012年的专利KR20130117899A中公开了纳米氧化钛涂层植入体，将植入体放在混合有酸、乙酸钙、β-磷酸甘油和纳米二氧化钛颗粒的电解液中进行阳极氧化后制备得到表面含有钙-磷沉积物、氧化钛和纳米氧化钛颗粒的牙移植物。

韩国奥齿泰植入有限公司在2013年的专利WO2013109078A1中公开了钛基种植体，通过前处理、阳极氧化和热处理制备得到宏观-微观-纳米尺寸的三维结构的、能够促进骨生长和减小康复周期的钛种植体。

俄 罗 斯SARAT T EC H大 学 在2 0 1 4年 的 专 利RU2014120090A中公开了加固钛和钛合金的方法，通过将钛或钛合金置于氢氧化钠或铝酸钠碱性溶液中恒电流微弧氧化制备得到显微硬度得到提高的钛或钛合金。

3 展望

随着人们生活水平的不断提高，人们对植入材料的生物相容性、生物活性、抗菌性、耐磨性和耐蚀性等性能的要求越来越高，这就使得大学、研究院、公司和个人等对这一领域投入更大的热情和精力，相关研发活动日益活跃。另外从上述专利发展趋势来看，虽然近些年国内申请人的专利申请数量已经显著增加，但是占大多数的专利申请还都是高校申请，即属于小规模的试验阶段，远未达到大规模工业化应用水平，而国外主要是公司申请，对于工业化的应用相对而言较成熟，因而我们应正视国内外技术水平差距，在不断学习、研究和借鉴的基础上进一步与国内公司进行合作，将高校和研究院等所具有的雄厚科研技术与公司强大的实际应用生产能力相整合，以期早日实现生物医用钛及其合金的国产化和工业化。

[1]詹文革.生物医用钛及钛合金的研制、生产和应用[J].钛工业进展.2007，24(1):4-8.

[2]刘宣勇.生物医用钛材料及其表面改性[M].化学工业出版社，第1版，2009.1.