CN101856511A - 一种氟磷灰石涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氟磷灰石涂层，经离子包覆凝胶的配制、屏蔽层凝胶的配制以及生物矿化过程制得。本发明的氟磷灰石涂层具有较高的生物活性、生物相容性及骨结合能力，有效克服了现有植入材料的不足。

Description

一种氟磷灰石涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于材料科学、仿生学和生物医学的交叉领域，涉及一种模拟人体内环境，采用生物矿化法制备的氟磷灰石涂层。

背景技术

目前，医学上常用的人体硬组织修复和植入材料多为具有较好的综合力学性能和优良的加工性能的金属材料，如医用不锈钢、钛及其合金、钴铬钼合金。由于金属材料在人体内生物相容性及耐腐蚀性能较差，且腐蚀产生的金属离子对人体组织器官会产生不良影响等因素，通常对此类材料进行表面改性或修饰后再进行临床应用。磷灰石(含羟基磷灰石(HAP)、氟磷灰石(FAP)和碳酸磷灰石)是脊椎类动物骨和牙齿的主要无机成分，具有优良的生物活性和生物相容性。采用各种表面改性技术将磷灰石涂覆在植入材料基体表面形成涂层，能充分结合这两类材料的优点。人工制备的HAP在体液中有一定溶解度，长期稳定性不佳。FAP是HAP的OH-被F-完全取代的产物，多存在于牙的无机相中。与HAP相比，由于F-体积比OH-基团体积小，使得FAP晶体结构更紧密，在人体内的溶解度较小，且耐酸碱度更好，故可以替代HAP，作为涂层材料。生物矿化是指在生命体内进行的，以有机大分子，如蛋白质、DNA、磷脂膜为模板，调控无机相形成并生长的结构过程。采用生物矿化制备磷灰石涂层，在与人体组织内环境相近的条件下，生成的磷灰石成分更接近人体的骨无机质，具有高的生物相容性和骨结合能力；而且反应进行的温和环境，为共沉积蛋白质等生物大分子提供了条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物相容性和生物活性优异，在体内长期稳定存在，且与基体结合牢固的、在临床医学上获得实际应用的涂层材料——氟磷灰石涂层，其有效克服了现有植入材料的不足。

本发明所述氟磷灰石涂层的制备过程是，首先要配制生物矿化所需凝胶，凝胶分为两层，分别为离子包覆凝胶和屏蔽层凝胶；然后对上述生物矿化凝胶进行氟磷灰石涂层的仿生制备。

具体的，本发明所述氟磷灰石涂层由以下方法制得：

1)向蒸馏水中按酸碱体积比3∶2加入2mol/l的AcOH和2mol/l的NaOH；按磷和氟的原子摩尔比为3∶1的量分别称量NaF和Na₂HPO₄·12H₂O，先后溶解于上述溶液中，然后按丙三醇与上述H₂O+AcOH+NaOH的质量比为40-50％的量加入体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，按明胶与上述丙三醇+H₂O+AcOH+NaOH的质量比为10-25％的量加入明胶，待其吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，搅拌至完全溶解，冷却至室温，制得包覆HPO₄ ^-和F^-的离子凝胶；

2)取与步骤1)中所述蒸馏水+AcOH+NaOH体积量相等的蒸馏水，加入与步骤1)中相等量的体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，加入与步骤1)中相等量的明胶，待其吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，搅拌至完全溶解，冷却至室温，制得屏蔽层凝胶；

3)先将设定体积的基片置于聚四氟乙烯管中，然后将步骤1)所得的凝胶涂覆在基片上，凝胶厚度设为2-3mm；待上述凝胶冷却后，再将步骤2)所得屏蔽层凝胶涂覆在基片上，凝胶厚度设为2-3mm，放置至完全冷却凝固；

4)配制0.3125-0.625mol/l的中性无水氯化钙溶液，加入步骤3)所述的聚四氟乙烯管中，浸泡涂覆凝胶的基片0.5-1h，然后倒掉无水氯化钙溶液；

5)将步骤3)和4)所述反应体系置于37℃的水浴中，反应24h后重复步骤4)一次；反应48h后，取出基片，去除基片上的残余凝胶；

6)以上述步骤3)、4)和5)为一个循环，如此反复进行设定次数的循环，涂层的厚度随着循环次数的增加而增加，再经过自然干燥，即获得设定厚度的氟磷灰石涂层。

其中：

步骤3)所述的基片优选烧结羟基磷灰石基片、牙齿切片或钛及其合金薄片。

步骤4)所述中性无水氯化钙溶液的浓度优选0.3125mol/l。

本发明所述氟磷灰石涂层及其制备中，采用生物矿化方法，模拟人体内磷灰石形成条件，明胶水解后的多肽为氟磷灰石提供形核位点，并控制氟磷灰石的晶体生长。涂层的厚度随着反应时间的延长而增加，制备的涂层中残存有少量明胶或其水解产物，直接或者经低温烧结处理后植入体内，明胶经分解或者烧结后留下的孔隙可为骨生长提供空间，具有较高的生物活性、生物相容性及骨结合能力，有效克服了现有植入材料的不足。

具体实施方式

实施例1

1)向7.3ml的蒸馏水中加入2.7ml的AcOH(2mol/l)和1.8ml的NaOH(2mol/l)溶液，称量0.0525g NaF和1.3425g Na₂HPO₄·12H₂O粉末，先后溶解于上述溶液，然后加入8.2g体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，加入2.25g的明胶，待吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，完全溶解并搅拌均匀，冷却至室温制得离子包覆凝胶；

2)向11.8ml的蒸馏水中，加入8.2g体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，加入2.25g的明胶，待吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，完全溶解并搅拌均匀，冷却至室温制得屏蔽层凝胶；

3)将步骤1)和2)所得的凝胶先后涂覆在聚四氟乙烯管中的烧结HAP基片上，厚度均为2-3mm；

4)将反应体系置于温度为37℃的水浴中，向聚四氟乙烯管中加入10ml的0.3125mol/1的中性无水氯化钙溶液，浸泡0.5h后，将溶液倒掉；

5)反应体系始终置于37℃的水浴中，每隔24h重复用中性无水氯化钙溶液浸泡一次，反应48h后，取出基片，去除基片上的残余凝胶；

6)以上述步骤3)、4)和5)为一个循环，如此反复进行18个循环，获得一定厚度的氟磷灰石涂层。

经测定，获得氟磷灰石涂层平均厚度为45μm，与基体结合紧密，纳米压痕硬度测试显示，仿生法所制备涂层的硬度接近牙本质的硬度。

实施例2

1)向7.3ml的蒸馏水中加入2.7ml的AcOH(2mol/l)和1.8ml的NaOH(2mol/l)溶液，称量0.0525g NaF和1.3425g Na₂HPO₄·12H₂O粉末，先后溶解于上述溶液，然后加入8.2g体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，加入2.5g的明胶，待吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，完全溶解并搅拌均匀，冷却至室温制得离子包覆凝胶；

2)向11.8ml的蒸馏水中，加入8.2g体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，加入2.5g的明胶，待吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，完全溶解并搅拌均匀，冷却至室温制得屏蔽层凝胶；

3)将步骤1)和2)所得的凝胶先后涂覆在聚四氟乙烯管中的烧结HAP基片上，厚度均为2-3mm；

4)将反应体系置于温度为37℃的水浴中，向聚四氟乙烯管中加入10ml的0.3125mol/l的中性无水氯化钙溶液，浸泡1h后，将溶液倒掉；

5)反应体系始终置于37℃的水浴中，每隔24h重复用中性无水氯化钙溶液浸泡一次，涂覆在基片上的两层凝胶每隔48h去除一次；

6)以上述步骤3)、4)和5)为一个循环，如此反复进行3个循环，获得一定厚度的氟磷灰石涂层。

7)所得氟磷灰石涂层经800℃热处理30min。

经测定，获得氟磷灰石涂层平均厚度为4μm，与基体结合紧密，800℃热处理的涂层出现均匀的孔隙结构。

实施例3

1)向36.5ml蒸馏水中按酸碱体积比3∶2加入2mol/l的AcOH和2mol/l的NaOH；按磷和氟的原子摩尔比为3∶1的量分别称量NaF和Na₂HPO₄·12H₂O，先后溶解于上述溶液中，然后按丙三醇与上述H₂O+AcOH+NaOH的质量比为45％的量加入体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，按明胶与上述丙三醇+H₂O+AcOH+NaOH的质量比为20％的量加入明胶，待其吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，搅拌至完全溶解，冷却至室温，制得包覆HPO₄ ^-和F^-的离子凝胶；

2)取与步骤1)中所述蒸馏水+AcOH+NaOH体积量相等的蒸馏水，加入与步骤1)中相等量的体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，加入与步骤1)中相等量的明胶，待其吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，搅拌至完全溶解，冷却至室温，制得屏蔽层凝胶；

3)先将设定体积的牙齿切片或钛薄片置于聚四氟乙烯管中，然后将步骤1)所得的凝胶涂覆在基片上，凝胶厚度设为2-3mm；待上述凝胶冷却后，再将步骤2)所得屏蔽层凝胶涂覆在基片上，凝胶厚度设为2-3mm，放置至完全冷却凝固；

4)配制0.625mol/l的中性无水氯化钙溶液，加入步骤3)所述的聚四氟乙烯管中，浸泡涂覆凝胶的基片1h，然后倒掉无水氯化钙溶液；

5)将步骤3)和4)所述反应体系置于37℃的水浴中，反应24h后重复步骤4)一次；反应48h后，取出基片，去除基片上的残余凝胶；

6)以上述步骤3)、4)和5)为一个循环，如此反复进行10个循环，再经过自然干燥，即获得设定厚度的氟磷灰石涂层。

Claims (3)

1.一种氟磷灰石涂层，其特征在于由以下方法制得：

1)向蒸馏水中按酸碱体积比3∶2加入2mol/l的AcOH和2mol/l的NaOH；按磷和氟的原子摩尔比为3∶1的量分别称量NaF和Na₂HPO₄·12H₂O，先后溶解于上述溶液中，然后按丙三醇与上述H₂O+AcOH+NaOH的质量比为40-50％的量加入体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，按明胶与上述丙三醇+H₂O+AcOH+NaOH的质量比为10-25％的量加入明胶，待其吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，搅拌至完全溶解，冷却至室温，制得包覆HPO₄ ^-和F^-的离子凝胶；

2)取与步骤1)中所述蒸馏水+AcOH+NaOH体积量相等的蒸馏水，加入与步骤1)中相等量的体积分数为85％的丙三醇，搅拌均匀后，加入与步骤1)中相等量的明胶，待其吸水膨胀软化后，水浴加热到60℃，搅拌至完全溶解，冷却至室温，制得屏蔽层凝胶；

3)先将设定体积的基片置于聚四氟乙烯管中，然后将步骤1)所得的凝胶涂覆在基片上，凝胶厚度设为2-3mm；待上述凝胶冷却后，再将步骤2)所得屏蔽层凝胶涂覆在基片上，凝胶厚度设为2-3mm，放置至完全冷却凝固；

4)配制0.3125-0.625mol/l的中性无水氯化钙溶液，加入步骤3)所述的聚四氟乙烯管中，浸泡涂覆凝胶的基片0.5-1h，然后倒掉无水氯化钙溶液；

5)将步骤3)和4)所述反应体系置于37℃的水浴中，反应24h后重复步骤4)一次；反应48h后，取出基片，去除基片上的残余凝胶；

6)以上述步骤3)、4)和5)为一个循环，如此反复进行设定次数的循环，涂层的厚度随着循环次数的增加而增加，再经过自然干燥，即获得设定厚度的氟磷灰石涂层。

2.如权利要求1所述的氟磷灰石涂层，其特征在于：步骤3)所述的基片是烧结羟基磷灰石基片、牙齿切片或钛及其合金薄片。

3.如权利要求1所述的氟磷灰石涂层，其特征在于：步骤4)所述中性无水氯化钙溶液的浓度为0.3125mol/l。