CN106913906A - 一种抗氧化生物涂层及其制备方法 - Google Patents

一种抗氧化生物涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗氧化生物涂层及其制备方法，将二氧化铈粉体通过离子体喷涂技术形成于作为医用金属或医用合金材料的基材的表面作为所述生物涂层以提高基材的生物抗氧化性能。本发明采用等离子体喷涂技术制备二氧化铈涂层，获得抗氧化功能的生物涂层，为提高生物涂层的抗氧化功能提供一种行之有效的解决方案。本发明的涂层不仅具有优良的生物相容性，而且具有抗氧化性。本发明的生物涂层对氧化应激状态下成骨细胞增殖具有明显的保护作用，能够减少活性氧自由基对成骨细胞增殖的不利影响。

Description

一种抗氧化生物涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗氧化生物涂层及其制备方法，具体说，是涉及一种采用等离子体喷涂技术在纯钛、钛合金等金属基材表面制备二氧化铈涂层方法。
背景技术
随着人口老龄化，骨质疏松症的发病率以及随之而来的骨折并发症逐年提高。骨质疏松患者骨折创伤处的环境中含有浓度较高的炎症因子和活性氧自由基，同时因术后患者机体内部抗氧化防御能力的下降，导致氧化能力超过抗氧化能力，最终发生氧化应激。氧化应激是由于机体内活性氧自由基过剩而引起的氧化还原系统失衡，可导致组织损伤。越来越多的证据表明，氧化应激能够提高破骨细胞活性、抑制成骨细胞分化与矿化作用，不利于骨愈合。因此，研制可纠正骨质疏松性骨折部位内部环境(如氧化应激状态)的骨植入涂层材料，对于促进骨修复并改善骨质量具有重要临床意义。
二氧化铈因其优异的催化活性而一直备受关注。它的催化性质来源于表面铈离子可以快速地进行Ce3+和Ce4+转变，能够根据环境很容易地接受或失去电子。铈离子混合价态的共存赋予了二氧化铈生物抗氧化性，使得其能够催化分解生物体内的过量活性氧自由基,从而为治疗氧化应激类疾病提供了一种可能。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中所存在的缺陷问题，提供一种具良好抗氧化功能的生物涂层及其制备方法。
本发明的目的在于提供一种抗氧化生物涂层，将二氧化铈粉体通过离子体喷涂技术形成于作为医用金属或医用合金材料的基材的表面作为所述生物涂层以提高基材的生物抗氧化性能。
本发明采用等离子体喷涂技术制备二氧化铈涂层，获得抗氧化功能的生物涂层，为提高生物涂层的抗氧化功能提供一种行之有效的解决方案。本发明的涂层不仅具有优良的生物相容性，而且具有抗氧化性。本发明的生物涂层对氧化应激状态下成骨细胞增殖具有明显的保护作用，能够减少活性氧自由基对成骨细胞增殖的不利影响。
较佳地，所述二氧化铈粉体是由粒径为10～200微米，更优选地60～150微米的颗粒组成，该尺寸范围内的颗粒有足够的流动性,有利于沉积在基体表面，提高涂层的结合强度。
较佳地，所述基材采用包括纯钛、钛合金、不锈钢或钴铬钼(CoCrMo)合金的医用金属或医用合金材料。这样的材料可以提供较好的强度、韧性和优良的加工性能。
较佳地，所述生物涂层的厚度为几十微米～几百微米。如果涂层厚度太薄，那么在较短的时期内涂层会完全降解，从而无法实现涂层与骨组织的完全结合；如果涂层厚度太厚，那么涂层与基材的结合强度会明显降低，会发生涂层从基材表面剥落的风险。
较佳地，等离子体喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar流量为32～50slpm；等离子体气体H2流量为5～18slpm；粉末载气Ar流量为1.5～5slpm；喷涂距离为100～330mm；喷涂功率为30～55kW；送粉速率为8.0～30g/分钟。所述的slpm是指标准升/分钟。选择合适的工艺条件，可以提高涂层与基材的结合强度，使涂层表面具有微米级的粗糙表面。
较佳地，所述二氧化铈粉体为经烧结破碎后的二氧化铈粉体。烧结破碎后粉体流动性提高，避免了喷涂过程中堵粉现象的发生，这样有利于提高喷涂效率和增强涂层内聚力。
本发明中，二氧化铈粉体的烧结破碎包括：
a.按照10～50g：1～5ml的固液比将二氧化铈与粘结剂混合研磨至粒度均匀的干粉，将干粉压制成型，得到成型块体，其中，所述粘结剂为聚乙烯醇或聚氨酯；
b.将成型块体于600～1300℃烧结1～3小时，烧结后块体经研磨、过筛、烘干，得到二氧化铈粉体。优选地所述粉体粒径10～200微米。
本发明的目的还在于提供一种制备所述的抗氧化生物涂层的方法，即将二氧化铈粉体通过离子体喷涂技术形成于作为医用金属或医用合金材料的基材的表面。
本发明的涂层不仅具有优良的生物相容性，而且具有抗氧化性，可有效减小骨质疏松症中氧化应激对骨组织的损伤，促进了骨组织的修复与替代材料领域的发展；且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是本发明实施例1的二氧化铈粉体和相应生物涂层的XRD图谱，其中，a是本发明实施例1的粉体的XRD图谱，b是本发明实施例1的生物涂层的XRD图谱；
图2是实施例1二氧化铈涂层的扫描电镜照片；
图3是实施例1二氧化铈涂层消耗双氧水溶液的能力；
图4是实施例1二氧化铈涂层对双氧水溶液模拟的氧化应激状态下细胞增殖的保护作用；
图5是实施例2二氧化铈涂层的扫描电镜照片；
图6是实施例2二氧化铈涂层消耗双氧水溶液的能力；
图7是实施例2二氧化铈涂层对双氧水溶液模拟的氧化应激状态下细胞增殖的保护作用。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明提供了一种抗氧化生物涂层及其制备方法，其中，所述涂层形成于纯钛、钛合金、不锈钢或CoCrMo合金等基材的表面，为二氧化铈涂层。本发明是采用等离子体喷涂工艺，将二氧化铈粉体喷涂到预处理后的基材表面制得所述的涂层。所述的粉体是由粒径为10～200微米的颗粒组成。所述抗氧化生物涂层的厚度为几十微米～几百微米。
本发明提供的抗氧化生物涂层的制备方法，是采用等离子体喷涂工艺，将粉体喷涂在预处理后的金属或合金基材表面。等离子体喷涂工艺的条件如下：等离子体气体Ar流量为32～50slpm；等离子体气体H2流量为5～18slpm；粉末载气Ar流量为1.5～5slpm；喷涂距离为100～330mm；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。采用等离子体喷涂工艺具有涂层沉积效率高、涂层厚度可控、可制备不同形状涂层和便于产业化的优点。
由于超细粉末单个粒子质量太小、表面积大，没有足够的流动性，不利于沉积在基体表面，不能直接用来进行喷涂，须处理成10～200微米的大颗粒粉末。作为一个示例，所述二氧化铈粉体可通过烧结破碎法得到，具体包括以下步骤：
a.按照10～50g：1～5ml的固液比将二氧化铈(粒径<10微米)与粘结剂混合研磨至粒度均匀的干粉，将干粉压制成型，得到成型块体，其中，所述粘结剂为聚乙烯醇或聚氨酯；
b.将成型块体于600～1300℃排胶并烧结1～3小时，烧结后块体经研磨、过80目筛、80～120℃烘干，得到二氧化铈粉体，粉体粒径10～200微米。
基材可选用纯钛、钛合金、不锈钢或CoCrMo合金，这样的材料可以提供较好的强度、韧性和优良的加工性能。基材的表面处理可以是包括将基材表面进行喷砂处理的步骤，具体是指将基材表面经喷砂或砂纸打磨处理后，经超声清洗、干燥而得。作为一个示例，例如基材的表面处理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80～120℃下干燥的过程。所述喷砂处理的压强优选为0.1～0.8Mpa。这样，可以提高涂层与基体的结合强度。
本发明的优点是：本发明的涂层不仅具有优良的生物相容性，而且具有抗氧化性，可有效减小骨质疏松症中氧化应激对骨组织的损伤，促进了骨组织的修复与替代材料领域的发展；并且，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。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
A、烧结破碎法制备粉体
将二氧化铈粉体与聚乙烯醇按照10：1g/ml的固液比放入研钵中手动研磨至粒度均匀的干粉，随后将其放入钢制磨具中压制成型，成型块体置于马弗炉中1300℃排胶并烧结，烧结时间1小时。将烧结后块体放入研钵中手动研磨，之后过80目筛，在110℃下烘干得粉体，备用。
B、等离子体喷涂工艺制备生物涂层
将Ti-6Al-4V合金表面进行喷砂处理(压强0.3MPa)后，在无水乙醇溶液中超声清洗2次，每次4分钟，然后在110℃干燥1小时，备用；
采用等离子体喷涂工艺，将混合粉体喷涂到处理后的钛合金表面得到生物涂层，其中，等离子体喷涂工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为40slpm，等离子体气体H2流量为10slpm，混合粉体载气Ar流量为3.5slpm，喷涂距离为100mm，喷涂功率为42kW，送粉速率为18g·min-1。
由图1所示的粉体和相应生物涂层的XRD图谱可见，涂层与粉体的组成结构没有发生明显变化。由图2可以看出CeO2涂层具有粗糙的表面形貌，是等离子体喷涂后涂层的典型形貌。
C、双氧水浓度测试
采用蒸汽灭菌器(121℃，30min)对涂层材料进行灭菌消毒，随后将其置于48孔细胞培养板中。利用PBS缓冲溶液将30％浓度的双氧水(H2O2)试剂稀释至1mM，取0.1ml浓度为1mM的H2O2和0.9ml细胞培养液加入涂层组和对照组。于37℃、5％CO2细胞培养箱中分别培养1、4和7天后取出，加入100μl H2O2检测试剂，混匀，室温放置30min后，使用酶标仪读取560nm处OD值。根据标准溶液的浓度和其相对应的OD值绘制标准曲线，依据标准曲线和测得的OD值计算出涂层组和对照组中H2O2浓度以及剩余浓度百分数。
由图3可以看出，随着浸泡时间的增加，CeO2涂层组中H2O2浓度逐渐降低，然而，对照组中H2O2浓度基本不变。浸泡7天后，CeO2涂层组中H2O2剩余浓度仅为原始浓度的20％，表现出良好的抗氧化性能。
D、涂层抗氧化应激性能测试
采用蒸汽灭菌器(121℃，30min)对涂层材料进行灭菌消毒，随后将其置于48孔细胞培养板中。收集生长状态良好的MC3T3-E1成骨细胞，消化并调整细胞悬液浓度至104个细胞/ml。利用PBS缓冲溶液将30％浓度的双氧水(H2O2)试剂稀释至0.1mM，取0.1ml H2O2和0.9ml细胞悬浮液的混合溶液接种在涂层材料表面和对照组中，将不添加H2O2的细胞悬浮液作为空白对照组。通过H2O2干预体外培养的MC3T3-E1细胞，模拟氧化应激状态。将细胞培养板置于37℃、5％CO2细胞培养箱中分别培养1、4和7天(每次换液时继续添加相同浓度的H2O2)。作用相应时间后，弃去培养液，每孔中分别加入0.5ml新鲜培养液和0.05mlCCK-8溶液。细胞培养箱中继续培养3小时后，小心将各孔溶液吸出并加入96孔板中。通过酶标仪450nm处测量各孔的OD值。根据空白对照组、H2O2对照组和CeO2+H2O2涂层组OD值和细胞相对存活率计算公式(相对存活率(％)＝100×实验组OD值/空白对照组OD值)，计算实验组中细胞相对存活率。
图4显示氧化应激状态下对照组和CeO2涂层组中细胞增殖受到明显抑制，同时，CeO2涂层组中细胞增殖要优于对照组，表明CeO2涂层能够减少H2O2溶液对细胞增殖的损伤，对氧化应激状态下细胞增殖具有保护作用。
实施例2
A、烧结破碎法制备粉体
将二氧化铈粉体与聚乙烯醇按照15：1g/ml的固液比放入研钵中手动研磨至粒度均匀的干粉，随后将其放入钢制磨具中压制成型，成型块体置于马弗炉中1100℃排胶并烧结，烧结时间2小时。将烧结后块体放入研钵中手动研磨，之后过80目筛，在110℃下烘干得粉体，备用。
B、等离子体喷涂工艺制备生物涂层
将纯钛表面进行喷砂处理(压强0.3MPa)后，在无水乙醇溶液中超声清洗2次，每次4分钟，然后在110℃干燥1小时，备用；
采用等离子体喷涂工艺，将混合粉体喷涂到处理后的钛合金表面得到生物涂层，其中，等离子体喷涂工艺参数如下：等离子体气体Ar流量为32slpm，等离子体气体H2流量为5slpm，混合粉体载气Ar流量为3.5slpm，喷涂距离为100mm，喷涂功率为42kW，送粉速率为18g·min-1。
上述方法制备的CeO2涂层具有粗糙的表面形貌(如图5所示)，是等离子体喷涂后涂层的典型形貌，表面粗糙的涂层材料在人体内有利于与骨组织结合。
C、双氧水浓度测试
采用蒸汽灭菌器(121℃，30min)对涂层材料进行灭菌消毒，随后将其置于48孔细胞培养板中。利用PBS缓冲溶液将30％浓度的双氧水(H2O2)试剂稀释至1mM，取0.1ml浓度为1mM的H2O2和0.9ml细胞培养液加入涂层组和对照组。于37℃、5％CO2细胞培养箱中分别培养1、4和7天后取出，加入100μl H2O2检测试剂，混匀，室温放置30min后，使用酶标仪读取560nm处OD值。根据标准溶液的浓度和其相对应的OD值绘制标准曲线，依据标准曲线和测得的OD值计算出涂层组和对照组中H2O2浓度以及剩余浓度百分数。
由图6可以看出，随着浸泡时间的增加，CeO2涂层组中H2O2浓度逐渐降低，然而，对照组中H2O2浓度基本不变。浸泡7天后，CeO2涂层组中H2O2剩余浓度仅为原始浓度的27％，表现出良好的抗氧化性能。
D、涂层抗氧化应激性能测试
采用蒸汽灭菌器(121℃，30min)对涂层材料进行灭菌消毒，随后将其置于48孔细胞培养板中。收集生长状态良好的MC3T3-E1成骨细胞，消化并调整细胞悬液浓度至104个细胞/ml。利用PBS缓冲溶液将30％浓度的双氧水(H2O2)试剂稀释至0.1mM，取0.1ml H2O2和0.9ml细胞悬浮液的混合溶液接种在涂层材料表面和对照组中，将不添加H2O2的细胞悬浮液作为空白对照组。通过H2O2干预体外培养的MC3T3-E1细胞，模拟氧化应激状态。将细胞培养板置于37℃、5％CO2细胞培养箱中分别培养1、4和7天(每次换液时继续添加相同浓度的H2O2)。作用相应时间后，弃去培养液，每孔中分别加入0.5ml新鲜培养液和0.05mlCCK-8溶液。细胞培养箱中继续培养3小时后，小心将各孔溶液吸出并加入96孔板中。通过酶标仪450nm处测量各孔的OD值。根据空白对照组、H2O2对照组和CeO2+H2O2涂层组OD值和细胞相对存活率计算公式(相对存活率(％)＝100×实验组OD值/空白对照组OD值)，计算实验组中细胞相对存活率。
图7显示氧化应激状态下对照组和CeO2涂层组中细胞增殖受到明显抑制，同时，CeO2涂层组中细胞增殖要优于对照组，表明CeO2涂层能够减少H2O2溶液对细胞增殖的损伤，对氧化应激状态下细胞增殖具有保护作用。

Claims (8)

1.一种抗氧化生物涂层，其特征在于，将二氧化铈粉体通过离子体喷涂技术形成于作为医用金属或医用合金材料的基材的表面作为所述生物涂层以提高基材的生物抗氧化性能。
2.根据权利要求1所述生物涂层，其特征在于，所述二氧化铈粉体是由粒径为10～200微米的颗粒组成。
3.根据权利要求1或2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医用合金材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述生物涂层，其特征在于，所述生物涂层的厚度为几十微米～几百微米。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的生物涂层，其特征在于，等离子体喷涂工艺参数为：等离子体气体Ar流量为32～50 slpm；等离子体气体H2流量为5～18 slpm；粉末载气Ar流量为1.5～5 slpm；喷涂距离为100～330 mm；喷涂功率为30～55 kW；送粉速率为8.0～30 g/分钟。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的生物涂层，其特征在于，所述二氧化铈粉体为经烧结破碎后的二氧化铈粉体。
7.根据权利要求6所述的生物涂层，其特征在于，二氧化铈粉体的烧结破碎包括：
a.按照10～50 g：1～5 ml的固液比将二氧化铈与粘结剂混合研磨至粒度均匀的干粉，将干粉压制成型，得到成型块体，其中，所述粘结剂为聚乙烯醇或聚氨酯；
b. 将成型块体于600～1300℃烧结1～3小时，烧结后块体经研磨、过筛、烘干，得到二氧化铈粉体。
8.一种制备权利要求1-7中任一项所述的生物涂层的方法。
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