CN102512708A - 一种医用钛酸钙生物涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用钛酸钙生物涂层及其制备方法，该涂层由八面体钛酸钙晶体构成，附着在医用金属钛或钛合金表面，其中八面体钛酸钙晶体的边长为80～600nm，其制备方法为：1)将医用金属钛或钛合金制品用超声波清洗后用去离子水淋洗、晾干备用；2)配制饱和的氢氧化钙溶液；3)取氢氧化钙溶液倒入高压釜中，再将钛或钛合金制品浸入氢氧化钙清液中，处理2～12小时，将材料取出后反复用去离子水淋洗，干燥并经退火处理，制得钛酸钙生物涂层，本发明解决了现有医用金属钛与钛合金表面耐磨损性能差、表面生物相容性差的问题，适于在临床推广使用。

Description

一种医用钛酸钙生物涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属钛或钛合金表面改性技术领域，尤其涉及任意形状医用金属钛或钛合金表面钛酸钙生物涂层及其制备方法。

背景技术

钛和钛合金具有密度小、机械力学性能好以及易加工等优点，特别是具有比不锈钢、钴合金、镁合金、锌合金更好的耐腐蚀性能，是一种重要的生物医用金属材料，已作为承载性假体、固定或支撑用硬组织修复辅助器械等广泛应用于病损人体硬组织的临床治疗中。但作为生物惰性材料，医用钛与钛合金材料在长期植入体内时，会引起人体组织炎症、排斥等不良生理反应，此外还会因体液的侵蚀而导致机械失效，并向周围组织释放出钛离子、铝离子、钒离子，严重情况下可能造成人体组织细胞发生突变。因此，目前研发了在医用钛和钛合金表面涂覆生物陶瓷涂层(材料开发与应用，1999，14(6)：41-44)、制备氧化钛涂层(J.Biomed.Mater.Res.，1995，29(1)：65-72；专利CN1442120)以及离子注入Ca、P、H等元素(Surf.Coat.Technol.，1999，111(1)：103-109；Biomaterials，2004，25(6)：5575-5581)，以期望提高医用钛和钛合金表面的生物相容性。但采用热涂覆、化学沉积、电沉积、溶胶-凝胶等方法制备的以羟基磷灰石为代表的生物陶瓷涂层，这些外置涂层由于与基材界面存在残余应力且热膨胀系数与基材不匹配，导致涂层的结合强度较差，完全不能满足植入体内对涂层结合性能的要求。尽管医用钛和钛合金表面等离子喷涂磷酸钙盐涂层产品已经商业化，但长期临床跟踪研究仍然显示有12％以上的病例出现涂层剥落与涂层脆裂造成的植入体松动和金属基材腐蚀等修复或替换失效问题，这是由于等离子喷涂要经历数千至上万摄氏度的高温过程，羟基磷灰石分解为化学稳定性和生物相容性较差的其它磷酸钙盐，导致涂层在体内溶解失效，高温过程还使涂层内部以及涂层与基材界面产生残余应力，涂层与基材部分界面结合强度下降；此外，等离子喷涂为线性操作技术，仅适用于在平面或弯曲较小的曲面上制备涂层，而不能在异形植入体表面施加生物陶瓷涂层，这也是限制等离子喷涂技术在生物医用金属的表面改性领域广泛应用的主要问题之一。在医用钛和钛合金表面制备的氧化钛涂层，具有比金属基材更好的化学稳定性和耐腐蚀、耐磨性能，但氧化钛也是生物惰性材料，不具备诱导新生骨组织形成与生长的能力，外置氧化钛涂层同样也面临结合强度较差容易脱落的不足，而在医用金属钛和钛合金表面“原位”制备氧化钛涂层需采用高压直流电进行强阳极氧化才能实现，能耗高且高压操作非常危险。而采用离子注入技术在医用金属钛和钛合金表面引入Ca、P、H等元素，虽然能在一定程度上提高生物相容性，但离子注入设备昂贵且运行费用高，且也不适用于异形件的表面生物改性，因此难以商业化应用于医用金属钛和钛合金的表面生物学改性。

专利CN101491692公开了一种钛和钛合金表面钛酸钙生物涂层的制备方法，该专利采用先将钛和钛合金在含氢氟酸的二甲亚砜电解液中阳极氧化生成氧化钛纳米管状阵列涂层，结合氢氧化钙水热后处理，将氧化钛纳米管状阵列涂层转变为纳米管状阵列钛酸钙生物涂层，专利CN101491692涉及的钛酸钙生物涂层的制备方法包括在含有腐蚀性和有机物的电解液中阳极氧化和水热后处理两个环节，由于使用危险性较高的试剂，如操作不当，对操作人危害较大。Masayuki等(J Biomed Mater Res，1997，34：273-278；Biomaterials，2002，23：2265-2272；Dental Materials Journal，2006，25：470-479)研究了分别将金属钛放置在硝酸钙、氯化钙和溶入氧化钙的室温水溶液中进行表面处理，在金属钛表面形成了含钙元素的薄层，该薄层能促进金属钛在仿生理溶液中诱导磷灰石的沉积，但所制备的含钙薄层的厚度低于1μm、涂层的结晶性较差，其耐腐蚀、耐磨损性能也不明确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合强度高的医用钛酸钙生物涂层，以解决现有医用金属钛与钛合金表面耐磨损性能差、表面生物相容性差等技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种医用钛酸钙生物涂层，该涂层由八面体钛酸钙晶体构成，附着在医用金属钛或钛合金表面；所述八面体钛酸钙晶体的边长为80～600nm，部分八面体钛酸钙晶体堆叠成“金字塔”式突起结构。

本发明的另一目的在于提供一种医用钛酸钙生物涂层的制备方法。

该制备方法包括如下步骤：

1)基材的表面清洗：将医用金属钛或钛合金制品先后放入丙酮、无水乙醇和去离子水中用超声波清洗，最后用去离子水淋洗、晾干备用；

2)氢氧化钙清液的配制：将过量的氢氧化钙倒入盛有去离子水的可密封耐碱容器中，在温度为10～60℃条件下搅拌后静置至形成上清液；

3)钛酸钙生物涂层的形成：取步骤2中氢氧化钙溶液的上清液100～120ml倒入带150ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，再将步骤1中经表面清洗的钛或钛合金制品浸入氢氧化钙清液中，在温度为100～260℃、压强为0.3～5.0MPa的加热高压条件下处理2～12小时，将材料取出后反复用去离子水淋洗，干燥并经退火处理，退火温度为300～500℃、退火时间为1～5小时，从而在医用金属钛与钛合金制品表面制得钛酸钙生物涂层；

将得到的钛酸钙生物涂层，用模拟体液浸泡，在其表面能形成类骨磷灰石涂层。其具体过程是：每平方厘米样品的模拟体液用量为50ml，每24小时更新模拟体液，浸泡3天，钛酸钙涂层表面即完全被针状磷灰石晶体覆盖，在其表面能形成类骨磷灰石涂层。

优选地，所述步骤2中氢氧化钙清液的配制温度为15～40℃。

优选地，所述步骤3中处理温度为120～230℃，处理压强为0.5～3.0MPa。

优选地，所述步骤3中处理时间为3～6小时。

优选地，所述步骤3中，退火处理时的退火温度为350～460℃。

优选地，所述步骤3中退火时间为1.2～3小时。

优选地，所述医用金属钛或钛合金制品的形状为板状、钉状、管状、柱状、网状。

本发明的原理是：由于金属钛单质可与碱性溶液在加热的条件下发生化学反应生成钛酸盐，且考虑到钛酸钙具有介于医用金属与生物陶瓷之间的机械力学性能，具有优异的生物相容性和一定的生物活性，能诱导硬组织无机组分羟基磷灰石的沉积和细胞的黏附和增殖。本发明采用直接将医用金属钛和钛合金在加热、加压的条件下与氢氧化钙过饱和溶液直接反应的方法，获得金属基原位钛酸钙生物涂层材料体系，所制备的钛酸钙涂层原位形成于医用金属钛和钛合金表面，具有典型的八面体钙钛矿晶型和较高的结晶性，且与羟基磷灰石类生物陶瓷相比具有与金属基更相近的热膨胀系数和机械力学性能。

与现有技术相比，上述所公开的方法有以下优点：本发明制备的的医用钛酸钙涂层具有突出的结合强度，其与金属基材的结合强度可达49MPa以上；本发明制备的医用钛酸钙涂层作为一种弱碱性生物陶瓷涂层，在人体弱碱性环境中非常稳定且完全覆盖于金属基材表面，能有效地防止体液对金属基材的侵蚀，且能提高金属基材的耐磨损性能；本发明提供的医用钛酸钙涂层的制备方法简单易控、原料廉价易得、设备成本投入小，且适用于在任意形状的医用金属钛或钛合金表面制备钛酸钙生物涂层，适于在临床硬组织的治疗中推广应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为医用钛酸钙生物涂层的X-射线谱图，即XRD谱。

图2为医用钛酸钙生物涂层的扫描电子显微镜图片，(SEM照片，5000倍)。

图3为图2中a区的扫描电子显微镜图片，(SEM照片，30000倍)。

图4为医用钛酸钙生物涂层的电子能谱图(EDS谱)。

图5为医用钛酸钙生物涂层诱导沉积骨状磷灰石层的扫描电子显微镜照片，(SEM照片，3000倍)。

图6为图5中b区的扫描电子显微镜图片(SEM照片，8000倍)

具体实施方式

下面给出一种根据本发明制备的医用钛酸钙生物涂层及其制备方法的非限定性的实施例。

实施例1

体外模拟体液的配制：以分析纯NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄、盐酸、(CH₂OH)₃CNH₂为原料。先用电子天平称NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄，将其一同溶入800毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，再加入质量含量为36.5％的盐酸100克，随后分别称取CaCl2、MgCl₂、Na₂SO₄并溶入前述溶液中，在37±0.5℃下用100毫摩尔/升的(CH₂OH)₃CNH₂溶液调节溶液的pH值至7.4，最后将溶液定容至1000毫升得模拟体液，模拟体液中NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄的浓度依次分别为136.8、4.2、3.0、1.0、2.5、1.5、0.5毫摩尔/升。

将医用金属钛片分别放入丙酮、无水乙醇和去离子水中用40kHz超声波清洗20分钟，最后用去离子水淋洗、晾干备用；

在10℃时称取10克分析纯氢氧化钙，倒入盛有1000ml去离子水的带盖塑料瓶中，磁力搅拌15分钟，静置至形成上清液，即得到氢氧化钙饱和清液；

取100ml氢氧化钙饱和清液倒入带150ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，再将经表面清洗的钛片浸入氢氧化钙清液中，在100℃、0.3MPa条件下密闭处理2小时后，将材料取出并反复用去离子水淋洗，再在300℃退火5小时，即在医用金属钛表面“原位”制得钛酸钙生物涂层，涂层厚度约为1.1μm，钛酸钙晶体尺寸约为80nm，“原位”钛酸钙涂层与钛基的结合强度约为43.1MPa，在模拟体液中浸泡，每平方厘米样品的模拟体液用量为50ml，每24小时更新模拟体液，浸泡3天，钛酸钙涂层表面即完全被直径约20nm、长约350nm的针状磷灰石晶体覆盖。

实施例2

体外模拟体液的配制：以分析纯NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄、盐酸、(CH₂OH)₃CNH₂为原料。先用电子天平称NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄，将其一同溶入800毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，再加入质量含量为36.5％的盐酸100克，随后分别称取CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄并溶入前述溶液中，在37±0.5℃下用100毫摩尔/升的(CH₂OH)₃CNH₂溶液调节溶液的pH值至7.4，最后将溶液定容至1000毫升得模拟体液，模拟体液中NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄的浓度依次分别为136.8、4.2、3.0、1.0、2.5、1.5、0.5毫摩尔/升。

将医用金属钛片、Ti-6Al-4V合金片分别放入丙酮、无水乙醇和去离子水中用25kHz超声波清洗10分钟，最后用去离子水淋洗、晾干备用；

在60℃时称取5克分析纯氢氧化钙，倒入盛有1000ml去离子水的带盖塑料瓶中，磁力搅拌30分钟，静置至形成上清液，即得到氢氧化钙饱和清液；

取120ml氢氧化钙饱和清液倒入带150ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，再将经表面清洗的钛和钛合金片分别浸入氢氧化钙清液中，在260℃、5.0MPa条件下密闭处理12小时后，将材料取出并反复用去离子水淋洗，再在500℃退火1小时，即在医用钛片与Ti-6Al-4V合金片表面“原位”制得钛酸钙生物涂层，钛片与Ti-6Al-4V合金片表面的涂层厚度分别约为20.1μm和19.0μm，钛酸钙晶体尺寸分别约为600nm和560nm，“原位”钛酸钙涂层与基材的结合强度分别约为49.6MPa和49.1MPa，在模拟体液中浸泡，每平方厘米样品的模拟体液用量为50ml，每24小时更新模拟体液，浸泡3天，钛酸钙涂层表面即分别完全被直径约50nm、长约870nm和直径约45nm、长约810nm的针状磷灰石晶体覆盖。

实施例3

体外模拟体液的配制：以分析纯NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄、盐酸、(CH₂OH)₃CNH₂为原料。先用电子天平称NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄，将其一同溶入800毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，再加入质量含量为36.5％的盐酸100克，随后分别称取CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄并溶入前述溶液中，在37±0.5℃下用100毫摩尔/升的(CH₂OH)₃CNH₂溶液调节溶液的pH值至7.4，最后将溶液定容至1000毫升得模拟体液，模拟体液中NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄的浓度依次分别为136.8、4.2、3.0、1.0、2.5、1.5、0.5毫摩尔/升。

将医用Ti-6Al-4V合金片分别放入丙酮、无水乙醇和去离子水中用25kHz超声波清洗20分钟，最后用去离子水淋洗、晾干备用；

在20℃时称取9克分析纯氢氧化钙，倒入盛有1000ml去离子水的带盖塑料瓶中，磁力搅拌20分钟，静置至形成上清液，即得到氢氧化钙饱和清液；

取100ml氢氧化钙饱和清液倒入带150ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，再将经表面清洗的钛合金片浸入氢氧化钙清液中，在150℃、0.5MPa条件下密闭处理3.5小时后，将材料取出并反复用去离子水淋洗，再在450℃退火3小时，即在医用Ti-6Al-4V合金表面“原位”制得钛酸钙生物涂层，涂层厚度约为15.5μm，钛酸钙晶体尺寸约为350nm，“原位”钛酸钙涂层与Ti-6Al-4V合金基材的结合强度约为45.2MPa，在模拟体液中浸泡，每平方厘米样品的模拟体液用量为50ml，每24小时更新模拟体液，浸泡3天，钛酸钙涂层表面即完全被直径约38nm、长约700nm的针状磷灰石晶体覆盖。

实施例4

体外模拟体液的配制：以分析纯NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄、盐酸、(CH₂OH)₃CNH₂为原料。先用电子天平称NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄，将其一同溶入800毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，再加入质量含量为36.5％的盐酸100克，随后分别称取CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄并溶入前述溶液中，在37±0.5℃下用100毫摩尔/升的(CH₂OH)₃CNH₂溶液调节溶液的pH值至7.4，最后将溶液定容至1000毫升得模拟体液，模拟体液中NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄的浓度依次分别为136.8、4.2、3.0、1.0、2.5、1.5、0.5毫摩尔/升。

将医用Ti-6Al-4V合金片分别放入丙酮、无水乙醇和去离子水中用40kHz超声波清洗30分钟，最后用去离子水淋洗、晾干备用；

在30℃时称取8克分析纯氢氧化钙，倒入盛有1000ml去离子水的带盖塑料瓶中，磁力搅拌20分钟，静置至形成上清液，即得到氢氧化钙饱和清液；

取110ml氢氧化钙饱和清液倒入带150ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，再将经表面清洗的钛合金片浸入氢氧化钙清液中，在200℃、1.3MPa条件下密闭处理6小时后，将材料取出并反复用去离子水淋洗，再在400℃退火2小时，即在医用Ti-6Al-4V合金表面“原位”制得钛酸钙生物涂层，涂层厚度约为10.7μm，钛酸钙晶体尺寸约为180nm，“原位”钛酸钙涂层与Ti-6Al-4V合金基材的结合强度约为44.6MPa，在模拟体液中浸泡，每平方厘米样品的模拟体液用量为50ml，每24小时更新模拟体液，浸泡3天，钛酸钙涂层表面即完全被直径约32nm、长约630nm的针状磷灰石晶体覆盖。

实施例5

体外模拟体液的配制：以分析纯NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄、盐酸、(CH₂OH)₃CNH₂为原料。先用电子天平称NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄，将其一同溶入800毫升去离子水中，搅拌至完全溶解，再加入质量含量为36.5％的盐酸100克，随后分别称取CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄并溶入前述溶液中，在37±0.5℃下用100毫摩尔/升的(CH₂OH)₃CNH₂溶液调节溶液的pH值至7.4，最后将溶液定容至1000毫升得模拟体液，模拟体液中NaCl、NaHCO₃、KCl、K₂HPO₄、CaCl₂、MgCl₂、Na₂SO₄的浓度依次分别为136.8、4.2、3.0、1.0、2.5、1.5、0.5毫摩尔/升。

将医用金属钛片分别放入丙酮、无水乙醇和去离子水中用40kHz超声波清洗20分钟，最后用去离子水淋洗、晾干备用；

在45℃时称取6克分析纯氢氧化钙，倒入盛有1000ml去离子水的带盖塑料瓶中，磁力搅拌30分钟，静置至形成上清液，即得到氢氧化钙饱和清液；

取120ml氢氧化钙饱和清液倒入带150ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，再将经表面清洗的钛片浸入氢氧化钙清液中，在250℃、2.0MPa条件下密闭处理10小时后，将材料取出并反复用去离子水淋洗，再在350℃退火3小时，即在医用金属钛与钛合金制品表面“原位”制得钛酸钙生物涂层，涂层厚度约为6.5μm，钛酸钙晶体尺寸约为126nm，“原位”钛酸钙涂层与钛基的结合强度约为43.8MPa，在模拟体液中浸泡，每平方厘米样品的模拟体液用量为50ml，每24小时更新模拟体液，浸泡3天，钛酸钙涂层表面即完全被直径约26nm、长约500nm的针状磷灰石晶体覆盖。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种医用钛酸钙生物涂层，其特征在于，该涂层由八面体钛酸钙晶体构成，厚度为1.1～20.1μm，附着在医用金属钛或钛合金表面，所述八面体钛酸钙晶体的边长为80～600nm，部分八面体钛酸钙晶体堆叠成“金字塔”式突起结构。

2.一种权利要求1所述的医用钛酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a)基材的表面清洗：将医用金属钛或钛合金制品先后放入丙酮、无水乙醇、去离子水中用超声波清洗，最后用去离子水淋洗、晾干备用；

b)氢氧化钙清液的配制：将过量的氢氧化钙倒入盛有去离子水的可密封耐碱容器中，静置至形成上清液，得到氢氧化钙饱和清液；

c)钛酸钙生物涂层的形成：取步骤b中100～120ml氢氧化钙上清液倒入带150ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，再将步骤a中经表面清洗的钛或钛合金制品浸入氢氧化钙清液中处理，将材料取出后反复用去离子水淋洗，干燥并经退火处理。

3.根据权利要求2所述的医用钛酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于步骤a的超声波清洗，超声频率为20～40kHz，超声波清洗10～20分钟。

4.根据权利要求2所述的医用钛酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤b中氢氧化钙清液的配制温度为10～60℃。

5.根据权利要求2所述的医用钛酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤c中钛或钛合金制品浸入氢氧化钙清液中的处理，温度为100～260℃、压强为0.3～5.0MPa的条件下处理2～12小时。

6.根据权利要求5所述的医用钛酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤c中的处理，优选为处理温度120～230℃，压强为0.5～3.0MPa，处理时间为3～6小时。

7.根据权利要求2所述的医用钛酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤c中的退火处理，退火温度为300～500℃、退火时间为1～5小时。

8.根据权利要求7所述的医用钛酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤c中的退火处理，优选为退火温度为350～460℃，退火时间为1.2～3小时。

9.根据权利要求2到7任一所述的医用钛酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于，所述医用金属钛或钛合金制品的形状为任意形状。

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