CN102899698A - 金属钛表面制备羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层电化学法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在金属钛表面制备羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层的电化学法。包括以下步骤：配制含有羟基磷灰石构成元素Ca-P的高、低两种浓度电解液；在装备了恒温加热系统的容器中加入上述电解液；以铂为阳极，金属钛基体为阴极，两电极浸没在电解液中；在低浓度Ca-P电解液中，经沉积后将其放入高浓度Ca-P电解液中，继续沉积，在金属钛基体表面形成羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层；将基体取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。本发明制备的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层具有从纳米到微米两重尺度的表面几何形貌，利于成骨细胞的附着及随后的分化生长，同时改变了涂层的溶解特性，具有更好的浸润性，具备广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种在金属钛表面制备树枝状微纳复合涂层的电化学制备方法，属于生物医用材料领域。
背景技术
大量实验报道指出，生物涂层材料的不同形貌，会对细胞吸附、细胞形貌、生物矿化过程及基因表达产生重大影响，特别是尺寸方面，纳米级材料表现更加优越的生物学性能：Dolatshahi-Pirouz等发现具有棚屋形纳米金属钽表面更加利于纤连蛋白形成，并最终吸附细胞，与此同时，相对于表面平整的表面，圆顶形及棚屋形纳米金属钽表面更有利于牙髓间质干细胞的分化；Michael等通过改变硅纳米柱阵列的形貌与间距引发具有特殊形貌的细胞吸附，并对其吸附密度产生较大影响。除此之外，众所周知的自然骨的形貌也是一种分层多级的特殊结构，使得自然骨具有十分优越的生物学性能。因此制备具有纳米级尺寸特殊形貌，特别是具有模拟人骨这种分层多级结构特殊形貌的生物材料，必将能大大提高材料生物学活性，具有更高的商业与应用价值。
羟基磷灰石（HA）是人骨中重要的无机成分，而HA涂层具有优异的生物活性和化学稳定性，植入人体后，能与骨组织发生化学性键结，因此被广泛的研究开发应用于生物材料领域。然而，微米级HA具有低的溶解度，使其在前期与骨的整合速率偏慢，只能在长期的治愈过程中发挥优势；相反，纳米级HA涂层除了具有同样良好的生物学性能外，更具有优异的生物降解性及浸润性。好的生物降解性使其在植入前期能迅速与骨组织发生反应，同时也很容易在生物效应发生前就全部溶解。优异的浸润性使其在植入易于骨细胞的吸附，进一步诱导增殖与分化。
因此，制备可吸收树枝状微纳复合涂层，既可以达到分层多级形貌设计要求，也可以使得涂层自身尺寸大大降低，更加可以满足整个治愈或使用过程中对涂层生物效应的需求：在植入骨组织初期纳米级HA迅速降解行使促进骨组织生长的功能，自身优异的浸润性可以使得骨细胞快速吸附、增殖与分化；中后期微米级HA行使促进骨组织生长的功能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种在金属钛表面制备树枝状微纳复合涂层的电化学制备方法。
在金属钛表面制备树枝状微纳复合涂层的电化学制备方法的步骤如下：
1）加入摩尔浓度为0.6~1.2mMCaCl2、摩尔浓度为0.36~0.72mMNH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl混合， Ca2+与PO4 3-的比例控制在1.67:1，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到85℃后恒温，得到低浓度Ca-P电解液；
2）加入摩尔浓度为2.4~9.6mMCaCl2、摩尔浓度为1.44~5.76mM NH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl、摩尔浓度为1.2~38.4mM Na3Cit混合，Ca2+与PO4 3-的比例控制在1.67:1，Ca2+与Cit3-的比例控制在2:1~1:4，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到60℃后恒温，得到高浓度Ca-P电解液；
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低浓度Ca-P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，金属钛基体表面发生阴极还原反应，经过60min沉积后，再将电极浸没在高浓度Ca-P电解液中，两电极之间直流电压设为-3.4V，两电极间距离为2cm，经过35~60min沉积后，在金属钛基体表面形成具有微米树枝加纳米荆刺结构的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层；
4）取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果：
1）所得到的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层，要比纯HA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；
2）该涂层具有特殊的微米树枝加纳米荆刺形貌，大大提高了材料自身的比表面积，有效增加了骨细胞在涂层表面吸附、增值与分化的面积；
3）所制备的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层结合了纳米级与微米级HA的双重优点，在种植体植入期间全程并长期调控生物反应，且在生物体内可降解吸收；
4）该树羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层具有优越的浸润性，易于骨细胞对涂层的吸附，并进一步分化、增殖；
5）该羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层中HA含量比可调节，容易操作；
6）所制备的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层与金属钛基体结合优良。
附图说明
图1（a）是实施例1所制得的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层的扫
描电镜照片；
图1（b）是图1（a）的放大图；
图2（a）是实施例2所制得的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层的扫描电镜照片；
图2（b）是图2（a）的放大图；
图3（a）是实施例3所制得的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层的扫描电镜照片；
图3（b）图3（a）的放大图。
具体实施方式:
本发明利用经典的电化学沉积方法，并通过改变电压，并在钙、磷酸根离子电解液中引入其它离子（自然骨中存在的微量元素），使涂层中最终形成微米树枝加纳米荆刺羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层。
下面根据具体的实施例详细说明本发明。
实施例1
1）加入摩尔浓度为1.2mMCaCl2、摩尔浓度为0.72mMNH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl混合，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到85℃后恒温，得到低浓度Ca-P电解液；
2）加入摩尔浓度为9.6mMCaCl2、摩尔浓度为5.76mM NH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl、摩尔浓度为38.4mM Na3Cit混合，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到60℃后恒温，得到高浓度Ca-P电解液；
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低浓度Ca-P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，金属钛基体表面发生阴极还原反应，经过60min沉积后，再将电极浸没在高浓度Ca-P电解液中，两电极之间直流电压设为-3.4V，两电极间距离为2cm，经过35min沉积后，在金属钛基体表面形成具有微米树枝加纳米荆刺结构的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层；
4）取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。
在金属钛表面制备的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层的扫描照片见图1。
实施例2
1）加入摩尔浓度为0.6mMCaCl2、摩尔浓度为0.36mMNH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl混合，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到85℃后恒温，得到低浓度Ca-P电解液；
2）加入摩尔浓度为2.4mMCaCl2、摩尔浓度为1.44mM NH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl、摩尔浓度为1.2mM Na3Cit混合，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到60℃后恒温，得到高浓度Ca-P电解液；
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低浓度Ca-P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，金属钛基体表面发生阴极还原反应，经过60min沉积后，再将电极浸没在高浓度Ca-P电解液中，两电极之间直流电压设为-3.4V，两电极间距离为2cm，经过35min沉积后，在金属钛基体表面形成具有微米树枝加纳米荆刺结构的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层；
4）取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。
在金属钛表面制备的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层的扫描照片见图2。
实施例3
1）加入摩尔浓度为0.9mMCaCl2、摩尔浓度为0.54mMNH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl混合，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到85℃后恒温，得到低浓度Ca-P电解液；
2）加入摩尔浓度为6mMCaCl2、摩尔浓度为3.6mM NH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl、摩尔浓度为24mM Na3Cit混合，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到60℃后恒温，得到高浓度Ca-P电解液；
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低浓度Ca-P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，金属钛基体表面发生阴极还原反应，经过60min沉积后，再将电极浸没在高浓度Ca-P电解液中，两电极之间直流电压设为-3.4V，两电极间距离为2cm，经过60min沉积后，在金属钛基体表面形成具有微米树枝加纳米荆刺结构的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层；
4）取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。
在金属钛表面制备的羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层的扫描照片见图3。
Claims (1)
1.一种在金属钛表面制备羟基磷灰石树枝状微纳复合涂层的电化学法，其特征在于它的步骤如下：
1）加入摩尔浓度为0.6~1.2mMCaCl2、摩尔浓度为0.36~0.72mMNH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl混合， Ca2+与PO4 3-的比例控制在1.67:1，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到85℃后恒温，得到低浓度Ca-P电解液；
2）加入摩尔浓度为2.4~9.6mMCaCl2、摩尔浓度为1.44~5.76mM NH4H2PO4、摩尔浓度为0.1MNaCl、摩尔浓度为1.2~38.4mM Na3Cit混合，Ca2+与PO4 3-的比例控制在1.67:1，Ca2+与Cit3-的比例控制在2:1~1:4，用氨水或者盐酸溶液将电解液的pH值调至6，加热到60℃后恒温，得到高浓度Ca-P电解液；
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低浓度Ca-P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，金属钛基体表面发生阴极还原反应，经过60min沉积后，再将电极浸没在高浓度Ca-P电解液中，两电极之间直流电压设为-3.4V，两电极间距离为2cm，经过35~60min沉积后，在金属钛基体表面形成具有微米树枝加纳米荆刺结构的羟基磷灰石的微纳复合涂层；
4）取出清洗，去除表面附着的电解液，在干燥箱中干燥。
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