CN104436301B - 一种镁合金上植酸/羟基磷灰石杂化涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镁合金表面有机一无机杂化涂层的制备方法。杂化涂层是在镁合金基体原位生长得到，与基体界面结合良好。杂化涂层由植酸镁化学转化膜和羟基磷灰石杂化而成，涂层均匀致密，厚度在0.6～1.0μm。此涂层材料结合了有机物与无机物的优点，不仅可以有效改善镁合金耐蚀性，控制其降解速率，而且羟基磷灰石的加入明显提高了涂层的生物活性，可以更快地诱导植入体表面新骨的形成和生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金上植酸/羟基磷灰石杂化涂层的制备方法，属于生物医用涂层材料制备技术领域。
背景技术
目前已应用于临床的医用金属植入材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，均为生物惰性材料。经过临床应用，上述医用金属材料均显现了一些弊端，如材料在体内摩擦产生磨屑以及在体液环境中腐蚀产生可溶性离子。这些磨屑以及可溶性离子会产生一定的生物毒性，造成局部过敏反应或者炎症，甚至导致植入失败。此外，这些医用金属材料均为不可降解材料，对于短期植入材料，在人体自身机能恢复之后，须通过再次手术取出，增加了患者的痛苦及医疗费用负担。基于上述原因，近年来可降解的镁基生物医用材料受到人们的密切关注。镁及镁合金具有骨传导性、可降解，力学特性与骨组织相似，电解产生的镁离子在体内具有明显功能等优点，同时较其他医用金属更具生物相容性，作为医用金属材料更具研究发展前景。然而，在人体生理环境中，镁合金过快的降解速率使其临床应用受到限制。表面改性被认为是改善镁合金耐蚀性的最有效途径之一，通过对镁合金进行表面涂层处理，可以将基体与外界环境隔离，显著的降低镁合金在体液中的腐蚀速率特别是植入初期的腐蚀速率，与此同时，增加适当的辅助步骤，还可以提高材料表面的生物活性。
镁合金表面的涂层可以分为两种，化学转化涂层和沉积涂层。化学转化涂层是在镁合金基体上原位生长得到的，与沉积涂层相比，化学转化涂层与基体间有更好的结合力，不容易脱落。目前为止，最有效的化学转化涂层是铬酸转化膜，虽然该种涂层可以明显提高镁合金的耐蚀性，但由于六价铬离子对人体具有毒副作用，从而应用受到限制。所以，寻求一种环境友好且无毒的涂层处理技术很有必要。植酸是一种天然无毒的大分子化合物，存在于大多数植物的种子中，植酸水解后的产物为肌醇和磷脂，均对人体无害。植酸结构中含有24个氧原子，12个羟基和6个磷酸羧基群，这种独特的结构使植酸具有很强的螯合作用。将镁合金与植酸反应，由于植酸强烈的螯合作用，可在镁合金表面生成一层植酸镁化学转化膜，该涂层提高了镁合金的耐蚀性，并且具有生物相容性，在植入后期可自行降解，对人体无毒副作用。然而，由上述方法制备的化学转化膜由于厚度较大，膜层表面容易开裂，所以单一的植酸镁化学转化膜不能很好的保护镁合金。中国专利CN 102634786A，采用简单工艺在镁合金表面制备了植酸一饰基复合转化膜，复合转化膜内层为植酸转化膜，外层为饰基转化膜。与单一的植酸镁化学转化膜相比，复合转化膜的致密性和防腐性能有所提高。此外，植酸转化膜虽然具有一定的生物相容性，但缺乏生物活性，在植入人体后，不能有效的诱导新骨的生成。与有机高分子相比，以羟基磷灰石(HAP)为典型代表的无机钙磷涂层具有良好的生物活性，其组成与人体骨骼相近，可以作为骨生长的诱导因子。近年来，将有机高分子与无机化合物结合起来的有机一无机杂化涂层，有望解决这一难题。杂化涂层最早由德国科学家Schmidt提出，该材料由有机物和无机物在纳米尺度范围内结合形成，兼具了有机涂层与无机涂层的优点，具有多功能性。中国专利CN 102085388A报道了一种采用层层复合(LBL)技术制备的含多肽链段的杂化涂层的制备方法，该涂层适用于体内各种硬组织修复的钛基材料的表面改性，但工艺复杂，制备周期较长。中国专利CN 101987919A介绍了一种纳米TiO2溶胶杂化涂层的制备方法，所制备的涂层性能稳定，但并未涉及在基体上的详细成膜工艺。德国专利GR2499847-A叙述了一种在AZ31镁合金表面制备有机一无机杂化涂层的溶胶凝胶衍生法，所制备的涂层与镁合金基体之间属于化学键合，可以有效的提高合金的耐蚀性。但作为植入材料，涂层的生物活性不足。Abdalla Abdal-hay等[Biocorrosion and osteoconductivity of PCL/nHApcomposite porous film-based coating of magnesium alloy,Solid State Sciences.2013,18,131-140.]在AM50合金表面采用浸渍提拉的方法制备了可降解的PCL/羟基磷灰石纳米涂层材料，相对于单一的PCL(聚己内酯)涂层，杂化涂层的生物活性及耐蚀性都明显提高。综上所述，单一的有机高分子涂层，例如环境友好的植酸转化涂层，虽然在植入人体后具有可降解性，但缺乏生物活性。采用浸渍提拉工艺制备的有机一无机杂化涂层，由于涂层与基体间是物理键合，所以界面强度不高，涂层易脱落。
发明内容
本发明的目的在于制备一种有机一无机杂化涂层。涂层由植酸镁化学转化膜和羟基磷灰石杂化而成，膜层厚度为0.6～1.0μm。与单一的植酸镁化学转化膜相比，此涂层均匀致密化程度明显提高，表面不存在大裂纹。原位生长所获得的杂化涂层结合了有机涂层与无机涂层的优点，与基体具有良好的界面结合，并且由于羟基磷灰石的掺入，涂层的生物活性得到明显提高。本发明所制备的杂化涂层均匀致密，涂层与基体间结合性好，可在较长时间范围内改善镁合金的耐蚀性，控制其降解速率。通过调节反应液的浓度、pH、反应温度和时间，可以实现对杂化涂层的表面形貌和厚度的调控，进而控制涂层的降解周期，使其与基体的降解时间相一致，延长涂层对镁合金的保护周期。
本发明的技术方案如下：
一种医用镁合金上植酸/羟基磷灰石杂化涂层；其特征是涂层由植酸镁化学转化膜和羟基磷灰石杂化而成，膜层厚度为0.6～1.0μm。
本发明的医用镁合金上植酸/羟基磷灰石杂化涂层的制备方法：配制植酸水溶液，调节植酸的质量分数为0.5％～5％，将羟基磷灰石粉末按照稀释后溶液中植酸质量的10％～35％加入到植酸水溶液中，充分搅拌20～30min后获得无色透明溶液，采用三乙胺调节溶液pH为3～10，镁合金浸渍于溶液中，在20～60℃温度下反应后取出样品，室温下自然干燥。
所述的镁合金进行预处理：将镁合金基板依次用800#～2000#的SiC砂纸打磨，去离子水清洗，再用无水乙醇超声清洗10～15分钟，室温干燥。
所述的植酸原溶液质量分数大于70％。
所述的反应时间为10～60min。
所述的羟基磷灰石粉末制备方法为：按照羟基磷灰石的组成中Ca/P摩尔比为1.67分别称取可溶性钙盐和五氧化二磷，将可溶性钙盐用去离子水溶解并搅拌，得到浓度为1.67mol/L无色透明钙盐水溶液A；将五氧化二磷用无水乙醇溶解并充分搅拌，得到浓度为1mol/L无色透明的磷基前驱体醇溶液B，其中钙盐水溶液和磷基前驱体醇溶液的体积比为1:1；将溶液B缓慢滴入溶液A中并搅拌获得溶胶，静置陈化24～72h后，将粉末干燥、热处理，获得、羟基磷灰石粉末。
所述的可溶性钙盐为Ca(NO3)2·4H2O或Ca-EDTA。
所述的粉末干燥温度60～80℃。
所述的热处理温度为550～600℃。
本发明的特点在于通过将预先制备的羟基磷灰石粉末加入到植酸水溶液中，一步完成了对镁合金的表面处理，工艺简单，制备周期短。本发明制备的杂化涂层厚度在0.6～1μm，涂层表面均匀致密，不存在大裂纹。杂化涂层是在镁合金基体上原位生长获得的，相比于浸渍提拉工艺制备的沉积涂层，该涂层与镁合金基体界面结合更好，涂层不易脱落。所形成的有机一无机杂化涂层兼具了有机高分子和无机材料的优点，具有可降解性和生物活性。SBF溶液浸泡实验表明，涂层在168h内的平均降解速率在3.75×10-7g/(mm2·h)～9.16g/(mm2·h)之间，说明杂化涂层可以有效的阻止模拟体液到达镁合金基体，防止镁合金的快速腐蚀。所以，与单一的植酸镁化学转化膜相比，经过羟基磷灰石改性的杂化涂层表面平整，致密化程度明显提高，能更好的改善镁合金的耐蚀性；不仅可以有效改善镁合金耐蚀性，控制其降解速率，而且羟基磷灰石的加入明显提高了涂层的生物活性，可以更快地诱导植入体表面新骨的形成和生长。
附图说明
图1为本发明实例1制得的镁合金上植酸/HAP杂化涂层的500倍表面扫描电镜图。
图2为本发明实例1制得的镁合金上植酸/HAP杂化涂层的2万倍表面扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
步骤一：羟基磷灰石粉末的制备
采用溶胶凝胶法合成羟基磷灰石：按照羟基磷灰石组成中Ca/P摩尔比1.67，精确称取3.941gCa(NO3)2·4H2O和0.71gP2O5。先制备Ca(NO3)2·4H2O的水溶液：将称取的可溶性钙盐溶于10ml去离子水中，充分搅拌10～15min后，获得浓度为1.67mol/L的无色透明溶液A；然后制备P2O5的乙醇溶液：将称取的P2O5粉末缓慢加入到10ml无水乙醇中，充分搅拌30～45min，得到浓度为1.00mol/L的磷基前驱体醇溶液B。将B溶液以每分钟30～40滴的滴速全部加入到A溶液中，搅拌40～60min，静置24h，将获得的凝胶在60℃下干燥24h后，在研钵中充分研磨，最后将获得的粉末在600℃热处理4h，获得羟基磷灰石粉末。
步骤二：杂化涂层的制备
取质量分数大于70％的植酸原溶液加入到去离子水中，调节植酸的质量分数为0.5％，将羟基磷灰石粉末按照植酸质量分数的10％加入到植酸水溶液中，搅拌，直至溶液澄清。采用三乙胺调节溶液pH至6.5，充分搅拌后，将预处理的镁合金放入溶液中，在20℃条件下恒温水浴20min，取出样品，自然条件下干燥。采用SBF溶液浸泡实验表征杂化涂层的耐蚀性。SBF溶液离子浓度成分如下表1所示。
由显微图1和2可以看出，杂化涂层表面均匀致密，无明显裂纹。
样品浸泡168h后，SBF溶液的pH由7.40升高到9.28，168h内杂化涂层包覆镁合金样品的平均降解速率为3.75×10-7g/(mm2·h)，植酸镁化学转化膜涂层包覆镁合金试样的平均降解速率为12.6×10-7g/(mm2·h)，镁合金裸片平均降解速率为18.75×10-7g/(mm2·h)，测试结果说明，杂化涂层有效地改善了镁合金的耐蚀性。
表1人体血浆和SBF中离子浓度(mM)
实施例2
步骤一：羟基磷灰石粉末的制备
采用溶胶凝胶法合成羟基磷灰石：按照羟基磷灰石组成中Ca/P摩尔比1.67，精确称取5.544gCa-EDTA和0.71gP2O5。先制备Ca-EDTA的水溶液：将称取的可溶性钙盐溶于10ml去离子水中，充分搅拌10～15min后，得到浓度为1.67mol/L的无色透明溶液A；然后制备P2O5的乙醇溶液：将称取的P2O5粉末缓慢加入到10ml无水乙醇中，充分搅拌30～45min，得到浓度为1.00mol/L的磷基前驱体醇溶液B。将B溶液以每分钟30～40滴的滴速全部加入到A溶液中，搅拌40～60min，静置48h，将获得的凝胶在60℃下干燥24h后，在研钵中充分研磨，最后将获得的粉末在600℃热处理4h，制备羟基磷灰石粉末。
步骤二：杂化涂层的制备
取质量分数大于70％的植酸原溶液加入到去离子水中，调节植酸溶液的质量分数为1.5％，将羟基磷灰石粉末按照植酸质量分数的35％加入到植酸水溶液中，搅拌，直至溶液澄清。采用三乙胺调节溶液pH至3，充分搅拌后，将预处理的镁合金放入溶液中，在40℃条件下恒温水浴60min，取出样品，自然条件下干燥。
样品浸泡168h后，SBF溶液的pH由7.40升高到9.44，168h内杂化涂层包覆镁合金样品的平均降解速率为6.25×10-7g/(mm2·h)。
实施例3
步骤一：羟基磷灰石粉末的制备
采用溶胶凝胶法合成羟基磷灰石：按照羟基磷灰石组成中Ca/P摩尔比1.67，精确称取3.941gCa(NO3)2·4H2O和0.71gP2O5。先制备Ca(NO3)2·4H2O的水溶液：将称取的可溶性钙盐溶于10ml去离子水中，充分搅拌10～15min后，获得浓度为1.67mol/L的无色透明溶液A；然后制备P2O5的乙醇溶液：将称取的P2O5粉末缓慢加入到10ml无水乙醇中，充分搅拌30～45min，得到浓度为1.00mol/L的磷基前驱体醇溶液B。将B溶液以每分钟30～40滴的滴速全部加入到A溶液中，搅拌40～60min，静置48h，将获得的凝胶在80℃下干燥48h后，充分研磨，最后将粉末在550℃热处理4h，制备羟基磷灰石粉末。
步骤二：杂化涂层的制备
取质量分数大于70％的植酸原溶液加入到去离子水中，调节植酸溶液的质量分数为1.0％，将羟基磷灰石粉末按照植酸质量分数的35％加入到植酸水溶液中，搅拌，直至溶液澄清。采用三乙胺调节溶液pH至4.5，充分搅拌后，将预处理的镁合金放入溶液中，在60℃条件下恒温水浴10min，取出样品，自然条件下干燥。
将样品在SBF溶液中浸泡168h后，SBF溶液的pH由7.40升高到9.49，168h内杂化涂层的平均降解速率为7.08×10-7g/(mm2·h)。
实施例4
步骤一：羟基磷灰石粉末的制备
采用溶胶凝胶法合成羟基磷灰石：按照羟基磷灰石组成中Ca/P摩尔比1.67，精确称取3.941gCa(NO3)2·4H2O和0.71gP2O5。先制备Ca(NO3)2·4H2O的水溶液：将称取的可溶性钙盐溶于10ml去离子水中，充分搅拌10～15min后，获得浓度为1.67mol/L的无色透明溶液A；然后制备P2O5的乙醇溶液：将称取的P2O5粉末缓慢加入到10ml无水乙醇中，充分搅拌30～45min，得到浓度为1.00mol/L的磷基前驱体醇溶液B。将B溶液以每分钟30～40滴的滴速全部加入到A溶液中，搅拌40～60min，静置48h，将获得的凝胶在80℃下干燥24h后，充分研磨，最后将粉末在600℃热处理4h，制备羟基磷灰石粉末。
步骤二：杂化涂层的制备
取质量分数大于70％的植酸原溶液加入到去离子水中，搅拌，调节植酸溶液的质量分数为5％，将羟基磷灰石粉末按照植酸质量分数的25％加入到植酸水溶液中，搅拌，直至溶液澄清。采用三乙胺调节溶液pH至8.5，充分搅拌后，将预处理的镁合金放入溶液中，在45℃条件下恒温水浴30min，取出样品，自然条件下干燥。
样品在SBF溶液中浸泡168h后，SBF溶液的pH由7.40升高到10.01，168h内杂化涂层的平均降解速率为8.33×10-7g/(mm2·h)。
实施例5
步骤一：羟基磷灰石粉末的制备
采用溶胶凝胶法合成羟基磷灰石：按照羟基磷灰石组成中Ca/P摩尔比1.67，精确称取5.544gCa-EDTA和0.71gP2O5。先制备Ca-EDTA的水溶液：将称取的可溶性钙盐溶于10ml去离子水中，充分搅拌10～15min后，获得浓度为1.67mol/L的无色透明溶液A；然后制备P2O5的乙醇溶液：将称取的P2O5粉末缓慢加入到10ml无水乙醇中，充分搅拌30～45min，得到浓度为1.00mol/L的磷基前驱体醇溶液B。将B溶液以每分钟30～40滴的滴速全部加入到A溶液中，搅拌40～60min，静置48h，将获得的凝胶在80℃下干燥72h后，充分研磨，最后在600℃热处理4h，制备羟基磷灰石粉末。
步骤二：杂化涂层的制备
取质量分数大于70％的植酸原溶液加入到去离子水中，调节植酸溶液的质量分数为3.5％，将羟基磷灰石粉末按照植酸质量分数的30％加入到植酸水溶液中，搅拌，直至溶液澄清。采用三乙胺调节溶液pH至10，充分搅拌后，将预处理的镁合金放入溶液中，在60℃条件下恒温水浴15min，取出样品，自然条件下干燥。
将样品在SBF溶液中浸泡168h后，SBF溶液的pH由7.40升高到9.56，168h内杂化涂层的平均降解速率为6.67×10-7g/(mm2·h)。
实施例6
步骤一：羟基磷灰石粉末的制备
采用其他制备工艺，例如溶液共沉淀法制备羟基磷灰石粉末：按照羟基磷灰石组成中Ca/P摩尔比1.67，精确称取3.941gCa(NO3)2·4H2O和1.320g(NH4)2HPO4。将称量的Ca(NO3)2·4H2O溶于10ml无水乙醇中，充分搅拌至溶解，获得浓度为1.67mol/L的溶液A；将上述称量的(NH4)2HPO4溶于去离子水中，获得浓度为1.00mol/L的溶液B。将B溶液以每分钟30～40滴的滴速全部加入到A溶液中，加入NH3·H2O调节溶液的pH为10。将此溶液在60℃下反应8h，超声10min后静置24h；随后把浆液用二次离子水和无水乙醇溶液洗涤两次，真空抽滤，将所得物质在80℃下干燥48h后，将获得的粉体充分研磨，在600℃热处理4h，得到羟基磷灰石粉末，备用。
步骤二：杂化涂层的制备
取质量分数大于70％的植酸原溶液加入到去离子水中，调节植酸溶液的质量分数为4.5％，将羟基磷灰石粉末按照植酸质量分数的15％加入到植酸水溶液中，搅拌，直至溶液澄清。采用三乙胺调节溶液pH至7，充分搅拌后，将预处理的镁合金放入溶液中，在40℃条件下恒温水浴45min，取出样品，自然条件下干燥。
此样品在SBF溶液中浸泡168h后，SBF溶液的pH由7.40升高到10.25，168h内杂化涂层的平均降解速率为9.16×10-7g/(mm2·h)。
Claims (8)
1.一种医用镁合金上植酸/羟基磷灰石杂化涂层；其特征是涂层由植酸镁化学转化膜和羟基磷灰石杂化而成，膜层厚度为0.6～1.0μm。
2.权利要求1的涂层的制备方法，其特征是：配制植酸水溶液，调节植酸的质量分数为0.5％～5％，将羟基磷灰石粉末按照稀释后溶液中植酸质量的10％～35％加入到植酸水溶液中，充分搅拌20～30min后获得无色透明溶液，采用三乙胺调节溶液pH为3～10，镁合金浸渍于溶液中，在20～60℃温度下反应后取出样品，室温下自然干燥。
3.权利要求2的涂层的制备方法，其特征是所述的植酸原溶液质量分数大于70％。
4.权利要求2的涂层的制备方法，其特征是所述的反应时间为10～60min。
5.权利要求2的涂层的制备方法，其特征是所述的羟基磷灰石粉末制备方法为：按照羟基磷灰石的组成中Ca/P摩尔比为1.67分别称取可溶性钙盐和五氧化二磷，将可溶性钙盐用去离子水溶解并搅拌，得到浓度为1.67mol/L无色透明钙盐水溶液A；将五氧化二磷用无水乙醇溶解并充分搅拌，得到浓度为1mol/L无色透明的磷基前驱体醇溶液B，其中钙盐水溶液和磷基前驱体醇溶液的体积比为1:1；将溶液B缓慢滴入溶液A中并搅拌获得溶胶，静置陈化24～72h后，将粉末干燥、热处理，获得、羟基磷灰石粉末。
6.权利要求5的涂层的制备方法，其特征是所述的可溶性钙盐为Ca(NO3)2.4H2O或Ca-EDTA。
7.如权利要求5所述的方法，其特征是所述的粉末干燥温度60～80℃。
8.如权利要求5所述的方法，其特征是所述的热处理温度为550～600℃。
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