CN103598919A - 一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法 - Google Patents

一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法。该方法包括牙种植体，对牙种植体进行以下步骤的操作：将钛片用SiC金相砂纸打磨、清洗、干燥后设置在牙种植体表面形成钛基底层；在钛基底层表面制备La-HA/TiO2复合涂层；在La-HA/TiO2复合涂层表面制备HA涂层；将牙种植体置于含有La的磷灰石/胶原溶液中，在表面形成磷灰石/胶原涂层。本发明在钛表面制备出La-HA/TiO2复合涂层，有效降低HA涂层溶解性过大以及原来HA与金属界面存在的不稳定问题，增强了涂层的化学稳定性和结合力；采用新的涂层设计，从内到外生物活性、溶解度增加的梯度，以及从外到内化学稳定性、结合强度增加的梯度。

Description

一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种生物医学领域，尤其是涉及一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法。
背景技术
钛具有良好的力学性能和生物相容性，是生物医学中常用的金属植入材料。但钛的生物活性较差，植入体内后与周围骨组织之间的结合只是机械嵌合，不能形成有效的骨性结合，植入体内后容易发生松动和脱落。因而，对钛种植体表面的改性研究就成为近年来生物材料研究的热点。其中，作为与人骨无机质有相似的化学成分和晶体结构的羟基磷灰石生物陶瓷（hydroxyapatite, 简称HA），因显示出优异的生物活性和促进骨组织再生能力，被广泛应用于钛金属表面的改性研究。因为材料的生物相容性和生物活性主要体现在材料的表面，其生物学行为是一种界面行为，所以采用不同工艺方法将HA生物陶瓷涂覆在钛基体表面，制备钛基羟基磷灰石生物陶瓷涂层，可实现由金属基体提供骨修复和替换材料所需的力学强度，同时表层的羟基磷灰石生物活性涂层与体内骨组织形成良好的骨整合而达到锚定种植体的目的。
尽管HA表面涂层技术越来越成熟，但单纯的HA晶体始终存在脆性大、抗折强度低，与钛基结合强度低等问题，极大地限制了临床应用。后来的研究着重于磷灰石复合涂层的制备，通过有机/无机或金属/非金属的搭配模式，在磷灰石中复合蛋白、多糖、生长因子等高分子化合物或金属及其衍生物等来构建复合涂层，从生物活性、溶解性或结合强度等方面得以改善磷灰石涂层的性能。但这些研究始终没改变单一性质涂层的本质，无法同时满足涂层在结合强度、生物活性和溶解性等方面的要求。随着临床对种植体的要求越来越高，以及生物材料学研究的不断发展，单一性质的涂层已经不能满足临床需要，采用单一的涂层就想同时获得理想的生物活性、溶解性、机械性能及结合强度几乎是不可能的。对钛表面磷灰石涂层的梯度设计和功能设计，己经成为了种植体生物材料表面改性研究领域中最有前景的一个方向和热点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有高结合强度，具有多个涂层，具有适宜降解度磷灰石复合涂层的牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法。
本发明采用以下技术方案：一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法，其特征是包括包括牙种植体，对牙种植体进行以下步骤的操作：
第一步，将钛片用SiC金相砂纸打磨、清洗、干燥后设置在牙种植体表面形成钛基底层；
第二步，在钛基底层表面制备La-HA/TiO2复合涂层，生成梯度TiO2/La-HA=（100-x）/ x，其中x=20~80，实现涂层热膨胀系数和弹性模量的梯度过渡；
第三步，在La-HA/TiO2复合涂层表面制备HA涂层；
第四步，将牙种植体置于含有La的磷灰石/胶原溶液中，在表面形成磷灰石/胶原涂层。
作为一种改进，La-HA/TiO2复合涂层和HA涂层的制备通过溶胶凝胶法实现，所述第二步中La-HA/TiO2复合涂层采用第一溶胶凝胶法制备，第一溶胶凝胶法制备包括以下步骤：
[1] La-HA溶胶的配制：采用Ca(NO3)2·4H2O和P2O5作为前驱体，将含有P的无水乙醇溶液均匀滴加到含Ca的无水乙醇溶液中，保持溶液中Ca/P=5/3，并继续加入含有La的无水乙醇溶液，无水乙醇溶液中La和(Ca+La)的比例达到La/(Ca+La)= 1/5，磁力搅拌后陈化形成溶胶；
[2] Na2Ti6O13溶胶的配制：将钛酸丁酷(TiPT)溶于无水乙醇形成TiPT溶液，在TiPT溶液中加入HNO3、H2O、NaNO3，TiPT ：HNO3 ：H2O ：NaNO3= 3 ：1.5 ：12 ：1，在室温下恒温用磁力搅拌器搅拌制备出Na2Ti6O13溶胶；
[3] La-HA/TiO2溶胶的配制：通过在La-HA溶胶中添加Na2Ti6O13溶胶，制出La-HA/TiO2溶胶；
[4] 制备La-HA/TiO2复合涂层：1]将牙种植体浸入到La-HA/TiO2溶胶中，然后以50mm/min的速度提升使形成的La-HA/TiO2复合涂层在牙种植体表面均匀分布，2]将牙种植体放置在烘箱中干燥；3]把牙种植体放入烧结炉中热处理。
作为一种改进，第三步中HA涂层采用第二溶胶凝胶法制备，第二溶胶凝胶法包括以下步骤：
（1）HA溶胶的配制：采用Ca(NO3)2·4H2O和P2O5作为前驱体，将含有P的无水乙醇溶液均匀滴加到含Ca的无水乙醇溶液中，保持溶液中Ca/P=5/3，磁力搅拌后陈化形成溶胶；
（2）制备HA涂层：1）将牙种植体浸入到HA溶胶中，然后以均匀的速度提升使形成的HA涂层在牙种植体表面均匀分布，2）将牙种植体放置在烘箱中干燥；3）把牙种植体放入烧结炉中热处理。
作为一种改进，磷灰石/胶原涂层采用仿生法沉积在牙种植体表面。
作为一种改进，第二步步骤中，生成梯度TiO2/La-HA=（100-x）/ x，其中x=20、40、60、80。
本发明的有益效果：生物梯度涂层的主要特征有以下三点：①涂层的组分和结构呈连续性变化；②材料内部没有明显界面；③材料的性质也相应呈梯度变化。因为上述特征而使生物梯度涂层具有以下优点：
（1）减少及优化应力分布，改善材料的力学相容性，减少植入材料与骨组织弹性模量不匹配造成的应力集中，并保持复合后材料的整体力学性能，且能最大限度地发挥复合材料各自的优异特性；
（2）在成分中引入连续逐级的梯度来提高不同基体(如金属与陶瓷等)之间的界面结合强度，避免植入材料使用过程中涂层脱落；
（3）可以通过控制梯度层的几何形状和成分分布来控制热应力的大小，使层间的热应力缓和，抑制界面的应力集中；
（4）通过对复合生物材料界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹沿着或穿过界面扩展的驱动力；
（5）通过多材料生物学活性梯度的调整，使梯度涂层在保持其他性能的同时，增加其表面生物学活性。
在钛表面制备出La-HA/TiO2复合涂层，有效降低纯HA涂层溶解性过大以及原来HA与金属界面存在的不稳定问题，增强了涂层的化学稳定性和结合力；采用新的涂层设计，由金属基底、HA/金属氧化物复合层、HA、HA/生物活性大分子物质逐步过渡，从内到外生物活性、溶解度增加的梯度，以及从外到内化学稳定性、结合强度增加的梯度。
La-HA/TiO2复合涂层和磷灰石/胶原涂层中含有的稀土La在抑制根面龋的无机、有机、细菌代谢以及细胞毒性方面均优于其他材料，可以与牙釉质中的钙发生置换反应生成更耐酸的牙釉质，使牙齿外环境中的钙饱和度上升而阻止牙齿脱矿，并可促进脱矿釉质再矿化，从而提高牙齿的防龋能力；将La掺入 HA中，取代部分Ca的位置，HA能提高硬组织抵御酸的能力, 含La磷灰石具有更高的热稳定性以及更低的溶解度；La还可以促进成骨细胞增殖，增强体外培养的成骨细胞的碱性磷酸酶活性与矿化结节形成能力，促进成骨作用。
附图说明
图1是本发明的生物梯度涂层的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1所示，为本发明牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法的一种具体实施例。该实施例包括牙种植体，对牙种植体进行以下步骤的操作：
第一步，将钛片用SiC金相砂纸打磨、清洗、干燥后设置在牙种植体表面形成钛基底层；
第二步，在钛基底层表面制备La-HA/TiO2复合涂层，生成梯度TiO2/La-HA=（100-x）/ x，其中x=20~80，x间隔20，即x的取值优选为20、40、60、80，实现涂层热膨胀系数和弹性模量的梯度过渡；
第三步，在La-HA/TiO2复合涂层表面制备HA涂层；
第四步，将牙种植体置于含有La的磷灰石/胶原溶液中，在表面形成磷灰石/胶原涂层。
溶胶凝胶法是将涂层物质或其前驱体制成溶胶，使之均匀覆盖于基板的表面，由于溶剂的迅速挥发以及后续的缩聚反应而凝胶化，再经干燥和热处理，以获得所需的涂层。与传统无机材料制备法相比，溶胶凝胶法主要是有以下几个优点：一、体系中的组分分布均匀，可以达到纳米级甚至分子级水平；二、虽然溶胶凝胶法的产物可以是无定形，也可以是结晶态，但由于反应在原子、分子水平上进行，因此可在最大程度上提高其化学各向同性；三、材料制备过程易于控制，产物纯度高；四、可以在形态复杂的种植体表面形成均匀的涂层。
作为一种改进的具体实施方式，La-HA/TiO2复合涂层和HA涂层的制备通过溶胶凝胶法实现，所述第二步中La-HA/TiO2复合涂层采用第一溶胶凝胶法制备，第一溶胶凝胶法制备包括以下步骤：
[1] La-HA溶胶的配制：采用Ca(NO3)2·4H2O和P2O5作为前驱体，将含有P的无水乙醇溶液均匀滴加到含Ca的无水乙醇溶液中，保持溶液中Ca/P=5/3，并继续加入含有La的无水乙醇溶液，La/(Ca+La)的配比可为1/10、1/5、3/10，磁力搅拌后陈化形成溶胶；
[2] Na2Ti6O13溶胶的配制：将钛酸丁酷(TiPT)溶于无水乙醇形成TiPT溶液，在TiPT溶液中加入HNO3、H2O、NaNO3，TiPT ：HNO3 ：H2O ：NaNO3= 3 ：1.5 ：12 ：1，加入NaNO3时速度不可过快，边加边搅拌，同时超声振荡，使混和溶液始终保持清亮透明，在室温下恒温用磁力搅拌器搅拌1.5小时制备出Na2Ti6O13溶胶；
[3] La-HA/TiO2溶胶的配制：通过在La-HA溶胶中添加Na2Ti6O13溶胶，制出La-HA/TiO2溶胶；
[4] 制备La-HA/TiO2复合涂层：1]将牙种植体浸入到La-HA/TiO2溶胶中，然后以50mm/min的速度提升使形成的La-HA/TiO2复合涂层在牙种植体表面均匀分布，2]将牙种植体放置在烘箱中干燥；3]把牙种植体放入烧结炉中热处理。
作为一种改进的具体实施方式，第三步中HA涂层采用第二溶胶凝胶法制备，第二溶胶凝胶法包括以下步骤：
（1）HA溶胶的配制：采用Ca(NO3)2·4H2O和P2O5作为前驱体，将含有P的无水乙醇溶液均匀滴加到含Ca的无水乙醇溶液中，保持溶液中Ca/P=5/3，磁力搅拌后陈化形成溶胶；
（2）制备HA涂层：1）将牙种植体浸入到HA溶胶中，然后以均匀的速度提升使形成的HA涂层在牙种植体表面均匀分布，2）将牙种植体放置在烘箱中干燥；3）把牙种植体放入烧结炉中热处理。
作为一种改进的具体实施方式，磷灰石/胶原涂层采用仿生法沉积在牙种植体表面。磷灰石/胶原涂层比单纯HA涂层有更强的骨传导性和骨诱导性，将之作为一种表面涂层，可使植入材料初期生物活性增强，使骨质迅速在材料表面形成。大多数种植体表面钙磷涂层技术需要在高温或者非生理条件下完成，不能在涂层中掺入具有生物活性的有机大分子物质。而仿生法在是在常温生理条件下制备涂层，即模仿人体内磷灰石的生理矿化机制，使磷灰石和胶原在类似于人体环境条件的仿生体液中自然共沉积形成。
最内层La-HA/TiO2复合涂层在钛基底层和HA涂层之间形成致密层封闭金属表面，消除明显的金属/非金属界面；La-HA本身具有比HA更强的稳定性，溶解度低，可保证涂层的长期稳定性；金属氧化物TiO2的加入能缓解陶瓷涂层和金属基底之间热膨胀系数和弹性模量的差异，降低残余热应力，从而提高二者间的结合强度；中间层采用纯HA涂层，提高涂层的生物活性，并与内、外涂层形成化学组成梯度；表面形成多孔结构磷灰石/胶原涂层，与天然骨磷灰石结构更加相近，有相对较大的溶解性，植入早期即可以释放出较多的Ca、P，促进成骨细胞增殖分化，加快新骨形成速度，增加早期骨结合率。梯度涂层有利于缓和涂层和基底金属之间化学和物理性质的差异，达到了种植体表面到骨组织的平缓过渡。当最外层磷灰石/胶原涂层溶解，中间层HA涂层仍然具有良好的生物活性以及远期稳定性，可以继续行使功能。

Claims (5)

1.一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法，其特征是包括牙种植体，对牙种植体进行以下步骤的操作：
第一步，将钛片用SiC金相砂纸打磨、清洗、干燥后设置在牙种植体表面形成钛基底层；
第二步，在钛基底层表面制备La-HA/TiO2复合涂层，生成梯度TiO2/La-HA=（100-x）/ x，其中x=20~80，实现涂层热膨胀系数和弹性模量的梯度过渡；
第三步，在La-HA/TiO2复合涂层表面制备HA涂层；
第四步，将牙种植体置于含有La的磷灰石/胶原溶液中，在表面形成磷灰石/胶原涂层。
2.根据权利要求1所述的一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法，其特征是所述La-HA/TiO2复合涂层和HA涂层的制备通过溶胶凝胶法实现，所述第二步中La-HA/TiO2复合涂层采用第一溶胶凝胶法制备，第一溶胶凝胶法制备包括以下步骤：
[1] La-HA溶胶的配制：采用Ca(NO3)2·4H2O和P2O5作为前驱体，将含有P的无水乙醇溶液均匀滴加到含Ca的无水乙醇溶液中，保持溶液中Ca/P=5/3，并继续加入含有La的无水乙醇溶液，无水乙醇溶液中La和(Ca+La)的比例达到La/(Ca+La)= 1/5，磁力搅拌后陈化形成溶胶；
[2] Na2Ti6O13溶胶的配制：将钛酸丁酷(TiPT)溶于无水乙醇形成TiPT溶液，在TiPT溶液中加入HNO3、H2O、NaNO3，TiPT ：HNO3 ：H2O ：NaNO3= 3 ：1.5 ：12 ：1，在室温下恒温用磁力搅拌器搅拌制备出Na2Ti6O13溶胶；
[3] La-HA/TiO2溶胶的配制：通过在La-HA溶胶中添加Na2Ti6O13溶胶，制出La-HA/TiO2溶胶；
[4] 制备La-HA/TiO2复合涂层：1]将牙种植体浸入到La-HA/TiO2溶胶中，然后以50mm/min的速度提升使形成的La-HA/TiO2复合涂层在牙种植体表面均匀分布，2]将牙种植体放置在烘箱中干燥；3]把牙种植体放入烧结炉中热处理。
3.根据权利要求2所述的一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法，其特征是所述第三步中HA涂层采用第二溶胶凝胶法制备，第二溶胶凝胶法包括以下步骤：
（1）HA溶胶的配制：采用Ca(NO3)2·4H2O和P2O5作为前驱体，将含有P的无水乙醇溶液均匀滴加到含Ca的无水乙醇溶液中，保持溶液中Ca/P=5/3，磁力搅拌后陈化形成溶胶；
（2）制备HA涂层：1）将牙种植体浸入到HA溶胶中，然后以均匀的速度提升使形成的HA涂层在牙种植体表面均匀分布，2）将牙种植体放置在烘箱中干燥；3）把牙种植体放入烧结炉中热处理。
4.根据权利要求3所述的一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法，其特征是所述磷灰石/胶原涂层采用仿生法沉积在牙种植体表面。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种牙种植体表面生物梯度涂层的制备方法，其特征是所述第二步步骤中，生成梯度TiO2/La-HA=（100-x）/ x，其中x=20、40、60、80。
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