CN102302799A - 一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层的制备方法，更确切地说涉及的是钛合金(Ti-6Al-4V)基人工关节柄上沉积钙镁硅系生物活性陶瓷涂层构成的陶瓷涂层/钛合金基人工关节柄承载骨修复材料及制备方法，属于医用生物材料领域。其特征在于钙镁硅多相陶瓷涂层的主晶相是镁黄长石、硅酸二钙和硅酸钙，同时有少量玻璃相存在。制备过程中初选颗粒形状为块状或粒状(长径比小)的多相陶瓷粉体原料，再通过采用喷雾干燥法粉体造粒球化、筛分等手段制备出适合喷涂用的球形目的粉料，球化后极大地改善了粉体的流动性。而后采用等离子喷涂技术将球化后的钙镁硅多相陶瓷粉体喷涂于已清洗和喷砂的钛基人工关节柄上，并对所得涂层进行后热处理以提高其结晶度和稳定性。钛基钙镁硅多相陶瓷涂层的结合强度约为35MPa，远远高于临床使用的钛基HA涂层的结合强度(约18MPa)。生物实验表明本发明提供的承载钛基人工关节柄/陶瓷涂层复合骨修复材料具有优异的生物活性和细胞相容性。

Description

一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层的制备方法，更确切地说涉及的是钛合金(Ti-6Al-4V)基人工关节柄上沉积钙镁硅系生物活性陶瓷涂层构成的陶瓷涂层/钛合金基人工关节柄承载骨修复材料及其制备方法，属于医用生物材料领域。

背景技术

金属材料由于具有良好的力学性能和生物相容性，在医学临床上已被广泛应用于人体某些器官的加固、修复和替代。与其他金属相比，钛及其合金具有优良的生物相容性，耐腐蚀性及质量轻、强度高，与骨相近的弹性模量等特点，已成为最有发展前景的医用金属材料之一。然而，钛合金生物惰性的特点，使其植入人体后，存在种种副反应，且与人体组织间不能形成骨性结合，导致植入失败。临床上通常通过对钛合金表面改性来改善钛合金的生物相容性、抗腐蚀性，增强其与活体组织的结合力，提高其使用的安全性和寿命。钛合金表面改性的方法之一是在钛合金表面涂覆一层生物活性陶瓷涂层，这样结合了钛合金的力学性能和生物活性陶瓷生物活性的优点，使两类材料的优势得到很好的发挥。

利用等离子体喷涂技术将生物活性陶瓷喷涂于钛合金基体上是目前制备钛合金/陶瓷涂层复合承载骨替换材料最常用的方法之一。羟基磷灰石陶瓷(HA)与自然骨的无机成分相似，具有优异的生物活性。因此，目前以等离子体喷涂Ti-6Al-4V(TC4)合金基羟基磷灰石涂层复合骨修复材料的研究和临床应用最为广泛[J Mater Sci.: Mater Med 2000, 11: 183–190]。然而，HA在喷涂过程中易分解，所得涂层的结晶度低而在体液中易于溶解而不稳定。另外，因HA(13.7×10^?6 ℃^-1)和常用钛合金TC4的热膨胀系数差异(11.0-12.0×10^?6 ℃^-1)非常大，涂层与基体间存在很大的热应力，致使涂层中存在贯穿颗粒的微裂纹，涂层易剥落而破坏涂层与骨组织的结合界面，进而引起整个假体的失效[Biomaterials 1998, 19: 2015-2 029; J Mater Res 1996, 11: 680-686]。虽然材料工作者采用大量的措施努力改善它，如复合涂层和梯度涂层的研制，但未取得满意的结果。

另外，对于金属/陶瓷涂层复合体而言，如果瓷粉的热膨胀系数比金属基体大，则在冷却时陶瓷涂层比金属收缩速度快，金属将阻碍瓷层的收缩而在瓷层中产生了张应力。当此张应力超过瓷层的抗张强度极限时，瓷层中即出现裂纹。如果瓷粉的热膨胀系数比金属小太多，则瓷层比金属收缩慢，瓷层中则产生很大的压应力而发生脱瓷现象。瓷层的抗压强度几乎比其抗张强度大15-20倍。因此，压应力的危险性比张应力小得多，这也是钛合金基HA涂层易脱落的重要原因之一，故而在实践中一般应当力求瓷层材料的热膨胀系数比金属略小。

近年来，大量研究表明CaO-MgO-SiO₂系生物活性陶瓷具有较高的力学性能，离子产物(钙、镁、硅等的离子混合液)能够激活与新骨形成相关基因的表达，促进细胞的增殖和分化，且在动物体内能诱导骨形成、促进骨修复[Biomaterials 2009, 30: 5041–5048; J Mater Sci: Mater Med 1999, 10: 475-479]。此外，Tulyaganov等人研究发现CaO-MgO-SiO₂系陶瓷材料的抗弯强度可达116–141 MPa，热膨胀系数为9.4–14.0×10^?6 ℃^?1 [J Eur Ceram Soc 2006, 26:1463-1471]，这极有可能满足用作钛基人工关节柄用陶瓷涂层的要求。

在充分分析钛合金基HA涂层失效原因和CaO-MgO-SiO₂系生物活性陶瓷性能的基础上，发明人在前期研究中首次设计制备了一种钙镁硅多相复合陶瓷(命名为MC2，理论化学组成(wt%)：43.19% CaO-7.68% MgO-49.13% SiO₂，含有镁黄长石、硅酸二钙和硅酸钙三种晶体相)，其热膨胀系数为10.79×10^-6 ℃^-1，接近且略小于TC4，这有利于减少涂层与金属基底间的本征应力而提高金瓷结合强度。此外，通过SBF浸泡及细胞与材料共培养等手段已初步证实了该多相复合陶瓷具有良好的体外生物活性和细胞相容性。因此，将该材料用做TC4合金基涂层材料应该具有良好的金瓷结合强度和生物学性能。

目前，采用等离子喷涂技术，利用该钙镁硅多相陶瓷作为涂层材料制备出具有较高金瓷结合强度和优良生物学性能的钛基人工关节柄用生物医用涂层在国内外尚未见报导。因此，为解决临床上HA涂层与TC4基底结合强度低的问题，本发明在前期工作基础上，提出了采用等离子体喷涂法在钛合金基体上涂覆一层钙镁硅多相陶瓷MC2涂层材料，将两者的优点结合起来，得到具有较高金瓷结合强度并兼具优异生物学性能的钛基人工关节柄/多相陶瓷涂层复合骨修复材料。

发明内容

本发明是基于发明人前期制备出的钙镁硅多相陶瓷MC2具有优良的生物学性能，且热膨胀系数与钛合金相接近的特点而提出的。利用等离子体喷涂技术，将多相陶瓷MC2喷涂于钛合金基人工关节柄上，制备出一种既与基体有较高的结合强度，又具有优良的生物活性和生物相容性的承载骨修复材料。

本发明的具体工艺过程如下：初选颗粒形状为块状或粒状(长径比小)的多相陶瓷粉体原料，具体而言，就是通过球磨、筛分等手段选出原始粉料。为了进一步优化粉料性能，将初筛出来的粉料在行星式球磨机上湿磨制浆，而后通过采用喷雾干燥法将粉体造粒球化、筛分等手段制备出适合喷涂用的球形目的粉末，其粒度范围是200~320目。喷雾干燥机在粉体造粒时的主要工作参数为：入口空气温度为250±10 ℃；出口空气温为120±10 ℃。球化前MC2多相陶瓷粉体颗粒的呈不规则、棱角分明的形状，且颗粒大小相差较大(附图1a)，球化后颗粒呈球形或类球形，颗粒表面光滑(附图1b)，这有利于了粉体流动性的改善。之后在通过正交实验优化所得的工艺参数(见表1)下将已球化的钙镁硅多相陶瓷MC2粉末喷涂于已经清洗和喷砂处理的钛合金基人工关节柄上。

Ti6Al4V合金基人工关节柄的清洗和喷砂是等离子喷涂工艺流程中常用的工艺，其工艺参数无需在此详述，本领域的技术人员均熟知并掌握此操作步骤。

表 1等离子喷涂工艺参数

参数	送气压力（MPa）	团聚粉预热温度（℃）	电流(A)	喷涂距离（mm）
					数值	0.35	160	600	140

为提高涂层的结晶度，在电阻炉中，空气气氛下对等离子喷涂制得的钛合金基MC2多相陶瓷涂层进行后热处理。升温速度为5-8 ℃/min，保温温度为800 ℃，保温时间为6 h以使其充分晶化。

MC2多相陶瓷涂层/钛基人工关节柄承载骨修复材料的结合强度是按照ASTMC633-79方法测定的。热处理后的涂层的结合强度约为35.4 MPa，远远高于临床上使用的钛合金基HA涂层(由国家生材中心提供，按临床使用的钛基HA涂层商品的制备工艺制得的样品，结合强度约为17.6 MPa)。等离子体喷涂所得钛基MC2多相陶瓷涂层的主晶相仍然是镁黄长石、硅酸二钙和硅酸钙，经热处理后，其结晶度得以提高(附图2)。模拟体液浸泡实验表明，类骨羟基磷灰石能够在钛基MC2多相陶瓷涂层表面形成，这说明等离子喷涂钛基MC2多相陶瓷涂层具有良好的体外生物活性(附图3和4)。大鼠成骨细胞培养实验表明，细胞在钛基MC2多相陶瓷涂层表面能够很好的粘附、铺展和增殖(见附图5)，说明钛基MC2多相陶瓷涂层具有良好的成骨细胞相容性。

附图说明

图1：喷雾干燥法造粒前后MC2多相陶瓷粉体的表面形貌SEM照片。(a) 喷雾干燥造粒前；(b) 喷雾干燥造粒后。可知，在喷雾干燥造粒前，MC2多相复合陶瓷粉体颗粒的形状不规则，棱角分明，颗粒大小相差较大，这种形态在一定程度上会影响粉体的流动性。经过喷雾干燥造粒后的MC2陶瓷粉体颗粒呈球形或类球形，颗粒表面光滑、致密，有利于粉体流动性的改善。

图2：MC2陶瓷粉体及钛基MC2涂层在空气气氛中热处理前后的XRD图谱。(a) MC2陶瓷粉体；(b) 热处理前的钛基MC2涂层；(c) 800 ℃ 热处理6 h后的钛基MC2涂层。对比图2a和2b可知，与原始粉体相比，等离子喷涂所得涂层的结晶度下降，为提高涂层在使用过程中的稳定性，必须提高涂层的结晶度。涂层经800 ℃ 热处理6 h后，其结晶度得以提高，与喷涂前MC2陶瓷粉体相似。

图3：钛基MC2涂层在SBF中浸泡前后的XRD图谱比较。可知，在SBF中浸泡14 天后，MC2涂层中硅酸钙、硅酸二钙及镁黄长石的特征衍射峰消失，在2θ为31.7^o和26^o处分别出现了类骨羟基磷灰石(211)和(002)晶面的特征衍射峰(JCPD 24-0033)，也是类骨磷灰石两个较强的衍射峰，表明钛基MC2多相陶瓷涂层表面已经完全被一层类骨磷灰石覆盖。

图4：钛基MC2涂层在SBF中浸泡14天后的SEM显微照片 (a)浸泡前；(b)浸泡14 d。可见，样品在SBF中浸泡14天后，陶瓷涂层表面诱导生成了一层球形磷灰石颗粒。在高倍显微镜(图3b)下可以看出球形颗粒是由更小的蠕虫状晶粒组成，该物质即为典型的类骨羟基磷灰石，表明涂层具有良好的生物活性。

图5：成骨细胞在钛基MC2涂层表面的生长情况 (a) 3 d ; (b) 7 d。可见，材料与细胞共培养3 d后，成骨细胞在MC2陶瓷涂层表面发生了贴壁，铺展为多角形结构，细胞饱满且表面平整光滑，紧紧攀附在涂层表面，细胞间通过伪足开始有相互接触，细胞质相互连接，呈现出典型的活细胞的特征。经过7 d的培养，MC2涂层表面细胞数目明显增多，涂层完全被细胞和细胞外基质覆盖，细胞紧紧贴附于涂层表面，大部分已融为一体，只有在细胞层的断裂处能看出细胞的突起和伪足状结构(图3b)，表明钛基人工关节柄/MC2多相陶瓷涂层复合材料有利于细胞的粘附、铺展和和生长，具有良好的细胞相容性。

具体实施方案

以下结合发明人给出的具体实例，对本发明作进一步的详细阐述。需要说明的是，本发明并不限于该实施例，对于本领域的技术人员，在本发明给出的范畴内，进行技术特征的添加和替换，均属于本发明的保护范围。

利用喷雾干燥造粒技术将块状或粒状(长径比小)的MC2多相陶瓷粉体造粒球化(喷雾干燥机的主要工作参数为：入口空气温度为250±10 ℃；出口空气温为120±10 ℃)，而后采用筛分等手段得到适合于喷涂用的球形粉末，极大地改善了陶瓷粉体的流动性，喷涂前后的粉体形貌如附图1所示。采用表1所示的喷涂工艺参数，将球化的钙镁硅多相陶瓷粉体喷涂于已清洗和喷砂的TC4基人工关节柄上。喷涂后，所得多相陶瓷涂层的主晶相仍为镁黄长石、硅酸二钙和硅酸钙，同时含有大量的玻璃相(附图2b)。经800 ℃ 下，热处理6 h后，其结晶度得以提高，与喷涂所用陶瓷原粉体相似(附图2a、2c)。利用ASTM C633-79方法测得的涂层与基体的结合强度约为35 MPa，远远高于目前临床上使用的HA涂层(国家生材中心提供的已用于临床的商品，结合强度约为18 MPa)。图3和图4所示的模拟体液浸泡实验结果表明，本发明制得的钛基MC2多相陶瓷涂层在模拟体液中能够诱导羟基磷灰石在其表明生成，具有优良的生物活性；大鼠成骨细胞相容性实验结果(图5)表明，该钛基钙镁硅多相陶瓷涂层有利于细胞的粘附、生长和增殖。这意味着钛基人工关节柄用MC2陶瓷涂层具有优异的生物活性和成骨细胞相容性。

本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外，应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利邀请书所限定的范围。 

Claims (7)

1.一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层材料，包括涂层和基体两部分，其特征在于它是由一种钙镁硅多相陶瓷涂层和Ti-6Al-4V基体组成。

2.按权利要求1所述的钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层材料，其特征在于钙镁硅多相陶瓷涂层的理论化学组成 (wt%)：43.19%CaO-7.68%MgO-49.13%SiO₂，含有镁黄长石、硅酸二钙和硅酸钙三种晶体相，同时有玻璃相存在。

3.一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层的制备方法，包括钛基人工关节柄的清洗、喷砂，其特征在于选取形状为块状或粒状的钙镁硅多相陶瓷粉体原料和对其喷雾干燥法造粒球化两种工艺手段，然后采用等离子喷涂技术将球化后的钙镁硅多相陶瓷粉体喷涂于已清洗和喷砂的钛基人工关节柄上，并通过后热处理提高涂层的结晶度和稳定性。

4.按权利3所述的一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层的制备方法，其特征在于所述的球化工艺是利用喷雾干燥法将颗粒形状为块状或粒状的钙镁硅多相粉体造粒成球形或类球形颗粒，喷雾干燥机的主要工作参数为：入口空气温度为250±10℃;出口空气温为120±10℃。

5.按权利3所述的一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层的制备方法，其特征在于所述的等离子喷涂工艺参数是：送气压力为0.35MPa，团聚粉预热温度为160℃，电流为电流600A，喷涂距离为140mm。

6.按权利3所述的一种钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层的制备方法，其特征在于所述的后热处理的条件是：空气气氛，800℃ 下，保温6 h。

7.钛基人工关节柄用钙镁硅多相陶瓷涂层材料作为承载硬组织缺损修复材料的应用。

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