CN103805987B - 一种图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法，使用金属或金属合金为基材，在经过喷砂和清洗的金属植入体表面覆盖具有图案的网格模版；用电弧等离子体法将300~600目的钛粉喷涂在所述金属植入体表面，形成具有图案和沟槽或孔管的钛表面层。本发明利用电弧等离子体法喷涂和特殊掩模技术，方法简单，制备了具有大于100微米贯通孔管及各种不同几何图案表面层；在制备具有贯通孔管结构表面的同时还可通过控制电弧等离子体法喷涂粉体粒径及喷涂工艺参数，在孔管壁及图案表面形成具有次微米级结构层，从而刺激细胞快速响应作用，有效提高了新骨组织的形成和植入体的早期固定，最终获得早期响应迅速、长期稳定的骨替代材料。

Description

一种图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法

技术领域

本发明属于医药生物材料技术领域，尤其涉及一种图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法。

背景技术

随着老龄化问题的加剧及人们生活水平的提高，对生物材料的需求日益增加。全球生物材料及制品年销售额已突破1000亿美元，并以每年20％的速度递增，而我国的年增速更高达28%。骨替代产品是生物医用领域的关键材料之一，其来源一般包括三个方面：自体骨、异体骨和人工骨。自体骨由于具有与自然骨完全相同的组成、结构和性能，是最佳的替代材料，但来源有限，且易造成新的损伤。异体骨移植则容易引起免疫反应，因此，人工骨替换材料在现代医疗实践中得到大量的应用。

金属材料特别是钛及钛合金因其生物相容性好、比强度高和抗腐蚀性能优异而被医学界广泛应用。但钛及其合金由于其弹性模量与自然骨组织相差较大，力学性能不匹配，且呈生物惰性，植入后与人体组织不能形成生物键合。因此，如何改善金属骨植入体与自然骨组织的力学匹配性，加快细胞响应速度，促进细胞的骨性分化，加速植入体的骨整合，一直是骨替代材料的研究热点与重点。

采用现代化制造技术手段，模仿自然骨组织特殊精巧的结构特征，在骨植入材料表面设计制备具有典型骨结构特点表面，特别是具有大于100微米贯通孔的多级结构表面，可显著激发细胞的快速响应和新骨组织的形成，加快植入体的骨整合和长期骨固定。其中的贯通孔管是刺激细胞粘附与增殖，营养物质渗透，构筑新骨组织的重要因素，直接影响植入体能否与受体良好适应并达到修复缺损目的，因此，骨植入体表面贯通孔管的设计与制备显得尤为重要。

骨植入体多孔表面的构建技术很多，如钛珠烧结、电弧等离子体法喷涂等是现在医疗行业应用相对广泛的骨植入体表面处理技术。但钛珠烧结由于表面层内部粘结强度过低，在人工关节长期受力条件下很容易产生脱落现象，影响植入体稳定性。而电弧等离子体法喷涂由于工艺简单、经济，喷涂钛涂层粘结强度高，在医疗实践中得到广泛应用。但喷涂技术难以制备大孔涂层，特别是孔径大于100微米贯通孔的构建一直是生物相容涂层喷涂制备的难点，迄今未能得到很好的解决。大量研究发现，100微米以上贯通孔管是营养输送和骨组织长入的重要条件。人们尝试采用各种织构技术以制备具有大的贯通孔管表面层，如最新的3D打印技术所制备大孔连通表面可应用于膝关节表面，但依然难以满足髋关节高负载需求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法，旨在解决现有的人工骨替代材料存在的钛及其合金由于其弹性模量与自然骨组织相差较大，力学性能不匹配，且呈生物惰性，植入后与人体组织不能形成生物键合的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法，该图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一，使用金属或金属合金为基材，在经过喷砂和清洗的金属植入体表面覆盖具有图案的网格模版；

步骤二，用电弧等离子体法将300~600目的钛粉喷涂在所述金属植入体表面，形成具有图案和沟槽或孔管的钛表面层。

进一步，在步骤一中，图案为方形或圆形。

进一步，在步骤二中，电弧等离子体法喷涂的参数为：等离子体气体为Ar 35~55标准升/分钟和H₂7~15标准升/分钟，粉末载气为Ar1.4~3.5标准升/分钟，喷涂距离200mm~400mm，喷涂电流550A~700A，真空度为40mbar~250mbar。

进一步，在步骤二中通过喷涂可在植入体表面构建沟槽，或者通过2次或2次以上喷涂获得贯通孔管。

进一步，网格模板采用生物相容性的钛质网格。

进一步，覆盖掩模的金属植入体可经过一次喷涂而获得具有表面图案和沟槽深度的钛涂层表面，也可多次喷涂而获得具有交织孔管和图案表面。

本发明提供的图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法，利用电弧等离子体法喷涂和特殊掩模技术，可方便制备具有大于100微米贯通孔管及各种不同几何图案表面层；在制备具有贯通孔管结构表面的同时还可通过控制电弧等离子体法喷涂粉体粒径及喷涂工艺参数，采用后处理工艺，在孔管壁及图案表面形成具有次微米级结构层，从而刺激细胞快速响应作用，有效提高了新骨组织的形成和植入体的早期固定，最终获得早期响应迅速、长期稳定的骨替代材料。本发明具有贯通孔管的图案化钛涂层具有比常规钛涂层更好的细胞相容性，适合作为硬组织替换材料。

附图说明

图1是本发明实施例提供的图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法包括以下步骤：

S101：在经过喷砂和清洗的金属植入体表面覆盖具有一定图案的网格模版；

S102：用电弧等离子体法将300~600目的钛粉喷涂在所述金属植入体表面，形成具有一定图案和沟槽或孔管的钛表面层。

本发明是由金属或金属合金为基材，在基材上覆盖具有一定图案的网格模板，以电弧等离子体法喷涂方法进行喷涂制备图案化钛涂层。

在步骤S102中，电弧等离子体法喷涂技术，其喷涂技术参数为：等离子体气体为Ar35~55标准升/分钟和H₂7~15标准升/分钟，粉末载气为Ar1.4~3.5标准升/分钟，喷涂距离200mm~400mm，喷涂电流550A~700A，真空度为40mbar~250mbar。

所采用的喷涂粉料以300目~600目之钛粉较佳，通过改变喷涂粉料粒径大小可控制图案表面或孔管壁的粗糙度，从而改善细胞的早期响应。

图案形状（如方形、圆形或其它形状）、图案大小等可由网格模板的网孔形状、网孔大小等进行控制；通过喷涂可在植入体表面构建具有一定粗细的沟槽，或者通过2次或2次以上喷涂获得一定管径大小的贯通孔管。此类沟槽或孔管不但有利于通过组织长入加强植入体的稳定，还有利于营养的输送和植入体与骨组织间力学相容性的提高，还可通过控制喷涂遍数以改变沟槽深度或孔管参数。

网格模板，以具有较好生物生物相容性的钛质网格较佳，可避免带入其它杂志以影响植入体之生物相容性。当然也不排除其它材料的网格模板。

本发明的工作原理为：

本发明的具体工艺过程如下：金属基材经清洗、喷砂等一般电弧等离子体法喷涂过程常用工艺后，用作真空电弧等离子体法喷涂。其清洗和喷砂属于电弧等离子体法喷涂一般工艺。

经清洗和喷砂的金属植入体表面根据需要覆盖不同网格形状（如圆形、方形、三角形等）、不同粗细网格线的钛网或其它网布作为掩模。选取粒径范围在300~600目之较细钛粉，纯度要求达到医用材料标准，流动性能良好，适于电弧等离子体法喷涂。采用表1所示电弧等离子体法喷涂参数进行喷涂。

表1 真空电弧等离子体法喷涂参数

* slpm: 标准升/分钟

覆盖掩模的金属植入体可经过一次喷涂而获得具有一定表面图案和沟槽深度的钛涂层表面，也可多次喷涂而获得具有交织孔管和图案表面。

结合以下的具体实施例对本发明做进一步的说明:

实施例1：通过使用不同规格和网格形状的网模，可制备具有不同形状和图案钛涂层。通过一次喷涂可制备具有贯通沟槽的图案化表面，通过2次、3次或多次喷涂不但可构建具有特定粗糙度的图案化表面，加速细胞的早期响应，还可在表面层内部构建贯大于100微米的贯通通孔管，有利于营养输送和骨组织的长入，改善植入体与人体骨组织力学匹配性，加快植入体与自然骨组织的骨键合，提高植入体的长期稳定性。

涂层的详细制备过程如下：在已清洗和喷砂的钛合金基材上覆盖一定网格形状和网孔大小的掩模，然后采用电弧等离子体法喷涂技术及表1所示工艺参数进行喷涂。掩模喷涂法制备的植入体表面涂层光学形貌由低倍光学图片可见，涂层具有较高的粗糙度，表面具有规整沟槽和方形突起。放大的电子扫描照片显示，微米级的沟槽底部或者方形表面显示出1-3微米的粗糙不平表面特征，此范围粗糙度表面非常适合细胞粘附、增殖等行为，有利于细胞的快速响应及植入体早期固定。

图案化结构表面的体外细胞相容性采用人骨髓干细胞培养实验评价。细胞在常规钛涂层和图案化钛涂层表面都能很好粘附。采用MTT法定量测定的细胞在两种涂层表面粘附数量，无论是在4h、8h或12h的三个测定点，细胞在图案化钛涂层表面的粘附数量都明显高于对照组的常规钛涂层，细胞在涂层表面的增殖行为，除第一天传统钛涂层和图案化钛涂层表面细胞增殖差别不明显外，本发明中监测的4、7、14天细胞在图案化钛涂层表面的增殖行为都明显高于传统钛涂层。

本发明还提供了植入新西兰大白兔后腿骨2个月后的组织学切片形貌，结果显示图案化钛涂层比常规钛涂层具有更好的骨整合性能。图案化钛涂层（A）与原宿主骨组织接触良好，二者间的孔隙较少；而常规钛涂层与宿主骨组织间相对孔隙较多。计算结果显示图案化钛涂层与原骨组织间的骨接触率为76.4％，而常规钛涂层与骨组织间的骨接触率仅为51.2％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法，其特征在于，该图案化钛涂层硬组织替代材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一，使用金属或金属合金为基材，在经过喷砂和清洗的金属植入体表面覆盖具有图案的网格模版 ；

步骤二，用电弧等离子体法将 300~600 目的钛粉喷涂在所述金属植入体表面，形成具有图案和沟槽或孔管的钛表面层；

在步骤一中，图案为方形或圆形；

在步骤二中，电弧等离子体法喷涂的参数为：等离子体气体为Ar 35~55标准升/分钟和H₂7~15标准升 / 分钟，粉末载气为 Ar1.4~3.5 标准升 / 分钟，喷涂距离 200mm~400mm，喷涂电流550A~700A，真空度为 40mbar~250mbar；

在步骤二中通过喷涂可在植入体表面构建沟槽，或者通过 2 次或 2 次以上喷涂获得贯通孔管；

网格模板采用生物相容性的钛质网格；

覆盖掩模的金属植入体可经过一次喷涂而获得具有表面图案和沟槽深度的钛涂层表面，也可多次喷涂而获得具有交织孔管和图案表面。