CN102492974A - 钛种植体表面制备可降解镁掺杂非晶态磷酸钙涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在钛种植体表面制备可降解镁掺杂非晶态磷酸钙涂层的方法，它是在处于35～60℃的恒温状态下的电解液中，以铂作为阳极、金属钛基体作为阴极，通过在金属钛基体表面发生阴极还原反应使金属钛基体的表面沉积一层均匀的镁离子掺杂非晶态磷酸钙涂层；其中，电解液中含有非晶态磷酸钙构成元素和Mg²⁺，且Ca²⁺与PO₄ ^3-的摩尔浓度比为1.67︰1，Mg²⁺与Ca²⁺的摩尔浓度比为1︰5～1：3，阳极和阴极之间的直流电压为3.0～3.6V。本发明所制备的涂层均匀，其过程简单可控，具有优良的生物诱导性及较快的降解速率。此外，通过掺杂微量元素Mg稳定了非晶态磷酸钙，同时涂层中的Mg²⁺可进一步提高生物活性，促进骨组织生长。

Description

钛种植体表面制备可降解镁掺杂非晶态磷酸钙涂层的方法

技术领域

本发明涉及利用电化学方法在钛种植体表面沉积的可降解的生物活性镁离子掺杂非晶态磷酸钙涂层，属于生物医用材料领域。

背景技术

在具有生物活性磷酸钙体系中，非晶态磷酸钙(amorphous phosphate calcium，ACP)广泛存在于动物及人体的新生组织中，比羟基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)、磷酸八钙(octacalcium phosphate，OCP)等晶态物质具有更优异的生物活性及诱导性能。作为一种生物医用材料，在愈合初期能够更快速的诱导自身组织生长，并能够快速降解和吸收。若将其制备成涂层涂覆在种植体表面，在诱导新生组织生长的同时快速降解和吸收，使得新生组织直接与多孔的钛基体表面形成机械咬合。则可避免由于降解不完全而导致的涂层与新生组织之间二次界面的形成，从根本上解决了由于此处结合力不足，界面腐蚀等缺陷而导致的界面断裂。

在涂层技术中，由于电化学沉积法简单易行，低温且可沉积复杂表面，成分和厚度可控沉，得到了广泛的关注。但是，利用此方法制备ACP涂层的技术至今未有实际突破，Royer等人制备出了与其他相OCP，HAP共存的ACP，Roessler等人在36℃、PH＝6的条件下制备HAP过程中发现了ACP，并提出关于ACP向HAP转变的理论。由于电化学沉积过程中，阴极附近的PH会迅速升高，热力学上更有利于HAP、OCP的生成。另外，在电场力的作用下，离子定向迁移更有利于生成有序的晶体，即使在沉积的开始阶段发现了ACP的存在也会瞬间转变。所以利用此方法制备稳定且均匀可控的ACP涂层的技术还未实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在钛种植体表面制备可降解的镁掺杂非晶态磷酸钙涂层的方法，从而在钛种植体表面均匀沉积ACP涂层，该ACP涂层在具备高的生物活性的同时可快速降解，使钛种植体表面直接与新生组织整合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在金属钛表面利用电化学方法制备可降解的镁离子掺杂非晶态磷酸钙生物活性涂层，具体方法如下：

在处于35～60℃的恒温状态下的电解液中，以铂作为阳极、金属钛基体作为阴极，通过在金属钛基体表面发生阴极还原反应使所述金属钛基体的表面沉积一层均匀的镁离子掺杂非晶态磷酸钙涂层；其中，所述电解液中含有非晶态磷酸钙构成元素和Mg²⁺，且Ca²⁺与PO₄ ^3-的摩尔浓度比为1.67∶1，Mg²⁺与Ca²⁺的摩尔浓度比为1∶5～1∶3，所述阳极和阴极之间的直流电压为3.0～3.6V。

优选地，本发明所述阳极和阴极之间的距离为2cm，但并不限于2cm，也可以是其他适宜的距离，只要能在金属钛基体表面发生阴极还原反应使所述金属钛基体的表面沉积一层镁离子掺杂非晶态磷酸钙涂层即可。

优选地，本发明在所述电解液中，所述Ca²⁺的摩尔浓度为6×10^-3M～36×10^-3M。

优选地，本发明在所述金属钛基体的表面发生所述阴极还原反应的时间为15～50分钟。

本发明相对于现有技术的优点是：(1)本发明填补了电化学法制备非晶态磷酸钙的技术空缺，所制备的涂层均匀，过程简单可控。与其他制备非晶态涂层的技术如等离子喷涂相比，本发明在低温下进行，工艺简单，并且可以通过改变电沉积过程中的参数如电解液中各种构成元素的含量、沉积时间、温度等控制涂层的结构，成分和厚度；与现有的电化学制备非晶态涂层的技术相比，本发明所制备的ACP涂层的成分及结构均匀可控。(2)本发明所得到的ACP涂层，要比晶态磷酸钙涂层具有更好的生物活性和更适合体内环境的生物降解性。(3)本发明所用电解液中的镁离子掺杂到涂层中，可使ACP稳定存在于涂层中，没有转变为其他磷酸钙类相，形成成分及结构均匀的ACP涂层；掺杂到涂层中的镁离子不仅是稳定ACP的主要因素，同时可促进涂层的生物活性及降解性，能够更好地诱导骨细胞和组织的生长。(4)本发明所制备的ACP涂层降解速率快，在诱导自身组织生长的同时可快速降解吸收，从根本上解决了生物涂层技术中由于涂层与基体结合力不足而导致的断裂的致命缺陷。

附图说明

图1为实施例1所得非晶态磷酸钙涂层的扫描电镜图片；

图2为实施例1所得非晶态磷酸钙涂层500～40000cm^-1的表面红外图谱；

图3为实施例2所得非晶态磷酸钙涂层的扫描电镜图片；

图4为实施例2所得非晶态磷酸钙涂层500～4000cm^-1的表面红外图谱；

图5为实施例3所得非晶态磷酸钙涂层的扫描电镜图片；

图6为实施例3所得非晶态磷酸钙涂层500～4000cm^-1的表面红外图谱。

具体实施方式

下面根据具体的实施例详细说明本发明。

实施例1

本实施例中，在喷砂酸蚀(SLA)钛种植体表面利用电化学方法制备可降解的镁离子掺杂非晶态磷酸钙涂层的方法如下：

(1)配制ACP构成元素的电解液。其中ACP构成元素由CaCl₂、NH₄H₂PO₄和MgCl₂·2H₂O提供，Ca²⁺的浓度为12×10^-3M，PO₄ ^3-的浓度为7.2×10^-3M，Mg²⁺的浓度为2.4×10^-3M，Mg²⁺与Ca²⁺的摩尔浓度比为1∶5。按上述浓度要求将分析纯的各种试剂逐一溶解于蒸馏水中，超声波震荡30min。

(2)在装备了恒温加热系统的容器中加入步骤(1)所述的电解液，并将电解液加热到60℃后恒温。

(3)将铂作为阳极，金属钛基体作为阴极，阳极和阴极完全浸没在上述处于恒温下的电解液中，两电极之间直流电压设为3.0V，两电极间距离为2cm。在金属钛基体表面发生阴极还原反应，经过35min后，沉积得到均匀的镁离子掺杂ACP涂层，且随着沉积时间的增长，涂层厚度逐渐增加。

(4)将表面沉积了ACP涂层的金属钛基体取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。

如图1、2所示，本实施例制备得到了非晶态磷酸钙涂层，涂层由均匀的ACP球组成，成分及结构均匀。PO₄ ^3-在500～650cm^-1及1100～1200cm^-1间宽的吸收峰证明该涂层为非晶态，涂层中CO₃ ^2-的吸收峰是沉积过程中空气中的CO₂造成的，是较为普遍的现象，人体中的磷酸钙也含有碳元素。

实施例2

本实施例中，在喷砂酸蚀(SLA)钛种植体表面用电化学方法制备可降解的镁离子掺杂非晶态磷酸钙涂层的方法如下：

(1)配制ACP构成元素的电解液。其中ACP构成元素由CaCl₂、NH₄H₂PO₄和MgCl₂·2H₂O提供，Ca²⁺的浓度为6×10^-3M，PO₄ ^3-的浓度为3.6×10^-3M；Mg²⁺浓度为2×10^-3M，Mg²⁺与Ca²⁺的摩尔浓度比为1∶3。按上述浓度要求将分析纯的各种试剂逐一溶解于蒸馏水中，超声波震荡30min。

(2)在装备了恒温加热系统的容器中加入步骤(1)所述的电解液，并将电解液加热到35℃后恒温。

(3)将铂作为阳极，金属钛基体作为阴极，阳极和阴极完全浸没在上述处于恒温下的电解液中，两电极之间直流电压设为3.6V，两电极间距离为2cm，金属钛基体表面发生阴极还原反应。经过15min后，沉积得到均匀的镁离子掺杂ACP涂层，且随着沉积时间的增长，涂层厚度逐渐增加。

(4)将表面沉积了ACP涂层的金属钛基体取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。

如图3、4所示，本实施例制备得到了非晶态磷酸钙涂层，涂层由均匀的ACP球组成，成分及结构均匀。PO₄ ^3-在500～650cm^-1及1100～1200cm^-1间宽的吸收峰证明该涂层为非晶态，涂层中CO₃ ^2-的吸收峰是沉积过程中空气中的CO₂造成的，是较为普遍的现象，人体中的磷酸钙也含有碳元素。涂层中裂纹是由于电压增大后电解析氢加剧所造成的，裂纹不会影响该可降解涂层的生物学性能，反而会更有利于细胞的增殖和生长。

实施例3

本发明所述的在喷砂酸蚀(SLA)钛种植体表面电化学方法制备的可降解的镁离子掺杂非晶态磷酸钙涂层包括以下步骤：

(1)配制ACP构成元素的电解液。其中ACP构成元素由CaCl₂，NH₄H₂PO₄和MgCl₂·2H₂O提供，Ca²⁺的浓度为36×10^-3M，PO₄ ^3-的浓度为21.6×10^-3M，Mg²⁺的浓度为9×10^-3M，Mg²⁺与Ca²⁺的摩尔浓度比为1∶4。按上述浓度要求将分析纯的各种试剂逐一溶解于蒸馏水中，超声波震荡30min。

(2)在装备了恒温加热系统的容器中加入步骤(1)所述的电解液，并将电解液加热到35℃后恒温。

(3)将铂作为阳极，金属钛基体作为阴极，阳极和阴极完全浸没在上述处于恒温下的电解液中，两电极之间直流电压设为3.6V，两电极间距离为2cm，金属钛基体表面发生阴极还原反应。经过50min后，沉积得到均匀的镁离子掺杂ACP涂层，且随着沉积时间的增长，涂层厚度逐渐增加。

(4)将表面沉积了ACP涂层的金属钛基体取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。

如图5、6所示，本实施例制备得到了非晶态磷酸钙涂层，涂层由均匀的ACP球组成，成分及结构均匀。PO₄ ^3-在500～650cm^-1及1100～1200cm^-1间为宽的吸收峰，证明该涂层为非晶态，涂层中CO₃ ^2-的吸收峰是沉积过程中空气中的CO₂造成的。涂层中裂纹是由于电压增大后电解析氢加剧所造成的，裂纹不会影响该可降解涂层的生物学性能，反而会更有利于细胞的增殖和生长。

利用本发明方法所制备的镁离子掺杂ACP涂层成分和厚度可控，方法简单；可以通过控制电解液中各种构成元素的含量控制涂层中的成分，也可以通过控制沉积时间控制涂层的厚度。

本发明所制备的镁离子掺杂ACP涂层具有降解速度快，生物诱导性高等优点，可加速促进愈合。植入后，ACP涂层在诱导新生骨形成的同时会快速降解掉，避免了由于涂层与钛基体的结合力不足而导致的二次界面，从而防止植入体机械断裂的发生。从根本上解决了涂层技术中不可避免的涂层与基体间结合力不足的问题。

本发明所制备的镁离子掺杂ACP涂层，可应用于目前临床主流的喷砂+酸蚀微粗糙表面(SLA)的螺纹型钛金属牙齿种植体以及骨缺损领域，新生组织与SLA表面形成强的机械咬合，实现了可降解、抗断裂的涂层。

本发明中，镁离子掺杂ACP涂层在制备的过程中引入了人体必需元素的掺杂离子Mg，使涂层具有更好的生物活性，进一步的促进自身组织生长。

在本发明中，若将电解液中的Ca²⁺浓度控制在6×10^-3～36×10^-3M，则在进行电化学沉积时，阴极附近瞬间达到过饱和，形成5～10nm稳定存在的磷酸钙团簇，这些团簇进而组装成100-200nm的ACP球。

本发明中，Mg²⁺是稳定ACP的重要元素，电化学过程中Mg²⁺掺杂到磷酸钙核心中引起结构畸变，使结晶阻力增大从而稳定了ACP。若Mg²⁺与Ca²⁺的摩尔浓度比为小于1∶5，Mg²⁺造成的畸变能有限，不足以阻碍ACP向晶态的转变；若Mg²⁺与Ca²⁺的摩尔浓度比大于1∶3，该涂层中的Mg²⁺含量过高，与Ca²⁺摩尔浓度比将会大于人体内比例，产生毒副作用。

本发明在制备涂层的电化学过程中，若温度低于35℃，则沉积速率很低，沉积过程缓慢，可操作性差；若温度高于60℃，则沉积速度快，无论在热力学还是动力学上都有利于形成晶态羟基磷灰石(HAP)及磷酸八钙(OCP)，而不利于ACP的稳定。因此本发明将沉积温度范围选定在35℃～60℃。

Claims (4)

1.一种钛种植体表面制备可降解镁掺杂非晶态磷酸钙涂层的方法，其特征是：在处于35～60℃的恒温状态下的电解液中，以铂作为阳极、金属钛基体作为阴极，通过在金属钛基体表面发生阴极还原反应使所述金属钛基体的表面沉积一层均匀的镁离子掺杂非晶态磷酸钙涂层；其中，所述电解液中含有非晶态磷酸钙构成元素和Mg²⁺，且Ca²⁺与PO₄ ^3-的摩尔浓度比为1.67︰1，Mg²⁺与Ca²⁺的摩尔浓度比为1︰5～1：3，所述阳极和阴极之间的直流电压为3.0～3.6V。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述阳极和阴极之间的距离为2cm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：在所述电解液中，所述Ca²⁺的摩尔浓度为6×10^-3 M～36×10^-3 M。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是：在所述金属钛基体的表面发生所述阴极还原反应的时间为15～50分钟。

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