CN109793938A - 表面改性的金属骨植入材料、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面改性的金属骨植入材料、其制备方法及应用。该材料包括多孔金属骨植入基材和氧化锌沉积层，氧化锌沉积层位于多孔金属骨植入基材的表面。氧化锌沉积层对于包括大肠杆菌和葡萄球菌等具有明显的抑制和消灭作用，大大提高了金属骨植入材料的抗菌性能，对于减少金属骨植入材料的感染率具有重要的意义。

Description

表面改性的金属骨植入材料、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种表面改性的金属骨植入材料、其制备方法及应用。

背景技术

由于不同原因造成的骨关节损伤、骨肿瘤及各种原因造成的骨缺损，在进行关节置换或者关节重建时，困难重重。这些骨关节部位往往形成一个不规则的缺损区域，采用传统的金属植入关节，需要在病患身上取自体骨填充，给病患造成伤害。同时，采用传统的加工制造方法制造成符合解剖结构的假体较为困难，而且由于传统的实体钛合金的弹性模量与人体骨的弹性模量差别较大，即使植入后，也容易产生应力屏蔽，产生二次骨折。

通过纤维烧结法、铸造法、压缩膨胀法、有机泡沫浸渍、自蔓延高温合成法、粉末烧结、増材制造技术以及其它方法制备的多孔钛合金材料，能够形成三维联通的网状孔隙结构，有利于骨长入、体液和营养物质的运输。同时，由于多孔结构的钛合金的密度、弹性模量和强度可以通过孔隙率来调整，因此多孔钛合金骨植入材料在矫形外科手术中发挥了不可替代的作用。

然而，由于多孔骨植入材料无抗菌性能，植入后，若发生感染将是灾难性的并发症。目前人工关节置换术应用越来越广泛，多孔钛合金植入材料的应用日益增多，出现并发感染的患者也逐渐增多，因此开发具有抗菌功能的多孔骨植入材料具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种表面改性的金属骨植入材料、其制备方法及应用，以解决现有技术中金属骨植入材料抗菌性能差容易导致感染并发症的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种表面改性的金属骨植入材料，其包括：多孔金属骨植入基材；氧化锌沉积层，位于多孔金属骨植入基材的表面。

进一步地，表面改性的金属骨植入材料还包括微弧氧化生物活性层，微弧氧化生物活性层位于多孔金属骨植入基材和氧化锌沉积层之间。

进一步地，微弧氧化生物活性层为含Ca和P的生物活性层。

进一步地，微弧氧化生物活性层的厚度为3～58μm。

进一步地，氧化锌沉积层的厚度为3～300nm。

进一步地，多孔金属骨植入基材的材料为纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr或Ti-5Zr-3Mo-15Nb中的一种；优选地，多孔金属骨植入基材的多孔结构为不定形孔结构、立方结构、六棱柱结构、金刚石结构、菱形十二面体结构、截角八面体结构、钛珠烧结体、钛丝烧结中的一种或几种；优选地，多孔金属骨植入基材为全微孔结构、或微孔和实体结构的混合结构；更优选多孔金属骨植入基材的孔隙率为40～90％，孔径为300～1500μm。

根据本发明的另一方面，提供了一种表面改性的金属骨植入材料的制备方法，其包括以下步骤：S1，准备多孔金属骨植入基材；S2，利用原子层沉积方式，将多孔金属骨植入基材置于沉积室中，向沉积室中通入含锌化合物和氧源，并使含锌有机物和氧源在多孔金属骨植入基材表面反应并沉积，形成氧化锌沉积层，进而形成表面改性的金属骨植入材料；其中含锌化合物为含锌有机物和/或含锌卤化物。

进一步地，在执行步骤S2之前，制备方法还包括在多孔金属骨植入基材表面预先设置微弧氧化生物活性层的步骤，具体如下：将多孔金属骨植入基材置于电解液中，以多孔金属骨植入基材为阳极、不锈钢为阴极对多孔金属骨植入基材的外表面进行微弧氧化处理，得到微弧氧化生物活性层，其中电解液中含有生物活性元素。

进一步地，步骤S2包括：S21，将多孔金属骨植入基材置于沉积室中，向沉积室中通入含锌化合物，并在120～200℃温度下保持50ms～150ms；S22，采用第一惰性气体吹扫沉积室，然后在120～200℃温度下向沉积室中通入氧源，通入时间为50～100ms；S23，采用第二惰性气体吹扫沉积室，然后重复执行步骤S21和S22，以生成氧化锌沉积层。

进一步地，含锌化合物为二乙基锌、二甲基锌、氯化锌、溴化锌中的一种或多种，氧源为H₂O、O₂、O₃中的一种或多种。

进一步地，第一惰性气体和第二惰性气体分别独立地选自氮气、氩气或氦气；优选地，采用第一惰性气体吹扫沉积室的步骤中，吹扫时间为20～60s；优选地，采用第二惰性气体吹扫沉积室的步骤中，吹扫时间为20～60s。

进一步地，微弧氧化处理过程中，电解液中含有的生物活性元素包括Ca和P；优选地，电解液中的钙源选自乙酸钙、氯化钙、磷酸二氢钙、甘油磷酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙和氧化钙的一种或多种，磷源选自甘油磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、六偏磷酸钠和聚磷酸钠中的一种或多种。

进一步地，电解液中钙元素的浓度记为m mol/L，磷元素的浓度记为n mol/L，当0.01≤m＜0.2时，(0.1m+0.025)≤n＜0.05；当0.2≤m≤0.6时，0.075≤n≤m/0.875，优选0.4＜m≤0.6时，0.25≤n≤m/0.875；优选地，电解液中还包括EDTA，且EDTA的浓度记为xmol/L，当0.01＜m＜0.2时，2m≤x＜5.2m；优选当0.2≤m≤0.6时，5.2m≤x≤7m。

进一步地，微弧氧化处理过程中使用的电源为交流电，电源的电压处于100～900V之间，电源的输出脉冲频率为100～1000Hz，电源的脉冲宽度为8～500μs，电源的峰值电流设置为50～400A，微弧氧化处理过程的时间为3～60min，优选在微弧氧化处理过程中电解液的温度控制在30℃以下。

进一步地，多孔金属骨植入基材通过采用粉末冶金法、发泡法、纤维烧结法、等离子喷涂法、激光打孔法、激光立体成形、选择性激光烧结/熔化和电子束熔融方法中的一种或几种制备得到。

根据本发明的另一方面，又提供了一种上述表面改性的金属骨植入材料作为髋臼杯、多孔髋臼补块、股骨柄、椎体、椎间融合器、人工骨盆、胸骨、肩肘关节材料方面的应用。

本发明提供了一种表面改性的金属骨植入材料，其在多孔金属骨植入基材表面设置了氧化锌沉积层。氧化锌沉积层对于包括葡萄球菌、大肠杆菌等多种菌类具有明显的抑制和消灭作用，大大提高了金属骨植入材料的抗菌性能，对于减少金属骨植入材料的感染几率具有重要的意义。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例1中金属骨植入材料的表面经微弧氧化处理后的扫描电镜照片；

图2示出了根据本发明的实施例1中金属骨植入材料的表面经微弧氧化处理后的另一扫描电镜照片；

图3示出了根据本发明的实施例1中金属骨植入材料的表面依次经微弧氧化处理、氧化锌沉积后的扫描电镜照片。

图4示出了根据本发明的实施例1中金属骨植入材料的表面依次经微弧氧化处理、氧化锌沉积后的培养大肠杆菌的照片，其中(a)为对照组照片，(b)为在表面改性的金属骨植入材料洗脱液培养生长后的照片。

图5示出了根据本发明的实施例1中金属骨植入材料的表面依次经微弧氧化处理、氧化锌沉积后的培养葡萄球菌的照片，其中(a)为对照组照片，(b)为在表面改性的金属骨植入材料洗脱液培养生长后的照片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

正如本本发明背景技术部分所描述的，现有技术中的金属骨植入材料因抗菌性能差容易导致感染并发症。

为了解决这一问题，本发明提供了一种表面改性的金属骨植入材料，其包括多孔金属骨植入基材和位于多孔金属骨植入基材的表面的氧化锌沉积层。氧化锌沉积层对于包括葡萄球菌和大肠杆菌等具有明显的抑制和消灭作用，大大提高了金属骨植入材料的抗菌性能，对于减少金属骨植入材料的感染几率具有重要的意义。且氧化锌不易发生腐蚀、化学稳定性好、且制备成本等优势。此外，氧化锌本身具有无毒和良好的生物相容性等特性，在骨科植入产品抗菌领域将具有独特的应用。

在一种优选的实施方式中，上述表面改性的金属骨植入材料还包括微弧氧化生物活性层，微弧氧化生物活性层位于多孔金属骨植入基材和氧化锌沉积层之间。微弧氧化生物活性层即为通过微弧氧化工艺在多孔金属骨植入基材表面形成的生物活性层。通过微弧氧化技术可在多孔金属骨植入基材表面原位生长多孔的生物活性薄膜，膜层表面具有类火山口的微孔结构，有利于成骨细胞在其表面的攀附生长，进而在骨骼和植入物界面形成牢固的嵌合，防止多孔植入材料失效。总之，进一步在多孔金属骨植入基材和氧化锌沉积层之间增设微弧氧化生物活性层，使得金属骨植入材料的表面兼具了生物活性和抗菌性能。氧化锌的注入能够在原子尺度嵌入具有生物活性的膜层表面，既能够起到抗菌作用，又不妨碍微弧氧化层的生物活性元素。在保持多孔材料具有生物活性的同时增加了抗菌能力。优选地，微弧氧化生物活性层为含Ca和P的生物活性层。Ca/P等元素可以提高多孔骨植入材料的生物活性，促进骨整合。

另外，由于微弧氧化技术形成的生物活性层表面具有类火山口的微孔结构，氧化锌沉积层也能够更稳定地附着在其表面，对于金属骨植入材料的性能稳定性具有进一步的促进作用。

为了更充分地发挥微弧氧化生物活性层的生物活性，在一种优选的实施方式中，微弧氧化生物活性层的厚度为3～58μm。为了更充分地发挥氧化锌沉积层的抗菌性能，优选氧化锌沉积层的厚度为3～300nm。

上述多孔金属骨植入基材的材料可以使用本领域的常用金属材料，优选地，多孔金属骨植入基材的材料包括但不限于纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr或Ti-5Zr-3Mo-15Nb中的一种。优选地，多孔金属骨植入基材的多孔结构为不定形孔结构、立方结构、六棱柱结构、金刚石结构、菱形十二面体结构、截角八面体结构、钛珠烧结体、钛丝烧结中的一种或几种；优选地，多孔金属骨植入基材为全微孔结构、或微孔和实体结构的混合结构；更优选多孔金属骨植入基材的孔隙率为40～90％，孔径为300～1500μm。上述孔隙率和孔径范围更有利于微弧氧化过程中电解液进入微孔中，从而有利于提高生物活性膜的覆盖完整性和厚度均一性。

根据本发明的另一方面，还提供了一种表面改性的金属骨植入材料的制备方法，其包括以下步骤：S1，准备多孔金属骨植入基材；S2，利用原子层沉积方式，将多孔金属骨植入基材置于沉积室中，向沉积室中通入含锌化合物和氧源，并使含锌有机物和氧源在多孔金属骨植入基材表面反应并沉积，形成氧化锌沉积层，进而形成表面改性的金属骨植入材料；其中含锌化合物为含锌有机物和/或含锌卤化物。

利用本发明提供的方法，在多孔金属骨植入基材的表面沉积了氧化锌沉积层。氧化锌沉积层对于包括葡萄球菌、大肠杆菌等具有明显的抑制和消灭作用，大大提高了金属骨植入材料的抗菌性能，对于减少金属骨植入材料的感染几率具有重要的意义。除此之外还需要说明的是，由于多孔金属骨植入基材具有微孔结构，表面复杂，很难对三维多孔骨材料实现均匀的表面覆盖。而本发明中采用沉积的方法，以含锌化合物和氧源在多孔金属骨植入基材表面反应并沉积，形成的氧化锌膜层具有良好的覆盖性和均匀的厚度。

在一种优选的实施方式中，在执行步骤S2之前，制备方法还包括在多孔金属骨植入基材表面预先设置微弧氧化生物活性层的步骤，具体如下：将多孔金属骨植入基材置于电解液中，以多孔金属骨植入基材为阳极、不锈钢为阴极对多孔金属骨植入基材的外表面进行微弧氧化处理，得到微弧氧化生物活性层，其中电解液中含有生物活性元素。

通过微弧氧化技术可在多孔金属骨植入基材表面原位生长多孔的生物活性薄膜，膜层表面具有类火山口的微孔结构，有利于成骨细胞在其表面的攀附生长，进而在骨骼和植入物界面形成牢固的嵌合，防止多孔植入材料失效。总之，进一步在多孔金属骨植入基材和氧化锌沉积层之间增设微弧氧化生物活性层，使得金属骨植入材料的表面兼具了生物活性和抗菌性能。除此以外，相较于传统的如等离子喷涂羟基磷灰石这样的表面改性方法，利用微弧氧化技术形成的生物活性层具有更好的覆盖性能和厚度均一性能。

为了进一步改善氧化锌沉积层的膜层均匀性，在一种优选的实施方式中，上述步骤S2包括：S21，将多孔金属骨植入基材置于沉积室中，向沉积室中通入含锌化合物，并在120～200℃温度下保持50ms～150ms；S22，采用第一惰性气体吹扫沉积室，然后在120～200℃温度下向沉积室中通入氧源，通入时间为50～100ms；S23，采用第二惰性气体吹扫沉积室，然后重复执行步骤S21和S22，以生成氧化锌沉积层。

优选地，含锌化合物为二乙基锌、二甲基锌、氯化锌、溴化锌中的一种或多种，氧源为H₂O、O₂、O₃中的一种或多种。具体反应过程中，可以利用水蒸气脉冲法通入含锌化合物和氧源进行反应，比如：首先通入一种前驱体A(比如含锌化合物)，前驱体A会在基底表面发生自限制的半反应，多余的前驱体及反应副产物会在随后清洗A的过程中随惰性气体清洗出腔体，接着再通入另一前驱体B(比如氧源)进行反应，之后再进行清洗B过程，这样完成一个周期后再进行下一个周期的薄膜沉积。由于一次循环只生长一层薄膜，控制生长周期循环数就可以精确控制薄膜生长厚度。

在一种优选的实施方式中，第一惰性气体和第二惰性气体分别独立地选自氮气、氩气或氦气；优选地，采用第一惰性气体吹扫沉积室的步骤中，吹扫时间为20～60s；优选地，采用第二惰性气体吹扫沉积室的步骤中，吹扫时间为20～60s。该条件下，对于沉积室的吹扫更彻底。

在一种优选的实施方式中，微弧氧化处理过程中，电解液中含有的生物活性元素包括Ca和P；优选地，电解液中的钙源选自乙酸钙、氯化钙、磷酸二氢钙、甘油磷酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙和氧化钙的一种或多种，磷源选自甘油磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、六偏磷酸钠和聚磷酸钠中的一种或多种。

由于钙离子和磷离子的电性能不同，因此在微弧氧化中最终形成的生物活性层中的钙离子和磷离子的比例与电解液中的二者的比例也是不同的。基于此为了提高生物活性层的生物活性，在一种优选的实施方式中，电解液中钙元素的浓度记为m mol/L，磷元素的浓度记为n mol/L，当0.01≤m＜0.2时，(0.1m+0.025)≤n＜0.05；当0.2≤m≤0.6时，0.075≤n≤m/0.875，优选0.4＜m≤0.6时，0.25≤n≤m/0.875；

为了使生物活性层具有更合适的钙磷比例，优选地，电解液中还包括EDTA，且EDTA的浓度记为x mol/L，当0.01＜m＜0.2时，2m≤x＜5.2m；优选当0.2≤m≤0.6时，5.2m≤x≤7m。

在一种优选的实施方式中，微弧氧化处理过程中使用的电源为交流电，电源的电压处于100～900V之间，电源的输出脉冲频率为100～1000Hz，电源的脉冲宽度为8～500μs，电源的峰值电流设置为50～400A，微弧氧化处理过程的时间为3～60min，优选在微弧氧化处理过程中电解液的温度控制在30℃以下。上述工艺条件下，生物活性具有更好的生物活性，形成的膜层更均匀。

在一种优选的实施方式中，多孔金属骨植入基材通过采用粉末冶金法、发泡法、纤维烧结法、等离子喷涂法、激光打孔法、激光立体成形、选择性激光烧结/熔化和电子束熔融方法中的一种或几种制备得到。上述制备方法得到的多孔金属骨植入基材均可以采用本发明提出的改性方法进行改性。

根据本发明的另一方面，还提供了一种上述表面改性的金属骨植入材料作为髋臼杯、多孔髋臼补块、股骨柄、椎体、椎间融合器、人工骨盆、胸骨、肩肘关节材料方面的应用。

以下将结合实施例和对比例进一步说明本申请的有益效果。

实施例1

本实施例制备了表面改性的金属骨植入材料，具体制备工艺如下：

1)制备多孔金属骨植入基材：利用电子束熔融技术制备多孔金属骨植入基材，金属材料为Ti-6Al-4V，多孔结构为不定形全微孔结构结构，孔隙率为90％，孔径为300～500μm。

2)将乙酸钙、磷酸二氢钠溶于去离子水中，将试剂混合均匀，配制成电解液，其中乙酸钙浓度为0.01mol/L，磷酸二氢钠的浓度为0.035mol/L，EDTA-2Na的浓度为0.02mol/L，Na₂SiO₃的浓度为0.04mol/L，添加适量的KOH，调节溶液的pH值为11；采用交流电源为微弧氧化进行供电，将试样阳极接口与导线连接后接入电源的正极，将不锈钢电解槽作为阴极与电源的负极相连；将多孔金属骨植入基材完全浸没在电解液中，进行微弧氧化处理，并调节电源的供电电压为500V，输出脉冲频率为400Hz，脉冲宽度15μs，峰值电流设置100A，氧化时间为3min。整个氧化过程中控制电解液的温度在25℃，反应结束后取出试样，去除预置电极，去离子水冲洗，烘干。图1、2示出了该实施例中金属骨植入材料的表面经微弧氧化处理后的扫描电镜照片。由图中可以看出经过微弧氧化后，在多孔钛合金材料的丝径上均匀氧化，丝径上有类火山口形状的形貌。

3)利用原子层沉积方式，将表面经微弧氧化处理后的多孔金属骨植入基材置于沉积室中，往沉积室内通入二乙基锌，升温至200℃，保持50ms；随后通入高纯氮气，吹扫腔内环境，吹扫时间为60s，抽空氮气；随后通入O₂，通入氧源的时间为100ms；随后再次用高纯氮气吹扫，吹扫时间为60s，如此循环沉积生长，生长周期为50个，以在材料表面形成氧化锌沉积层。图3示出了该实施例中金属骨植入材料的表面依次经微弧氧化处理、氧化锌沉积后的扫描电镜照片。由图中可以看出在多孔材料的表面均匀的形成均匀致密的ZnO层，在微弧氧化后的火山口也清晰可见形成的ZnO层。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：

多孔金属骨植入基材的多孔结构为不定形全微孔结构结构，孔隙率为40％，孔径为600～900μm。

实施例3

与实施例1的不同之处在于：

多孔金属骨植入基材的多孔结构为不定形全微孔结构结构，孔隙率为80％，孔径为1300～1500μm。

实施例4

与实施例1的不同之处在于：

多孔金属骨植入基材由激光选区熔化技术制备得到，金属材料为Ti-6Al-17Nb，孔隙率为60％，孔径为1000～1150μm。

实施例5

与实施例1的不同之处在于：

多孔金属骨植入基材由激光选区熔化技术制备得到，金属材料为Ti-6Al-17Nb，孔结构为菱形十二面体结构孔，孔隙率为50％，孔径为800～1000μm。

实施例6

与实施例1的不同之处在于：

电解液不同：将乙酸钙、磷酸二氢钠溶于去离子水中，将试剂混合均匀，配制成电解液，其中乙酸钙浓度为0.18mol/L，磷酸二氢钠的浓度为0.045mol/L，EDTA-2Na的浓度为0.38mol/L，Na₂SiO₃的浓度为0.04mol/L，添加适量的KOH，调节溶液的pH值为11。

实施例7

与实施例1的不同之处在于：

电解液不同：将乙酸钙、磷酸二氢钠溶于去离子水中，将试剂混合均匀，配制成电解液，其中乙酸钙浓度为0.2mol/L，磷酸二氢钠的浓度为0.21mol/L，EDTA-2Na的浓度为1.04mol/L，Na₂SiO₃的浓度为0.04mol/L，添加适量的KOH，调节溶液的pH值为11。

实施例8

与实施例1的不同之处在于：

电解液不同：将乙酸钙、磷酸二氢钠溶于去离子水中，将试剂混合均匀，配制成电解液，其中乙酸钙浓度为0.58mol/L，磷酸二氢钠的浓度为0.65mol/L，EDTA-2Na的浓度为3.8mol/L，Na₂SiO₃的浓度为0.04mol/L，添加适量的KOH，调节溶液的pH值为11。

实施例9

与实施例1的不同之处在于：

电解液不同：将乙酸钙、磷酸二氢钠溶于去离子水中，将试剂混合均匀，配制成电解液，其中乙酸钙浓度为0.4mol/L，磷酸二氢钠的浓度为0.45mol/L，EDTA-2Na的浓度为2.2mol/L，Na₂SiO₃的浓度为0.04mol/L，添加适量的KOH，调节溶液的pH值为11。

实施例10

与实施例1的不同之处在于：

电解液不同：将乙酸钙、磷酸二氢钠溶于去离子水中，将试剂混合均匀，配制成电解液，其中乙酸钙浓度为0.38mol/L，磷酸二氢钠的浓度为0.42mol/L，EDTA-2Na的浓度为2mol/L，Na₂SiO₃的浓度为0.04mol/L，添加适量的KOH，调节溶液的pH值为11。

实施例11

与实施例1的不同之处在于：

电解液不同：将乙酸钙、磷酸二氢钠溶于去离子水中，将试剂混合均匀，配制成电解液，其中乙酸钙浓度为0.015mol/L，磷酸二氢钠的浓度为0.02mol/L，EDTA-2Na的浓度为0.032mol/L，Na₂SiO₃的浓度为0.04mol/L，添加适量的KOH，调节溶液的pH值为11。

实施例12

与实施例1的不同之处在于：

电解液不同：电解液中Na₂SiO₃的浓度为0.01mol/L，添加适量的KOH，调节溶液的pH值为14。

实施例13

与实施例1的不同之处在于：

将表面经微弧氧化处理后的多孔金属骨植入基材置于沉积室中，往沉积室内通入二乙基锌，升温至120℃，保持150ms；随后通入高纯氮气，吹扫腔内环境，吹扫时间为20s，抽空氮气；随后通入O₃，通入氧源的时间为50ms；随后再次用高纯氮气吹扫，吹扫时间为100s，如此循环沉积生长，生长周期为100个，以在材料表面形成氧化锌沉积层。

实施例14

与实施例1的不同之处在于：

将表面经微弧氧化处理后的多孔金属骨植入基材置于沉积室中，往沉积室内通入二甲基锌，升温至120℃，保持150ms；随后通入高纯氮气，吹扫腔内环境，吹扫时间为20s，抽空氮气；随后通入O₃，通入氧源的时间为50ms；随后再次用高纯氮气吹扫，吹扫时间为100s，如此循环沉积生长，生长周期为300个，以在材料表面形成氧化锌沉积层。

实施例15

与实施例1的不同之处在于：

将表面经微弧氧化处理后的多孔金属骨植入基材置于沉积室中，往沉积室内通入氯化锌，升温至120℃，保持150ms；随后通入高纯氮气，吹扫腔内环境，吹扫时间为20s，抽空氮气；随后通入O₃，通入氧源的时间为50ms；随后再次用高纯氮气吹扫，吹扫时间为100s，如此循环沉积生长，生长周期为500个，以在材料表面形成氧化锌沉积层。

实施例16

与实施例1的不同之处在于：

未进行微弧氧化处理，仅进行了氧化锌沉积。

对比例1

与实施例1不同之处在于：

未进行微弧氧化处理和氧化锌沉积。

对实施例1至16中制备得到的表面改性的金属骨植入材料及对比例1中未进行表面改性的金属骨植入材料进行表征：

1)采用扫描电镜检测孔径截面所形成的微弧氧化生物活性层及氧化锌沉积层的平均厚度，检测结果见表1。

表1

	微弧氧化生物活性层平均厚度(μm)	氧化锌沉积层平均厚度(nm)
			实施例1	13.2	6
实施例2	10.7	8
			实施例3	14.1	5
实施例4	12.6	9
			实施例5	15.2	6
实施例6	18.7	7
			实施例7	19.2	6
实施例8	17.8	8
			实施例9	18.5	7
实施例10	16.9	9
			实施例11	20.1	7
实施例12	20.3	8
			实施例13	13.8	12
实施例14	11.9	28
			实施例15	12.9	33
实施例16	0	10
			对比例1	0	0

2)对金属骨植入材料的抗菌性能进行表征，本发明实施例1制备植入材料抗菌效果采用贴膜法测定，以对大肠杆菌和葡萄球菌的抗菌率为例，表征结果见表2：

具体方法：37℃，将大肠杆菌和葡萄菌株在培养基上培养24h后备用；将细菌接种两代，调整菌液浓度到一定值，取植入物放于培养皿内，取菌悬液，滴加于试样表面，培养一定时间后，取出试样洗脱，将洗脱液滴于培养基平板上均匀摊开，37℃，24h后平板计数，计数菌落的平均值，试验重复3次。抗菌率的计算方法为：[(对照组菌落数-实施例组菌落数)/对照组菌落数]×100％。图4为大肠杆菌抑制情况，其中图(a)为对照组照片(仅在培养皿内生长，未接触金属植入材料)，图(b)为大肠杆菌在金属植入材料洗脱液培养生长后的照片。图5为葡萄球菌抑制情况，其中图(a)为对照组照片(仅在培养皿内生长，未接触金属植入材料)，图(b)为葡萄球菌在金属植入材料洗脱液培养生长后的照片。

表2

	葡萄球菌抑制率(％)	大肠杆菌抑制率(％)
			实施例1	80.3	91.2
实施例2	82.2	93.1
			实施例3	79.6	90.6
实施例4	78.3	93.4
			实施例5	81.9	92.5
实施例6	84.2	94.1
			实施例7	83.1	90.2
实施例8	82.8	95.1
			实施例9	79.8	89.8
实施例10	78.2	93.4
			实施例11	79.1	91.7
实施例12	82.1	93.0
			实施例13	83.8	95.2
实施例14	86.2	93.4
			实施例15	84.7	92.8
实施例16	83.2	91.7
			对比例1	0	0

3)对金属骨植入材料的生物活性进行表征，本发明实施例制备植入骨植入材料的生物活性效果采用模拟人体体液作为浸泡液，以在其表面出现沉积羟基磷灰石的天数作为表征其生物活性的途径，出现羟基磷灰石的天数越短，在一定程度上表明其生物活性越高。

表3

	沉积羟基磷灰石天数(天)
		实施例1	12
实施例2	13
		实施例3	11
实施例4	12
		实施例5	12
实施例6	10
		实施例7	11
实施例8	10
		实施例9	12
实施例10	11
		实施例11	11
实施例12	12
		实施例13	11
实施例14	11
		实施例15	11
实施例16	21
		对比例1	24

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：氧化锌沉积层对于包括葡萄球菌、大肠杆菌等具有明显的抑制和消灭作用，大大提高了金属骨植入材料的抗菌性能，对于减少金属骨植入材料的感染几率具有重要的意义。且氧化锌不易发生腐蚀、化学稳定性好、且制备成本等优势。此外，氧化锌本身具有无毒和良好的生物相容性等特性，在骨科植入产品抗菌领域将具有独特的应用。

通过本发明的实施，与未进行表面处理的多孔骨植入材料相比，同时拥有优异的耐腐蚀性能，可以为多孔骨植入材料/宿主组织界面提供一个长期的耐腐蚀界面，防止金属离子的析出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种表面改性的金属骨植入材料，其特征在于，包括：

多孔金属骨植入基材；

氧化锌沉积层，位于所述多孔金属骨植入基材的表面。

2.根据权利要求1所述的表面改性的金属骨植入材料，其特征在于，所述表面改性的金属骨植入材料还包括微弧氧化生物活性层，所述微弧氧化生物活性层位于所述多孔金属骨植入基材和所述氧化锌沉积层之间。

3.根据权利要求2所述的表面改性的金属骨植入材料，其特征在于，所述微弧氧化生物活性层为含Ca和P的生物活性层。

4.根据权利要求2所述的表面改性的金属骨植入材料，其特征在于，所述微弧氧化生物活性层的厚度为3～58μm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的表面改性的金属骨植入材料，其特征在于，所述氧化锌沉积层的厚度为3～300nm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的表面改性的金属骨植入材料，其特征在于，所述多孔金属骨植入基材的材料为纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr或Ti-5Zr-3Mo-15Nb中的一种；

优选地，所述多孔金属骨植入基材的多孔结构为不定形孔结构、立方结构、六棱柱结构、金刚石结构、菱形十二面体结构、截角八面体结构、钛珠烧结体、钛丝烧结中的一种或几种；

优选地，所述多孔金属骨植入基材为全微孔结构、或微孔和实体结构的混合结构；

更优选所述多孔金属骨植入基材的孔隙率为40～90％，孔径为300～1500μm。

7.一种表面改性的金属骨植入材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，准备多孔金属骨植入基材；

S2，利用原子层沉积方式，将所述多孔金属骨植入基材置于沉积室中，向所述沉积室中通入含锌化合物和氧源，并使所述含锌有机物和所述氧源在所述多孔金属骨植入基材表面反应并沉积，形成氧化锌沉积层，进而形成所述表面改性的金属骨植入材料；其中所述含锌化合物为含锌有机物和/或含锌卤化物。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在执行所述步骤S2之前，所述制备方法还包括在所述多孔金属骨植入基材表面预先设置微弧氧化生物活性层的步骤，具体如下：

将所述多孔金属骨植入基材置于电解液中，以所述多孔金属骨植入基材为阳极、不锈钢为阴极对所述多孔金属骨植入基材的外表面进行微弧氧化处理，得到所述微弧氧化生物活性层，其中所述电解液中含有生物活性元素。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21，将所述多孔金属骨植入基材置于所述沉积室中，向所述沉积室中通入所述含锌化合物，并在120～200℃温度下保持50ms～150ms；

S22，采用第一惰性气体吹扫所述沉积室，然后在120～200℃温度下向所述沉积室中通入所述氧源，通入时间为50～100ms；

S23，采用第二惰性气体吹扫所述沉积室，然后重复执行所述步骤S21和S22，以生成所述氧化锌沉积层。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述含锌化合物为二乙基锌、二甲基锌、氯化锌、溴化锌中的一种或多种，所述氧源为H₂O、O₂、O₃中的一种或多种。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一惰性气体和所述第二惰性气体分别独立地选自氮气、氩气或氦气；优选地，采用所述第一惰性气体吹扫所述沉积室的步骤中，吹扫时间为20～60s；优选地，采用所述第二惰性气体吹扫所述沉积室的步骤中，吹扫时间为20～60s。

12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化处理过程中，所述电解液中含有的所述生物活性元素包括Ca和P；优选地，所述电解液中的钙源选自乙酸钙、氯化钙、磷酸二氢钙、甘油磷酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙和氧化钙的一种或多种，磷源选自甘油磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、六偏磷酸钠和聚磷酸钠中的一种或多种。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述电解液中钙元素的浓度记为mmol/L，磷元素的浓度记为n mol/L，当0.01≤m＜0.2时，(0.1m+0.025)≤n＜0.05；当0.2≤m≤0.6时，0.075≤n≤m/0.875，优选0.4＜m≤0.6时，0.25≤n≤m/0.875；

优选地，所述电解液中还包括EDTA，且所述EDTA的浓度记为x mol/L，当0.01＜m＜0.2时，2m≤x＜5.2m；优选当0.2≤m≤0.6时，5.2m≤x≤7m。

14.根据权利要求8、12或13所述的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化处理过程中使用的电源为交流电，所述电源的电压处于100～900V之间，所述电源的输出脉冲频率为100～1000Hz，所述电源的脉冲宽度为8～500μs，所述电源的峰值电流设置为50～400A，所述微弧氧化处理过程的时间为3～60min，优选在所述微弧氧化处理过程中所述电解液的温度控制在30℃以下。

15.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述多孔金属骨植入基材通过采用粉末冶金法、发泡法、纤维烧结法、等离子喷涂法、激光打孔法、激光立体成形、选择性激光烧结/熔化和电子束熔融方法中的一种或几种制备得到。

16.权利要求1至6中任一项所述的表面改性的金属骨植入材料作为髋臼杯、多孔髋臼补块、股骨柄、椎体、椎间融合器、人工骨盆、胸骨、肩肘关节材料方面的应用。