CN102019271A - 钛合金表面沉积硅酸锌钙生物涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金表面沉积硅酸锌钙生物涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)前驱体溶液的制备：将硅酸锌钙溶于无水乙醇中，然后超声处理20～30分钟，配制成浓度为0.01-0.1g/ml的前驱体溶液；(2)制备硅酸锌钙生物活性涂层：将前驱液注入注射针筒，注射泵以一定注射速率推进针筒，通过控制沉积时间，在基片上形成一定厚度的硅酸锌钙生物活性涂层。本发明工艺设备简单，不需要高真空设备，在常压下即可进行；能大面积沉积薄膜，并可在立体表面沉积，沉积速率高，易实现工业生产。

Description

钛合金表面沉积硅酸锌钙生物涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种硅酸锌钙生物涂层的制备方法，特别是涉及一种钛合金表面沉积硅酸锌钙生物涂层的制备方法。

背景技术

医用金属材料是骨科植入物如人工髋关节、膝关节、人工骨等的主要材料。钛及钛合金自上世纪50年代开始被用作生物医用材料，其具有优良的生物相容性，无毒、不致癌、不致畸、不诱发变态反应，与机体组织有良好的亲和性；同时具有优良的力学性能，强度适中，有利于骨界面力的传导，可以防止因过分的应力集中所带来的危害；并且具有良好的抗腐蚀性能，其表面紧密附着的钝化膜能抵御多种介质(组织液、唾液)的腐蚀。因此，钛及钛合金以其在力学性能、生物相容性以及耐腐蚀方面的优良特性已用于人体硬组织植入物如人工关节、骨折固定器等领域。但将其直接植入到人体中后，还是存在一些问题，这是因为钛及其表面自然生成的氧化膜是生物惰性的，在植入早期很难与组织形成连接并促进新生骨在表面的生成，从而表现出与骨结合力低、生物活性差、愈合时间长等。为了解决这些问题，可以对其表面进行生物活性涂层的修饰改善。

目前常用于改善钛和钛合金生物活性的表面改性方法有涂覆生物活性涂层、碱处理以及离子注入等方法。其中表面涂层材料是研究的热点，该技术是在金属基材料表面采用不同的方法制备各种生物涂层，这些涂层既能保持金属材料的高强度、高韧性的力学特性，又可使金属表面具有生物陶瓷的高生物相容性和高生物活性等优点。目前作为生物活性陶瓷涂层主要有羟基磷灰石、透辉石、β一磷酸三钙以及生物活性玻璃等。文献报道了一种生物活性涂层-钛合金人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于钛合金人工骨及人工关节柄部和髋臼部表面涂覆一层底釉，该底釉外表再涂复一层生物活性材料，生物活性材料由羧基磷灰石及生物活性微晶玻璃组成。文献报道了表面有二氧化钛涂层的钛合金生物医学复合材料及其制备方法，该生物医学复合材料解决了生物涂层与钛合金基体的界面结合问题，同时还进一步提高了钛合金表面的耐磨耐腐蚀性和血液相容性。研究表明硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)对成骨细胞有增殖、分化的能力，而且掺杂锌离子能够提高其机械性能，但是目前其还没有报道其应用到生物涂层中。本方法利用其生物相容性以及力学性能等优点用于钛合金表面的生物涂层。

目前已开发的金属基表面沉积的方法有溅射、溶胶-凝胶(Sol-G el)、水热法、电化学沉积法以及喷雾热解法等。静电雾化沉积制备薄膜技术(Electrostatic Spray Deposition，ESD)是近年来从静电喷涂发展过来的薄膜制备技术。该技术通过在喷嘴与基片之间加强电场，使喷嘴射出的液滴受到在几千伏的高压静电引力与内部库仑斥力的双重作用被雾化，分散并沉积到收集基片上，形成薄膜。静电雾化沉积制备薄膜技术的优势是：薄膜组分调节和控制简单，沉积效率高，可以实现定向沉积，系统不需要抽真空，沉积反应室简单，整个设备系统简单易于操作。目前静电雾化沉积技术(ESD)大多用于制备金属氧化物薄膜，在金属基上沉积生物活性涂层的制备还比较少。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)生物活性材料沉积到钛合金表面上的制备技术，该技术仪器设备简单，工艺简便，能够得到厚度可控的生物涂层。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种钛合金表面沉积硅酸锌钙生物涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)前驱体溶液的制备

将硅酸锌钙溶于无水乙醇中，然后超声处理20～30分钟，配制成浓度为0.01-0.1g/ml的前驱体溶液；

(2)制备硅酸锌钙生物活性涂层

将前驱液注入注射针筒，注射泵以注射速率为0.1-0.2ml/分钟推进针筒，沉积时间为10-20分钟，在基片上形成硅酸锌钙生物活性涂层。

所述前驱体溶液配制浓度可为0.1g/ml。

所述的注射速率可为0.2ml/分钟；所述的沉积时间可为20分钟。

本发明提出的沉积方法工艺设备简单，不需要高真空设备，在常压下即可进行；能大面积沉积薄膜，并可在立体表面沉积，沉积速率高，易实现工业生产；可选择的前驱物较多，容易控制薄膜的化学计量比；搀杂容易并可改变前物溶液中组分的浓度制备多层膜或组分梯度膜等；通过调节雾化参数可控制涂层的厚度，克服溶胶一凝胶法难于制备厚膜的不足；沉积温度大多在600℃以下，相对较低。

附图说明

图1是本发明硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)生物活性涂层扫描电镜图。

具体实施方式

以下实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1不同厚度硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)生物活性涂层的制备

(1)前驱液配制

按照质量体积比10∶1，称取0.56克硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)置入5.6毫升无水乙醇中，然后超声处理20分钟制备成前驱液。

(2)硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)生物活性涂层的制备

将前驱液装入1ml针筒中，针筒泵注射速率为0.2ml分钟，针尖到基片的距离为20mm，高压恒定在13.0KV，沉积时间分别10分钟和20分钟。

由图1场发射扫描电子显微镜观察表明由静电喷雾沉积制得的涂层均匀。

实施例2不同注射速率条件下硅酸锌钙(Ca2ZnSi2O7)生物活性涂层的制备

(1)前驱液配制

按照质量体积比10∶1，称取0.56克硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)置入5.6毫升无水乙醇中，然后超声处理20分制备成前驱液。

(2)硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)生物活性涂层的制备

将前驱液装入1毫升针筒中，针筒泵注射速率为0.1ml/分钟，针尖到基片的距离为20毫米，高压恒定在13.0KV，沉积时间分别20分钟。

实施例3不同浓度前驱体溶液制备硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)生物活性涂层

(1)前驱液配制

分别称取0.056g、0.14g、0.28g硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)置入5.6ml无水乙醇中，然后超声处理20分钟制备成前驱液。

(2)硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)生物活性涂层的制备

将前驱液装入1ml针筒中，针筒泵注射速率为0.2ml/分钟，针尖到基片的距离为20mm，高压恒定在13.0KV，沉积时间分别20分钟。

随着前驱液浓度的增大，硅酸锌钙(Ca₂ZnSi₂O₇)生物活性涂层的厚度逐渐增厚。

Claims (3)

1.钛合金表面沉积硅酸锌钙生物涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)前驱体溶液的制备

将硅酸锌钙溶于无水乙醇中，然后超声处理20～30分钟，配制成浓度为0.01-0.1g/ml的前驱体溶液；

(2)制备硅酸锌钙生物活性涂层

将前驱液注入注射针筒，注射泵以注射速率为0.1-0.2ml/分钟推进针筒，沉积时间为10-20分钟，在基片上形成硅酸锌钙生物活性涂层。

2.根据权利要求1所述的钛合金表面沉积硅酸锌钙生物涂层的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液配制浓度为0.1g/ml。

3.根据权利要求1或2所述的钛合金表面沉积硅酸锌钙生物涂层的制备方法，其特征在于，所述的注射速率为0.2ml/分钟；所述的沉积时间为20分钟。

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