CN103285425A

CN103285425A - 一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层及其制备方法

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Publication number: CN103285425A
Application number: CN2012100517339A
Authority: CN
Inventors: 李恺; 谢有桃; 黄利平; 赵君; 郑学斌
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: CN103285425B

Abstract

本发明提供一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层及其制备方法，其中，所述生物涂层形成于作为医用金属或医用合金材料的基材的表面，为银和锌共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料粉体涂层，且所述涂层中银、锌和钙的摩尔比为0.01～0.5∶0.1～1.0∶1。本发明的生物涂层不仅具有优良的生物活性和生物相容性，而且具有抗降解性和抗菌性，因此可广泛应用于硬组织修复与替换材料领域。

Description

一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用生物涂层技术领域，具体涉及一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层及其制备方法。

背景技术

骨科植入体手术中导致手术失败的主要原因包括植入体与相邻骨组织之间骨结合能力差、力学性能不匹配和手术中引发的植入体感染等。其中植入体感染成为了骨科植入手术中较严峻的难题之一。据文献报道，骨折固定、关节置换和关节修复手术中的植入体感染率分别达到2％、5％、14％，给患者术后愈合带来了极大的不便。为了预防植入体相关的感染，较理想的方法是使植入体本身具备抗感染能力。因此，在植入体材料表面制备抗菌涂层得到了广泛关注。

上述抗菌涂层的制备方法可以采用等离子喷涂工艺，等离子喷涂过程是一种在等离子区、喷涂粉体、金属基体之间复杂的热交换过程，它是以等离子焰流为热源的热喷涂，利用等离子枪产生的等离子流将粉末加热和加速，在熔融或接近熔融的状态下喷向基底表面形成涂层。等离子弧产生的温度高达16000℃，喷流速度达300～400m/s，因而可以喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层，用该法制备的涂层有较高的结合强度，气孔及夹杂少，尺寸易于控制。涂层的显微结构与等离子喷涂工艺参数、喷涂粉体的成分密切相关。由于等离子焰温度高达数千度，当喷涂粉体进入等离子火焰后被迅速加热升温，部分或全部变成熔融状态，并随着高温等离子火焰撞击冷的基体表面，以高达106～108℃/s的冷却速度冷却形成涂层。

然而，利用等离子体喷涂方法在钛和钛合金等金属(或合金)植入材料表面制备的硅酸钙涂层能够赋予其良好的生物活性，增强其与骨组织间的结合，但不具抗菌性。另外，硅酸钙涂层在生理体液侵蚀下的降解速度过快，其长效稳定性能有待提高。近期研究发现，在硅酸钙涂层中添加锌元素，可有助于改善涂层的稳定性，亦可赋予其一定的抗菌性能。如锌质量分数为5％的锌掺杂的硅酸钙基涂层对葡萄球菌的抗菌率达80％，但抗菌性能还需进一步提高。银是最重要的无机抗菌元素之一，已在诸多抗菌剂中得到应用，但其成本高，且在单独使用时存在安全性问题(10mg/L的银离子浓度是人体细胞所能承受的最高毒性浓度)。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明人意识到可以通过等离子体喷涂工艺采用锌和银共掺杂的方式，提供一种在硅酸钙基涂层中含有适量的锌和银的生物相容涂层，使其不仅具有优良的生物活性和生物相容性，而且具有抗降解性和抗菌性。

为此，本发明提供一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层，其中，所述生物涂层形成于作为医用金属或医用合金材料的基材的表面，为银和锌共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料粉体涂层，且所述涂层中银、锌和钙的摩尔比为0.01～0.5∶0.1～1.0∶1。

在本发明中，通过添加适量的锌，可以防止硅酸钙涂层的降解的同时赋予抗菌性，通过添加适量的银，可以进一步提高生物涂层的抗菌性。

所述涂层中银、锌和钙的摩尔比优选为0.05～0.2∶0.3～0.5∶1。

所述基材可以采用包括纯钛、钛合金、不锈钢或钴铬钼合金的医用金属或合金材料。这样的材料可以提供较好的强度、韧性和优良的加工性能。

本发明还提供一种上述生物涂层的制备方法，其中，包括配制银、锌和钙摩尔比为0.01～0.5∶0.1～1.0∶1的干凝胶的步骤A；将所述干凝胶于1200～1350℃高温烧结制得银和锌共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料的步骤B；将所述硅酸钙基陶瓷材料研磨得到粉体，采用等离子体喷涂工艺将所述粉体喷涂在预处理后的基材表面，形成生物涂层的步骤C。

在喷涂工艺中，等离子体气体Ar流量优选为30～50slpm；等离子体气体H₂流量优选为6～18slpm；粉末载气Ar流量优选为1.5～5slpm；喷涂距离优选为80～330mm；喷涂功率优选为30～55kW；送粉速率优选为8.0～30g·min^-1。所述的slpm是指标准升/分钟。选择合适的工艺条件，可以在保证生物涂层的生物活性和生物相容性的同时提高基体与涂层之间的结合强度。

所述预处理包括将基材表面进行喷砂处理的步骤。优选地，包括将基材表面进行喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声，之后在100～120℃下干燥的过程。所述喷砂处理的压强优选为0.1～0.5Mpa。这样，可以提高涂层与基体的结合强度。

将所述硅酸钙基陶瓷材料研磨得到的粉体的粒径范围可以为10～200微米，优选为120微米。选择合适的粉体粒径有利于提高涂层的结合强度。

本发明提供的具有锌和银共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料粉体涂层，可应用作为骨组织修复与替换材料。

本发明提供的生物涂层不仅具有优良的生物活性和生物相容性，而且具有优秀的抗降解性和抗菌性，解决了现有技术中所存在的缺陷问题，促进了硬组织修复与替换材料领域的发展。本发明的制备方法具有操作简单、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

附图说明

图1是本发明一个实施例中的锌和银共掺杂的硅酸钙基粉体和涂层的XRD图谱，图中：a是粉体的XRD图谱；b是涂层的XRD图谱；

图2是本发明图1的实施例中的锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层的扫描电镜照片；

图3是本发明图1的实施例中的锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层与CaSiO₃涂层在Tris-HCl缓冲溶液中的单位面积质量损失与浸泡时间的关系曲线图，图中：a是CaSiO₃的质量损失曲线；b是本发明的锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层质量损失曲线；

图4是本发明图1的实施例中的锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层对金黄色葡萄球菌的抗菌效果图，图中：a是与医用Ti-6Al-4V作用24h后的可见菌落图；b是与锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层作用24h后的可见菌落图；

图5是本发明图1的实施例中的锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层对大肠杆菌的抗菌效果图，图中：a是与医用Ti-6Al-4V作用24h后的可见菌落图；b是与锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层作用24h后的可见菌落图。

具体实施方式

参照说明书附图，并结合下述实施方式进一步说明本发明，应理解，说明书附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供的抗降解、抗菌型生物涂层，是指将由锌和银共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料研磨得到的粉体喷涂在纯钛或钛合金等医用金属(或合金)基材表面而形成的涂层。所述涂层中银、锌和钙的摩尔比为0.01～0.5∶0.1～1.0∶1；优选为0.05～0.2∶0.3～0.5∶1。

可由溶胶-凝胶法、共沉淀法、固相烧结法等化学合成方法制备本发明的锌和银共掺杂硅酸钙基粉体。作为一个示例，具体地先将各原料，例如按照化学计量比取适量AgNO₃、Zn(NO₃)₂、Ca(NO₃)₂粉体形成于有机溶剂中得湿凝胶，在较高温度下干燥后得干凝胶，而后于1200～1350℃高温下保温一定时间烧结制得银和锌共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料；研磨所得材料成粉体；使粉体过80目筛，在100～120℃下烘干，制得锌和银共掺杂的硅酸钙基粉体。

本发明提供的抗降解、抗菌型生物涂层，例如可以采用等离子体喷涂工艺，将锌和银共掺杂的硅酸钙基粉体喷涂到处理后的合金基材表面而成。优选地，等离子体喷涂工艺的条件如下：等离子体气体Ar流量为30～50slpm；等离子体气体H₂流量为6～18slpm；粉末载气Ar流量为1.5～5slpm；喷涂距离为80～330mm；喷涂功率为30～55kW；送粉速率为8.0～30g·min^-1。所述的slpm是指标准升/分钟。

实验证明：本发明的生物涂层对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌具有明显的抗菌效果，抗菌率达到99％以上；而且在相当于人体生理环境的溶液中浸泡14天后的单位面积质量损失小于4mg/cm²，具有良好的抗降解性和稳定性，可用作硬组织的修复与替换材料。另外，Ag作为无机抗菌剂，具有广谱抗菌性；Zn是人骨中重要的微量元素，它能够促进骨细胞生长，在骨生长、修复过程中能起到重要的作用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明提供的生物涂层，不仅具有优良的生物活性和生物相容性，而且具有抗降解性和抗菌性；

2)本发明的制备方法具有操作简单、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

下面进一步列举实施例以详细说明本发明的示例制备工艺。应理解，下述实施例是为了更好地说明本发明，而非限制本发明。

实施例1

将正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇(C₂H₅OH)、2M硝酸(HNO₃)按照1∶8∶0.16的摩尔比混合，常温下搅拌30min之后，溶液pH值约在1左右；加入AgNO₃、Zn(NO₃)₂、Ca(NO₃)₂粉体，其中AgNO₃、Zn(NO₃)₂、Ca(NO₃)₂、TEOS摩尔比为0.07∶0.3∶1∶1，室温下搅拌5小时，得到澄清的溶液；60℃保温一天，得到湿凝胶；120℃保温两天得到干凝胶；1300℃保温1小时后研磨得到粉体；粉体过80目筛，在100～120℃下烘干，备用。

将Ti-6Al-4V合金表面进行喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声2次，每次4分钟，然后在100～120℃干燥1小时，备用；喷砂处理的压强为0.3Mpa。

采用等离子体喷涂工艺，将粉体喷涂到处理后的Ti-6Al-4V合金表面。等离子体喷涂工艺的条件如下：等离子体气体Ar流量为40slpm，等离子体气体H₂流量为10slpm，粉末载气Ar流量为3slpm，喷涂距离为100mm，喷涂功率为40kW，送粉速率为24g·min^-1。

由图1所示的锌和银共掺杂的硅酸钙基粉体与涂层的XRD图谱可见，涂层与粉体的组成结构没有明显区别，但喷涂后涂层中出现了部分非晶化现象。这是由于快速冷却过程中，部分熔融相未及时结晶所致。涂层具有粗糙的表面形貌(图2)。表面粗糙的涂层材料，在人体内，有利于与骨组织结合。

将锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层与不含锌、银的CaSiO₃涂层分别浸泡在Tris-HCl缓冲溶液中，比较涂层单位面积质量损失随时间变化情况，结果如图3所示。由图3可见：浸泡第1天，CaSiO₃涂层单位面积质量损失达15mg/cm²，而锌和银共掺杂后的涂层则不到2mg/cm²，明显低于前者；浸泡14天后，掺杂后的涂层单位面积质量损失小于4mg/cm²，而CaSiO₃涂层超过了25mg/cm²。通过比较可知：将Zn和Ag掺杂到硅酸钙基陶瓷中可以改善硅酸钙基涂层的降解性。

采用平板计数法定量检测材料的抗菌性能：将金黄色葡萄球菌、大肠杆菌作为试验用菌种；取菌种接种于营养琼脂表面，于恒温箱中培养18h；参照细菌标准比浊管，稀释成2×10⁸个细菌/ml，进行10倍系列稀释为10^-2浓度菌液；经高温消毒的30mm×10mm×2mm的不含锌和银的涂层(对照件)、锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层表面各滴加50μl菌液，贴上经酒精消毒的保鲜膜，37℃保温24h。将试样分别投入装有5mlPBS的试管中，涡流震荡30s，依次取试管中0.5ml液体，进行10^-1和10^-2稀释，各取0.2ml接种到营养琼脂中，培养48h。图4、5是锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抗菌效果图，与对照件相比，锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层具有明显的抗菌效果，抗菌率达到99％以上。

实施例2

将正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇(C₂H₅OH)、2M硝酸(HNO₃)按照1∶8∶0.16的摩尔比混合，常温下搅拌30min之后，溶液pH值约在1左右；加入AgNO₃、Zn(NO₃)₂、Ca(NO₃)₂粉体，其中AgNO₃、Zn(NO₃)₂、Ca(NO₃)₂、TEOS摩尔比为0.05∶0.3∶1∶1，室温下搅拌5小时，得到澄清的溶液；60℃保温一天，得到湿凝胶；120℃保温两天得到干凝胶；1250℃保温2小时得锌和银共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料，之后研磨得到粉体；粉体过100目筛，在100～120℃下烘干，备用。

基材的喷砂处理过程同实施例1。

采用等离子体喷涂工艺，将粉体喷涂到处理后的纯钛金属表面。等离子体喷涂工艺的条件如下：等离子体气体Ar流量为35slpm，等离子体气体H₂流量为15slpm，粉末载气Ar流量为2slpm，喷涂距离为200mm，喷涂功率为50kW，送粉速率为15g·min^-1。

通过上述方法制备的涂层具有粗糙的表面形貌，表面粗糙的涂层材料在人体内有利于与骨组织结合。

将锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层与不含锌、银的CaSiO₃涂层分别浸泡在Tris-HCl缓冲溶液中，比较涂层单位面积质量损失随时间变化情况。浸泡第1天，CaSiO₃涂层单位面积质量损失达15mg/cm²，而锌和银共掺杂后的涂层则不到2mg/cm²，明显低于前者；浸泡14天后，掺杂后的涂层单位面积质量损失小于4.2mg/cm²，而CaSiO₃涂层超过了25mg/cm²。通过比较可知：将Zn和Ag掺杂到硅酸钙基陶瓷中可以改善硅酸钙基涂层的降解性。

采用平板计数法定量检测材料的抗菌性能：将金黄色葡萄球菌、大肠杆菌作为试验用菌种；取菌种接种于营养琼脂表面，于恒温箱中培养18h；参照细菌标准比浊管，稀释成2×10⁸个细菌/ml，进行10倍系列稀释为10^-2浓度菌液；经高温消毒的30mm×10mm×2mm不含锌和银的涂层(对照件)、锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层表面各滴加50μl菌液，贴上经酒精消毒的保鲜膜，37℃保温24h。将试样分别投入装有5mlPBS的试管中，涡流震荡30s，依次取试管中0.5ml液体，进行10^-1和10^-2稀释，各取0.2ml接种到营养琼脂中，培养48h。结果与对照件相比，锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层具有明显的抗菌效果，抗菌率达到99％以上。

实施例3

将正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇(C₂H₅OH)、2M硝酸(HNO₃)按照1∶8∶0.16的摩尔比混合，常温下搅拌30min之后，溶液pH值约在1左右；加入AgNO₃、Zn(NO₃)₂、Ca(NO₃)₂粉体，其中AgNO₃、Zn(NO₃)₂、Ca(NO₃)₂、TEOS摩尔比为0.1∶0.5∶1∶1，室温下搅拌5小时，得到澄清的溶液；60℃保温一天，得到湿凝胶；120℃保温两天得到干凝胶；1350℃保温1小时获得锌和银共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料，之后研磨得到粉体；粉体过120目筛，在100～120℃下烘干，备用。

基材的喷砂处理过程同实施例1。

采用等离子体喷涂工艺，将粉体喷涂到处理后的Ti-6Al-4V合金表面。等离子体喷涂工艺的条件如下：等离子体气体Ar流量为45slpm，等离子体气体H₂流量为8slpm，粉末载气Ar流量为4.5slpm，喷涂距离为300mm，喷涂功率为55kW，送粉速率为10g·min^-1。

将锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层与不含锌、银的CaSiO₃涂层分别浸泡在Tris-HCl缓冲溶液中，比较涂层单位面积质量损失随时间变化情况。浸泡第1天，CaSiO₃涂层单位面积质量损失达10mg/cm²，而锌和银共掺杂后的涂层则不到2.5mg/cm²，明显低于前者；浸泡14天后，掺杂后的涂层单位面积质量损失小于4mg/cm²，而CaSiO₃涂层超过了20mg/cm²。通过比较可知将Zn和Ag掺杂到硅酸钙基陶瓷中可改善硅酸钙基涂层的降解性。

采用实施例1和2相同的方法测试锌和银共掺杂的硅酸钙基涂层的抗菌效果，抗菌率达到99％以上。

产业应用性：本发明的生物涂层不仅具有优良的生物活性和生物相容性，而且具有抗降解性和抗菌性，因此可广泛应用于硬组织修复与替换材料领域。

Claims

1.一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层，其特征在于，所述生物涂层形成于作为医用金属或医用合金材料的基材的表面，为银和锌共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料粉体涂层，且所述涂层中银、锌和钙的摩尔比为0.01～0.5∶0.1～1.0∶1。

2.根据权利要求1所述生物涂层，其特征在于，所述基材采用包括纯钛、钛合金、不锈钢或钴铬钼合金的医用金属或合金材料。

3.一种根据权利要求1或2的生物涂层的制备方法，其特征在于包括配制银、锌和钙摩尔比为0.01～0.5∶0.1～1.0∶1的干凝胶的步骤A；将所述干凝胶于1200～1350℃高温烧结制得银和锌共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料的步骤B；将所述硅酸钙基陶瓷材料研磨得到粉体，采用等离子体喷涂工艺将所述粉体喷涂在预处理后的基材表面，形成生物涂层的步骤C。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤C的所述喷涂工艺中，等离子体气体Ar流量为30～50slpm；等离子体气体H₂流量为6～18slpm；粉末载气Ar流量为1.5～5slpm；喷涂距离为80～330mm；喷涂功率为30～55kW；送粉速率为8.0～30g·min^-1。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述预处理包括将基材表面进行喷砂处理的步骤。

6.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤C中研磨所述硅酸钙基陶瓷材料成粒径范围为10～200微米的粉体。

7.一种权利要求1或2的生物涂层或权利要求3-6中任一种制备方法制备的生物涂层在骨组织修复与替换材料中的应用。