CN103656747A - 一种医用植入体及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种医用植入体，所述植入体包括：钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；沉积在所述钛基体上的镁黄长石涂层。本发明还提供所述植入体的制备方法及其用途。本发明提供具有生物活性和生物相容性的生物医用材料，其生物活性涂层与基体具有高结合强度。

Description

一种医用植入体及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种新的硬组织植入体材料的制备方法，更确切的说涉及的是钛合金上沉积镁黄长石生物活性涂层构成的镁黄长石涂层－钛合金硬组织植入体材料及制备方法，属于医用生物材料领域。

背景技术

随着社会老龄化进程的加速，以及车祸等意外原因导致的骨折、骨缺损事故的增多，对生物骨科材料的需要逐年增加。在众多生物骨科材料中，生物陶瓷涂层材料由于结合了金属（或合金）优良的机械性能和生物陶瓷良好的生物学性能，成为临床上广泛应用的承载骨植入材料之一。由于常用的生物陶瓷涂层不是生物活性较差，就是与基体钛合金的结合强度较低，或是体内稳定性较差，人们采用大量措施进行改善，但都未取得满意的结果。

镁黄长石生物陶瓷在模拟体液中具有诱导磷灰石矿化能力和相对可控的降解速度，同时具有较好的机械性能。镁黄长石生物陶瓷和支架能支持成骨细胞，骨骼间充质干细胞[6]和牙周膜细胞的粘附。同时镁黄长石陶瓷的浸出液能刺激多种干细胞的增殖和分化，包括牙髓细胞、骨髓间充质干细胞、脂肪干细胞牙周膜细胞。镁黄长石陶瓷和支架不但具有良好的体外生物活性，动物实验研究显示镁黄长石支架还具有很好的体内生物活性。镁黄长石支架植入兔子股骨缺损显示在植入的早期和后期，比β－磷酸三钙（β－TCP）具有更好的成骨活性，同时在植入后期阶段，镁黄长石的新骨形成速率高于β－TCP。同时，镁黄长石作为涂层材料制备出具有生物活性和生物相容性的生物医用材料在国内外尚未见报导。因此，制备镁黄长石涂层－钛合金硬组织植入体材料具有很强的实用意义。

发明内容

本发明的第一目的在于获得一种具有生物活性和生物相容性的医用植入体，且生物活性涂层与基体具有高结合强度。

本发明的第二目的在于获得一种具有生物活性和生物相容性的医用植入体的制备方法，且生物活性涂层与基体具有高结合强度。

本发明的第三目的在于获得一种镁黄长石涂层在生物活性和生物相容性的医用植入体中的应用。

本发明的第一方面提供一种医用植入体，所述植入体包括：

钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；

沉积在所述钛基体上的镁黄长石涂层。

在本发明的一个具体实施方式中，所述钛合金包括Ti-6Al-4V，Ti-5Al-2.5Fe,Ti-6Al-7Nb,Ti-13Nb-13Zr,Ti-12Mo-6Zr-2Fe,Ti-35Nb-7Zr-5Ta,Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr,Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr,Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0.4O,Ti-15Mo-5Zr-3Al,或Ti-Mo。

在本发明的一个具体实施方式中，所述钛合金基体是Ti-6Al-4V基体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述镁黄长石涂层的主要晶相为镁黄长石相。

在本发明的一个具体实施方式中，所述涂层的强度采用ASTM C633-79方法测得为38.7-42.2MPa。

本发明的第二方面提供一种本发明所述的医用硬组织植入体的制备方法，其包括如下步骤：

提供钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；

提供镁黄长石粉体；

采用大气等离子喷涂方法将所述镁黄长石粉体沉积于所述钛基体的表层，得到所述医用硬组织植入体。

优选的，所述钛基体经过表面处理，所述表面处理包括清洗、或喷砂。

在本发明的一个具体实施方式中，采用化学法合成镁黄长石，更优选的，得到的镁黄长石通过造粒制成粒径为40-80μm的镁黄长石粉体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述的造粒工艺是将0.5-10μm镁黄长石粉体压制成陶瓷片，在1300-1400°C的高温下煅烧3-8个小时，破碎，过200目－400目筛，得到粒径为40-80μm的镁黄长石粉体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述大气等离子喷涂技术的工艺参数是：

等离子气体Ar流量为35-45标准升/分钟，

H₂流量为5-15标准升/分钟，

喷涂距离为80-130mm，

粉末载气流量为3.0±1标准升/分钟，

送粉速率为20±10g/min，

喷涂电流为550-650A，

电压为60-70V。

本发明的第三方面提供一种镁黄长石涂层在所述的医用植入体的应用。

附图说明

通过下面的结合附图对本发明所做的详细说明，可以更好的理解上文所述的内容。其中所给附图为实例2的结果。

图1为镁黄长石造粒后粉体和喷涂涂层的XRD图，图中的粉体晶相为纯的镁黄长石相，涂层的主晶相为镁黄长石相，同时含有大量的非晶相。

图2为镁黄长石涂层表面和截面的SEM图。(a)为镁黄石涂层表面形貌图；(b)为(a)的放大图，可以看出涂层表面由100nm左右的小颗粒构成；(c)为镁黄长石涂层抛光截面形貌图。

图3为镁黄长石涂层在在模拟体液中浸泡6天后表面的SEM图和EDS图。从(a)图可以看出沉积物为片装结构。从(b)图可以得出沉积物的Ca/P比为1.58，接近羟基磷灰石的Ca/P比(Ca/P=1.67)

图4为镁黄长石涂层在模拟体液中浸泡14天后截面抛光形貌图。可以看出浸泡后的涂层由类骨磷灰石层、富硅层和原始涂层三层构成。

图5为兔子骨髓间充质干细胞在镁黄长石涂层和羟基磷灰石涂层表面培养1，3，7天后的SEM图。(a),(b)和(c)分别为兔子骨髓间充质干细胞在镁黄长石涂层表面培养1，3，7天后的SEM图。(d),(e)和(f)分别为(a),(b)和(c)的局部放大图；(g),(h)和(i)分别为兔子骨髓间充质干细胞在羟基磷灰石涂层表面培养1，3，7天后的SEM图。(j),(k)和(l)分别为(g),(h)和(i)的局部放大图。从图中可以看出，经过1天的培养，兔子骨髓间充质干细胞在镁黄长石涂层表面呈伸长状态(a)，高倍SEM照片显示细胞紧密贴附于涂层，并可以观察到细小的丝状伪足(d)。兔子骨髓间充质干细胞在羟基磷灰石涂层表面的形态与在镁黄长石涂层表面相似(g)，只是没有看到细小的丝装伪足(j)。经过3天的培养，细胞在镁黄长石涂层表面明显增多(b)，并呈铺平形态(e)。经过7天的培养，细胞在镁黄长石涂层表面交错生长形成一层细胞(c)，然而，羟基磷灰石涂层表面依然没有生长很多的细胞(i)。

图6为兔子骨髓间充质干细胞在镁黄长石涂层和羟基磷灰石涂层表面培养1，3，7天后的MTT测试结果图。从图中可以看出，经过1天的培养，兔子骨髓间充质干细胞在镁黄长石涂层和羟基磷灰石涂层表面的增殖速度相差不大。培养3天后，细胞在镁黄长石涂层表面的增殖速度明显高于羟基磷灰石涂层。经过7天的培养后，细胞在两种涂层表面增殖速度的差异变得更加明显。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，获得了出具有生物活性和生物相容性的生物医用材料。在此基础上完成了本发明。

本发明中，术语“含有”或“包括”表示各种成分可一起应用于本发明的混合物或组合物中。因此，术语“主要由...组成”和“由...组成”包含在术语“含有”或“包括”中。

本发明涉及一种新的硬组织植入体材料的制备方法，更确切的说涉及的是钛合金上沉积镁黄长石（Ca₂MgSi₂O₇）生物活性涂层，即镁黄长石涂层－钛合金硬组织植入体材料及制备方法，属于医用生物材料领域。其特征是镁黄长石涂层的主要晶相为镁黄长石相，同时允许有无定形相存在(不影响结合强度的情况下)。

制备的方法为用化学法合成纯的镁黄长石，然后通过造粒制成粒径为40-80μm的粉体。采用大气等离子喷涂方法将粉体沉积于已清洗和喷砂的钛合金基体上，制得镁黄长石涂层植入体。相对于常用的羟基磷灰石涂层，植入体表面的镁黄长石涂层与钛合金的结合强度更高，生物活性更好，能促进细胞的增殖和成骨分化，是一种新型的硬组织植入体涂层。提供一种具有良好的生物活性和成骨性能的承载骨植入材料。

以下对本发明的各个方面进行详述：

如无具体说明，本发明的各种原料均可以通过市售得到；或根据本领域的常规方法制备得到。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

医用植入体

本发明的第一方面提供一种医用植入体，所述植入体包括：

钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；

沉积在所述钛基体上的镁黄长石涂层。

在本发明的一个具体实施方式中，所述钛合金包括Ti-6Al-4V，Ti-5Al-2.5Fe,Ti-6Al-7Nb,Ti-13Nb-13Zr,Ti-12Mo-6Zr-2Fe,Ti-35Nb-7Zr-5Ta,Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr,Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr,Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0.4O,Ti-15Mo-5Zr-3Al,或Ti-Mo。

所述“Ti-6Al-4V基体”等钛合金可以市售得到，例如上海艳钛金属材料有限公司。

在本发明的一个具体实施方式中，所述钛合金基体是Ti-6Al-4V基体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述镁黄长石涂层的主要晶相为镁黄长石相。

镁黄长石涂层的厚度可以根据不同的需求改变，可以做到500-600μm甚至1毫米，或者50-60μm都可以。实验室一般喷涂的厚度可以为200-300μm。作为实际应用时，其厚度一般为50-60μm。

在本发明的一个具体实施方式中，所述涂层的强度采用ASTM C633-79方法测得为38.7-42.2MPa。

医用植入体的制备方法

本发明的第二方面提供一种本发明所述的医用植入体的制备方法，其包括如下步骤：

提供钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；

提供镁黄长石粉体；

采用大气等离子喷涂方法将所述镁黄长石粉体沉积于所述钛基体的表层，得到所述医用硬组织植入体。

优选的，所述钛基体经过表面处理，所述表面处理包括清洗、或喷砂。

钛合金基体的清洗和喷砂是一般等离子喷涂过程中常用的工艺，其工艺参数无需在此详述，本领域的一般技术人员均能掌握并熟知。

在本发明的一个具体实施方式中，采用化学法合成镁黄长石，更优选的，得到的镁黄长石通过造粒制成粒径为40-80μm的镁黄长石粉体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述的造粒工艺是将0.5-10μm镁黄长石粉体压制成陶瓷片，在1300-1400°C的高温下煅烧3-8个小时，破碎，过200目－400目筛，得到粒径为40-80μm的镁黄长石粉体。

在本发明的一个具体实施方式中，所述大气等离子喷涂技术的工艺参数是：

等离子气体Ar流量为35-45标准升/分钟，

H₂流量为5-15标准升/分钟，

喷涂距离为80-130mm，

粉末载气流量为3.0±1标准升/分钟，

送粉速率为25±10g/min，

喷涂电流为550-650A，

电压为60-70V。

本发明的具体工艺过程如下：选取镁黄长石粉体，同时为了提高原料的流动性和沉积效率，对粉体进行了造粒，具体的说就是将镁黄长石粉体压片，然后在高温下煅烧，破碎，过200-400目筛，最后得到粒径为40-80μm的镁黄长石造粒后颗粒。之后在优化的工艺参数（见表1）下将镁黄长石粉体喷涂于已清洗和喷砂的钛合金基体上。

表1喷涂参数

*slpm:标准升/分钟

模拟体液浸泡实验表明浸泡6天后涂层表面覆盖了一层类骨磷灰石，兔子骨髓间充质干细胞培养实验表明，细胞在涂层表面粘附和增殖良好，MTT实验显示兔子骨髓间充质干细胞在镁黄长石涂层表面的增殖高于常用的羟基磷灰石涂层。镁黄长石涂层－钛合金硬组织植入体材料的结合强度是用ASTM C633-79方法测得的，为38.7-42.2MPa，明显高于临床使用的羟基磷灰石涂层。

本发明的其他方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。除非另外说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比，所述的聚合物分子量为数均分子量。

除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

实施例1

下面结合实例对本发明作进一步说明，但它们并不是对本发明作任何限制。

选取镁黄长石粉体，同时为了提高原料的流动性和沉积效率，对粉体进行了造粒，具体的说就是将颗粒大小在0.5μm-10μm的镁黄长石粉体压片，然后在高温下煅烧，破碎，过200-400目筛，最后得到粒径为40-80μm的镁黄长石造粒后颗粒。之后在优化的工艺参数（见表1）下将镁黄长石粉体喷涂于已清洗和喷砂的钛合金基体上。

利用大气等离子喷涂技术（喷涂参数列于表2），将镁黄长石粉体沉积于已清洗和喷砂的Ti-6Al-4V基体上。喷涂后，镁黄长石涂层的主晶相为镁黄长石相，同时有无定形相存在。利用ASTM C633-79方法测得的涂层的结合强度约为38.7MPa。

表2喷涂参数

镁黄长石涂层－钛合金硬组织植入体材料的结合强度是用ASTM C633-79方法测得的，为38.7-42.2MPa，明显高于临床使用的羟基磷灰石涂层。

等离子喷涂镁黄长石涂层的主晶相是镁黄长石相，同时有的无定形相存在（图1）。

模拟体液浸泡实验表明，经过6天的浸泡，镁黄长石涂层表面覆盖了一层类骨磷灰石（图2），这表明等离子喷涂镁黄长石涂层具有很好的矿化能力。

兔子骨髓间充质干细胞培养实验表明，细胞能在镁黄长石涂层表面很好的粘附和增殖（图3），同时MTT测试显示兔子骨髓间充质干细胞在镁黄长石涂层表面的增殖高于常用的羟基磷灰石涂层（图4）。

实施例2

将0.5μm-10μm镁黄长石粉体压制成陶瓷片，在1300-1400°C的高温下煅烧3-8个小时，破碎，过200目－400目筛，制得镁黄长石喷涂粉体。采用表3的喷涂参数，将造粒后的镁黄长石粉末沉积于已清洗和喷砂的Ti-6Al-4V基体上。

喷涂后，镁黄长石涂层的主晶相为镁黄长石相，同时有大量的玻璃相存在。利用ASTM C633-79方法测得的涂层的结合强度约为40.6MPa。模拟体液浸泡实验表明浸泡6天后涂层表面覆盖了一层类骨磷灰石，兔子骨髓间充质干细胞培养实验表明，细胞在涂层表面粘附和增殖良好，MTT实验显示兔子骨髓间充质干细胞在镁黄长石涂层表面的增殖高于常用的羟基磷灰石涂层。

表3喷涂参数

对比例1

采用表4的喷涂参数，将颗粒大小为40-80μm的羟基磷灰石粉体沉积于已清洗和喷砂的Ti-6Al-4V基体上。喷涂后，羟基磷灰石涂层的主晶相为羟基磷灰石相，同时有大量的无定形相存在。利用ASTM C633-79方法测得的涂层的结合强度约为12.9MPa，低于镁黄长石涂层的结合强度。兔子骨髓间充质干细胞培养实验表明，细胞能在涂层表面粘附，但差于细胞在镁黄长石涂层表面的粘附（图5）。同时，MTT实验显示兔子骨髓间充质干细胞在羟基磷灰石涂层表面的增殖速率低于在镁黄长石涂层表面的增殖速率（图6）。

表4喷涂参数

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种医用植入体，其特征在于，所述植入体包括：

钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；

沉积在所述钛基体上的镁黄长石涂层。

2.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述钛合金包括Ti-6Al-4V，Ti-5Al-2.5Fe,Ti-6Al-7Nb,Ti-13Nb-13Zr,Ti-12Mo-6Zr-2Fe,Ti-35Nb-7Zr-5Ta,Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr,Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr,Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0.4O,Ti-15Mo-5Zr-3Al,或Ti-Mo。

3.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述钛合金基体是Ti-6Al-4V基体。

4.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述镁黄长石涂层的主要晶相为镁黄长石相。

5.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述涂层的强度采用ASTM C633-79方法测得为38.7-42.2MPa。

6.一种如权利要求1所述的医用植入体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；

提供镁黄长石粉体；

采用大气等离子喷涂方法将所述镁黄长石粉体沉积于所述钛基体的表层，得到所述医用硬组织植入体。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

采用化学法合成镁黄长石，

得到的镁黄长石通过造粒制成粒径为40-80μm的镁黄长石粉体。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的造粒工艺是将0.5-10μm镁黄长石粉体压制成陶瓷片，在1300-1400°C的高温下煅烧3-8个小时，破碎，过200目－400目筛，得到粒径为40-80μm的镁黄长石粉体。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述大气等离子喷涂技术的工艺参数是：

等离子气体Ar流量为35-45标准升/分钟，

H₂流量为5-15标准升/分钟，

喷涂距离为80-130mm，

粉末载气流量为3.0±1标准升/分钟，

送粉速率为20±10g/min，

喷涂电流为550-650A，

电压为60-70V。

10.一种镁黄长石涂层在如权利要求1所述的医用植入体的应用。

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