CN1740400A - 纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，涉及一种通过电化学沉积在医用金属表面可控制备纳米有序结构CaP/胶原复合涂层的方法。提供一种可在温和条件下，具有类骨结构和均一化学性质的生物材料，可大幅提高材料生物相容性和生物活性，可实现临床应用的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法。步骤为基底预处理，对基底进行阴极电化学沉积，沉积溶液为在5～30m含0.042mol/L[Ca2+]和0.025mol/L[PO4 3－]的钙磷盐溶液中加入0～10ml 1mg/ml的胶原分散液，电解液pH＝3～6，电流密度为0.1～1.0mA/cm2，温度为50～100℃，时间为10～30min。

Description

纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种通过电化学沉积在医用金属表面可控制备纳米有序结构钙磷化合物(CaP)/胶原复合涂层的新方法。
背景技术
自然骨是由无机成分和有机成分巧妙地结合在一起的多级复杂系统，它基本是由钙磷盐与胶原纤维构建的。这两种基本成分有着极其不同的机械性能：钙磷矿物硬而脆，胶原则柔软而坚韧。自然骨中二组份相互结合，具有优异的力学性能(P.Fratzl，H.S.Gupta，E.P.Paschalis etal..J.Mater.Chem.，2004，14：2115)。传统的骨替代材料，如金属、陶瓷、医用高分子常常用来恢复骨的部分功能。当单一使用医用金属材料、生物陶瓷材料时，可能存在不同的缺点和不足。如金属材料的生物相容性和生物活性较差，陶瓷材料力学性能难以满足要求，从而使传统材料难以满足人体生理环境的使用条件。为了得到新一代性能优异的骨替代材料，人们模拟骨骼的结构与成分，将不同的单一材料复合，把材料各自的优点集于一体。近年来，由于胶原、钙磷陶瓷与自然骨成分类似，将二者复合具有极其优异的性能，人们对于胶原与钙磷陶瓷复合物的研究具有极大的兴趣。有研究者采用pH控制同时滴定法(Yung chui Chang，T.Ikoma，M.Kikuchi et al..J.Materials Science Letters，2001，20：1199；W.Zhang，S.S.Liao，F.Z.Cui.J.Chem.Mater.2003，15：3221)或生物模拟的方法(X.Lin et al..J.Materials Letters，2004，58：3569；M.Kikuchi et al.J.Science and Technology，2004，64：819)体相合成了胶原与钙磷矿物的复合材料。在众多的制备方法中，电化学沉积法是一种极具潜力的制备骨替代材料的方法。它的制备条件温和，并且是一种原位合成方法，近年来的研究表明，该方法在制备有机与无机复合型生物涂层材料上具有不可比拟的优势(M.Kikuchi et al.J.Science and Technology，2004，64：819；X.Cheng et al..J.Biomaterials，2004，25：5395-5403；H.Schliephake，D.Schamweber et al..J.Biomedical Materials Research.2003，64A：225；Yuwei Fan，Ke Duan，Rizhi Wang.J.Biomaterials.2005，26：1623)。众所周知，自然骨中羟基磷灰石的c轴(长轴)方向沿胶原纤维的延伸方向择优排列(P.Fratzl，H.S.Gupta，E.P.Paschalis et al..J.Mater.Chem.，2004，14：2115；M.Kikuchi，Toshiyuki Ikoma，Soichiro Itoh et al..Composites Science and Technology.2004，64：819.)。而通过电化学沉积得到的钙磷盐晶粒的c轴一般在电极表面是沿沉积面的法线方向外延生长的。通过改变电化学沉积法的工艺条件，能方便地控制涂层厚度和表面形貌等涂层性质，从而使复合生物涂层的制备过程可控性显著提高。通过在电解液中掺入胶原，控制一定的沉积模式、沉积温度等条件，可在医用金属表面共沉积得到胶原与钙磷盐的复合膜层。胶原的加入可直接参与沉积过程，或影响沉积层的生长，并且显著提高材料的生物活性以及涂层与基底的结合力。通过电化学方法制备的该种具有生物活性表面的替代材料可望加速骨骼的生长与植入材料在体内的固定，缩短患者的治疗周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种可在温和条件下，具有类骨结构和均一化学性质的生物材料，可大幅度提高材料的生物相容性和生物活性，并可实现临床应用的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法。
本发明的步骤为
1)将基底表面预处理，所说的基底为钛及其合金；
2)对基底进行阴极电化学沉积，沉积溶液为在5～30ml含0.042mol/L[Ca2+]和0.025mol/L[PO4 3-]的钙磷盐溶液中加入0～10ml 1mg/ml的胶原分散液，电解液pH＝3～6，电流密度为0.1～1.0mA/cm2，温度为60～70℃，时间为10～30min，即在基底表面获得纳米有序磷酸八钙/胶原复合涂层。
在步骤1)中，所说的表面预处理可对基底表面机械打磨，在10％HNO3+1％HF中处理并清洗干净。所说的钛合金为Ti6Al4V。
在步骤2)中，沉积溶液采用Ca(NO3)2·4H2O和NH4H2PO4配置；所说的胶原分散液可采用I型胶原蛋白(购于sigma公司)分散在0.01mol/L醋酸溶液中，冰水浴中操作。
本发明通过电化学定向沉积在医用金属表面构筑与自然骨结构成分相似的纳米有序钙磷陶瓷/胶原复合涂层，磷酸八钙/胶原复合涂层材料是一种具有类骨结构和均一化学性质的生物材料。
本发明通过系统考察一系列电化学沉积参数对钙磷陶瓷与胶原复合涂层沉积行为的影响，找到制备纳米有序磷酸八钙/胶原复合涂层的方法。磷酸八钙晶粒尺寸由于胶原的影响可控制在纳米尺度，磷酸八钙与胶原形成微观形貌为微孔状的具有二级结构的纳米有序复合涂层。运用电沉积方法实现了钙磷陶瓷/胶原复合膜层的表面构筑，首次制得具有特殊表面形貌的纳米有序磷酸八钙/胶原复合涂层。本发明为纳米有序复合人工骨材料的研制提供了重要基础。
附图说明
图1为电化学沉积涂层不同放大倍数的SEM图像。其中图a、b是电解液中没有加入胶原而得到的OCP涂层的表面形貌(图a为1000倍，图b为5000倍)图c、d、e是电解液中加入胶原得到的OCP/胶原复合涂层的表面形貌(图c为1000倍，图d为5000倍，图e为50000倍)。二者比较可以观察到，当没有胶原加入时，得到的多孔钙磷盐涂层，其孔洞尺寸大约为十几微米，涂层的基本构造单元为宽几百纳米的长带状晶体。当电解液中加入胶原时，得到的多孔钙磷盐/胶原复合沉积层表面形貌发生了有趣的变化，孔洞尺寸减小到几微米，OCP晶体呈细丝状，宽度大约只有几十纳米。并且细丝状的晶体会平行成束，束状物再构建多孔结构。该复合沉积层具有较大的反应表面积和微晶结构，有利于作为植入材料与人体组织形成大面积的骨结合界面和强的化学作用。
图2为钙磷盐/胶原复合涂层的EDS谱图。其元素分析见表1。在图2中，横坐标为x射线能量。根据电化学沉积涂层的EDS谱可知涂覆层主要由钙磷盐组成，钙磷比约为1.37～1.46，高于磷酸八钙的钙磷比理论值(1.33)。C元素则来源于胶原蛋白以及CO2。
           表1.
  成份(t)   质量(％)   原子量(％)
  CK   6.69   13.66
  OK   32.37   49.61
  PK   12.07   9.56
  CaK   21.51   13.16
  TiK   27.36   14.01
  Totals   100.00
图3为电化学沉积涂层以及涂层刮下后粉末的XRD谱图比较。在图3中，横坐标为2Theta(deg)。由图3中OCP/胶原复合涂层XRD谱图(曲线b)与磷酸八钙标准谱图(曲线a)比较可知在一定电化学制备条件下得到的钙磷盐/胶原复合沉积层中钙磷盐主要为磷酸八钙(OCP)的形式。OCP/胶原复合涂层粉末(曲线b)与OCP涂层粉末(曲线c)的XRD谱图比较峰位基本一致，但OCP/胶原复合涂层粉末的(010)衍射峰明显减弱，其他晶面除(002)的衍射峰都有一定的宽化。这可能是由于OCP/胶原复合涂层中晶粒尺寸减小到纳米级所引起的。在电极上的OCP涂层(曲线d)和OCP/胶原复合涂层(曲线e)都在(002)晶面上具有一定的择优取向，并且OCP/胶原复合涂层在(002)晶面的择优强度更明显。
图4为不同涂层与基准物质的傅立叶变换红外谱图。在图4中，横坐标为波数Wavenumber(cm-1)，纵坐标为透过率(％)。OCP/胶原复合涂层(线b)与OCP涂层(线a)、胶原与OCP机械混合物(线c)、纯胶原(线d)的谱峰相比较，各谱峰具体归属列于表2。OCP/胶原复合涂层与胶原与OCP机械混合物的谱峰基本一致，复合涂层中钙磷盐在1103、1070、1024cm-1出现P-O伸缩振动峰，在916、861cm-1出现HPO4中P-(OH)伸缩振动峰，在602、561cm-1出现P-O弯曲振动峰，这是磷酸八钙的特征吸收峰。这些吸收峰都与OCP涂层的谱峰相一致。胶原的FTIR谱图有几个特征吸收峰：3306cm-1(amide A)，3064cm-1(amide B)，1655cm-1(amide I)，1541cm-1(amide II)，1242cm-1(amide III)。OCP/胶原复合涂层在1652cm-1出现C＝O伸缩振动峰(amide I，与H2O在1639的吸收峰有交叠)，在1540cm-1出现N-H变性振动峰(amide II)。由FTIR结果可知涂层确为胶原蛋白与磷酸八钙矿物的复合物。
                              表2.
  υ(cm-1) Assignments
  OCPcoating   OCP/collagencompositecoating   MixtureofcollagenandOCP Purecollagenpowder
  -   -   -   3306   NH stretching(amide A)
  --   -*1652   -1654   30641655   CH stretching(amide B)CO stretching(amide I)
  1636   -   -   -   H2O
- *1541 1541 1541   NH deformation(amideII)
- - - 1242   NH deformation(amideIII)
1194 1195 1194 -   HPO4(OHin-planebending)
  1121   1121   1120    -   HPO4 stretcning(υ3)
1104 *1103 1104 -
1077 *1077 1077 -   HPO4 stretching(υ3)PO4 stretching(υ3)
  1056   1056   1056    -   PO4 stretching(υ3)
  1038   1038   1038    -
  1024  *1024   1025    -
  962   962   962    -   PO4 stretching(υ1)
  917  *916   918    -   HPO4[P-(OH)]stretching
  859  *861   860    -
  629   627   628    -   H2O libration
  602  *602   602    -   PO4 bending(υ4)
  561  *561   561    -
  527   530   526    -   HPO4 bending(υ4)
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：基底材料采用15mm×20mm×2mm纯钛板。钛板表而经砂纸打磨后，依次在丙酮、乙醇和三次水中超声清洗10min，并在10％HNO3+1％HF中预处理60s，取出后用三次水冲洗，凉干待用。电解液中含有0.042mol/LCa(NO3)2和0.025mol/LNH4H2PO4。电解液pH＝4.2，控制电流密度为0.5mA/cm2，进行阴极电化学沉积。控制温度为65±5℃，沉积时间为20min，在钛表面获得微孔状纳米有序磷酸八钙沉积层。参见图1a，b和表3。
实施例2：基底材料采用15mm×20mm×2mm纯钛板。钛板表面经砂纸打磨后，依次在丙酮、乙醇和三次水中超声清洗10min，并在10％HNO3+1％HF中预处理60s，取出后用三次水冲洗，凉干待用。电解液是将10ml1mg/ml的胶原分散液加入到20ml含有0.042mol/LCa(NO3)2和0.025mol/LNH4H2PO4的钙磷盐溶液(冰水浴中操作)。1mg/ml的胶原分散液是将适量胶原分散在0.01mol/L的醋酸溶液中(冰水浴中操作)。用0.05mol/L的NaOH调节电解液pH＝4.2，控制一定的电流密度为0.5mA/cm2，进行阴极电化学沉积。控制温度为65±2℃，沉积时间为20min，在钛表面获得微孔状纳米有序CaP/胶原复合沉积层。参见图1c，d，e和表3。
                                     表3
  实施例   基底   电解液(pH)   电沉积模式  温度   时间   晶粒尺寸  微观形貌
实施例1 纯钛   0.042M Ca(NO3)2/0.025MNH4H2PO4(pH＝4.2)   恒电流密度(0.5mA/cm2)  65±5℃ 20min   ~几百微米  孔状(孔径十几微米)
实施例2 纯钛   20mL 0.042MCa(NO3)2/0.025MNH4H2PO4与10mL1mg/mL胶原分散液混合(pH＝4.2) 恒电流密度(0.5mA/cm2) 65±2℃ 20min ~30nm 孔状(孔径几微米)
实施例3
与实施例2类似，其区别在于基底材料采用钛合金Ti6Al4V。用0.05mol/L的NaOH调节电解液pH＝3，控制的电流密度为0.1mA/cm2，进行阴极电化学沉积。控制温度为53±3℃，沉积时间为10min，在钛表面获得微孔状纳米有序CaP/胶原复合沉积层。
实施例4
与实施例2类似，其区别在于基底材料采用钛合金(Ti6Al4V)。用0.05mol/L的NaOH调节电解液pH＝6，控制的电流密度为1.0mA/em2，进行阴极电化学沉积。控制温度为85±2℃，沉积时间为30min，在钛表面获得微孔状纳米有序CaP/胶原复合沉积层。
实施例5
与实施例2类似，其区别在于基底材料采用钛合金(Ti6Al4V)。用0.05mol/L的NaOH调节电解液pH＝5.5，控制的电流密度为1.0mA/cm2，进行阴极电化学沉积。控制温度为98±2℃，沉积时间为30min，在钛表面获得微孔状纳米有序CaP/胶原复合沉积层。

Claims (10)

1、纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于其步骤为
1)将基底表面预处理，所说的基底为钛及其合金；
2)对基底进行阴极电化学沉积，即在基底表面获得纳米有序磷酸八钙/胶原复合涂层。
2、如权利要求1所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于在步骤1)中所说的钛合金为Ti6Al4V。
3、如权利要求1所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所说的表面预处理为对基底表面机械打磨，在10％HNO3+1％HF中处理并清洗干净。
4、如权利要求1所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于在步骤2)中，对基底进行阴极电化学沉积的沉积溶液为在5～30ml含0.042mol/L[Ca2+]和0.025mol/L[PO4 3-]的钙磷盐溶液中加入0～10ml 1mg/ml的胶原分散液。
5、如权利要求4所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于沉积溶液采用Ca(NO3)2·4H2O和NH4H2PO4配置。
6、如权利要求4或5所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于沉积溶液pH＝3～6。
7、如权利要求1所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于电化学沉积的电流密度为0.1～1.0mA/cm2。
8、如权利要求1所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于电化学沉积的温度为50～100℃。
9、如权利要求1所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于电化学沉积的时间为10～30min。
10、如权利要求1所述的纳米有序结构钙磷化合物/胶原复合膜层的制备方法，其特征在于所说的胶原分散液采用I型胶原蛋白分散在0.01mol/L醋酸溶液中，冰水浴中操作。
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