一種制備含硅羥基磷酸鈣涂層的仿生溶液及仿生方法

專利名稱：一種制備含硅羥基磷酸鈣涂層的仿生溶液及仿生方法
技術領域：
本發明涉及一 種在鈦或鈦合金表面制備含硅羥基磷酸,丐涂層的仿生溶液和仿 生方法，它適合對,狄鈦合金表面進行表面生物活化處理，應用于骨植入體。
技術背景-
f狄鈦合金因其優良的生物相容性在醫用骨修復材料領域得到廣泛的應用。 但是由于其生物惰性，與骨組織的界面結合處往往存在纖維結締組織，界面的結 合弓雖不足。因此，必須對f狄鈦合金的表面進行表面生物修飾，以提高其表面 骨誘導性。
對鈦及鈦合錢行表面羥基磷酸牽丐涂層處理可以顯著地提高鈦及鈦合金表面 的骨組織誘導性，提高與骨組織的界面結合強度。因此，在商業鈦及鈦合金骨植 入體表面大多要進行表面羥基磷酸轉涂層處理。但是，在實際的骨組織中并不存
在等化學比的羥基磷酸轉，而是不同程度i也缺乏Ca、 P和—OH。并且大量的其 它元素和基團存在于骨組織中，例如碳酸根含駄到8 wt.%，微量元素(含量小 于lwt.%)有Na、 Mg、 K、 Zn、 Sr、 Ba、 Cu、 Al、 Fe、 F、 Cl禾卩Si等。類骨磷 酸韓結構中的替代物影響其溶解性、表面化學性質和晶體生長的形態及表面的生 物活性，特別是Si。結構中含有Si的羥基磷酸藥較等化學比羥基磷酸轉表現出 更好的生物活性。
Si廣泛i也存在于哺乳動物體內。血清中大約含Si lppm，肝臟、肺、腎、和 肌肉中約含有2-10ppm的Si。在骨和韌帶中含有100ppm的Si，在軟骨和其它 結締系統中含200-600ppm的Si。在軟骨和臍帶束結締系統中的類似于透明質酸、 硫酸軟骨素、硫酸真皮素和硫酸乙酰肝素這樣的細胞外基質中的含量高達 200-550ppm。
硅可以促進造骨細胞的增殖、分化和膠原質產生。人骨細胞培養時補充硅， 骨生成增加。例如，硅補充水平在0-50mM(0-1.4ppm)，膠原I型合成增加1.8倍， 同時堿性磷酸酶和骨鈣活性增加1.5禾卩L2倍。采用來自含硅磷酸鈣(Si-TCP)的水合硅i咅養老鼠骨細胞，結果表明Si劑量影響造骨細胞和破骨細胞的響應。 Si的水平為0-100ppm可刺激造骨細胞，而破骨細胞則顯示出更復雜的響應。在 低于30ppm時，Si刺激破骨細胞的發展，而高于30ppm時阻礙破骨細胞發展和 再吸收。采用生物玻璃的離子產物培養老鼠頭骨細胞，表明可以顯著促進老鼠頭 骨細胞體外環境培養的細胞的增殖、分化、膠原分泌以及提高發育能力。
硅含量X寸軟骨合成有刺激性作用，并且對生理學再吸收過程也有影響。小牛 在持續23周接受充足的正硅酸后血漿中硅水平增加70%，并且相應地軟骨中膠 原質含硅量增加。硅影響生物體重變化和健康發育。硅缺乏可以導致小雞體重增 加緩慢，硅缺乏還有可能導致小雞的雞冠、皮膚和骨頭的畸形。小雞血清中硅含 量低，這些會引起脛骨、骨節和跖骨端部變形。
硅對骨骼的形成和礦化有重要的作用。當鈣磷重量比低時(0.7)，在鈣化的 早期階段，硅的水平在0.5^/。，礦itit—步發展，鈣磷比接近于羥基磷酸轉的水 平(1.67)時，硅的水平降低。水化硅的存在礦化過程中直接起作用，在阻礙羥 基磷酸轉沉淀的蛋白質存在的情況下，Si(OH)4形式的水合硅可誘導電解質溶液 中的羥基磷酸轉沉淀。硅影響骨的重建過程。硅缺乏的老鼠體內小梁骨體積減少 48%,而接正硅酸溶液或雌二醇治療的老鼠在破骨細胞面積方面降低20%。與缺 乏硅的老鼠比較，硅充足的老鼠的骨生長率增加38.3%。硅缺乏的老鼠還觀察到 了頭骨和牙齒琺瑯質的畸形以及骨的水和甘油缺乏。
介于Si對生物體特別魏骨形成和生長的影響，研究者將含Si羥基磷, 作為一種生物材料。已經有文獻報道了含硅羥基磷酸鈣(Si-HA)和含硅磷酸轉 (Si-TCP)出眾的生物學性能。體內試驗研究比較了 Si-HA和羥基磷酸鈣(HA) 顆粒的生物活性，表明在Si-HA顆粒中比HA顆粒對照樣中骨內長入增加14.5%。 在Si-HA和HA與骨界面磷灰石形態和事件的順序不一樣。6周后在骨/Si-HA 界面形成組織化的膠原小纖維，而對于HA這些結構在12周才形成。骨的粘附、 內長入和調整重建很明顯受到Si-HA中Si含量的影響。長期的研究結果表明 初始的Si-TCP基支架1年以后僅有10-20%保留，支架在2年后完全被吸收被 新形成的片狀骨組織代替。與之對比有相同孔隙度等化學比的HA支架5年后仍 非常完整。Si-HA和Si-TCP兩者都支持造骨細胞從單核先軀體發展，并且桐刺-可以被破骨細胞吸收。Si-HA和Si-TCP還表現出隨著體內形成新基體的增加類 似破骨細胞的骨生成。
4因此，采用含硅的羥基磷酸鈣對鈦及鈦合錢行表面處理已經成為提高鈦及 鈦合金表面骨細胞相容性的有效途徑。研究者發展了多種在鈦及鈦合金表面形成 含硅羥基磷酸鈣的工藝和方法。

發明內容
本發明的目的就是提供一種可應用于鈦及鈦合金表面制備含硅羥基磷酸藥涂 層的仿生溶液和含硅羥基磷酸轉涂層的仿生制備方法，解決鈦及lt合金表面骨細 胞相容性等問題。
本發明的技術方案是
本發明在鈦或鈦合金表面制備含硅羥基磷,涂層的仿生溶液，在常規的模
擬人體〗械(SBF)中，通過添加一定比例的含SiO/'溶液。溶液中的各離子濃度 為(毫摩爾/升，mM) :HP042-, 1.0; Ca2+,2.5; Na+, 142; HC03 4.2; CI-, 147; Si032—, 0.5-20.0; SO42-,0.5; Mg2+,1.5; IC,5.0。其中，SiO/的濃度最佳為(毫摩爾/升， mM): 1.0-10.0。
本發明的采用所述的仿生溶液制備含硅羥基磷酸轉涂層的仿生方法，主要包 括以下幾步組成Ca(OH)2+Na(OH)混合堿處理、熱處理、仿生溶液中浸泡和后續 熱處理。
Ca(OH)2+Na(OH)混合堿處理的目的就是在鈦或鈦合金表面產生三維的空隙 結構，同時在表面形成含Ca離子的預處理層。表面三維空隙結構的形成可以吸 附含Si羥基磷酸拷的沉積，而Ca離子預處理層的形成可以與表面吸附的羥基磷 酸牽丐層形成化學健合。因此，在鈦或鈦合金表面形成三維的空隙結構和含Ca離 子預處理層可以促進后續仿生含Si羥基磷酸鈣涂層的形成。混合堿溶液中的 Ca(OH)2含量影響表面預處理層中Ca離子在含量，也影響含Si羥基磷酸鈣的沉 積速度。本發明Ca(OH)2+Na(OH)混合堿水溶液中飽和Ca(OHM本積濃度在0-140 mL/L (優選范圍為1-80 mL/L)， Na(OH)的濃度為1-6 mol/L (優選范圍為3-5 mol/L)，混合溶液溫度在60-90°(:，處理時間6-48小時。
熱處理的目的就是使鈦及鈦合金表面的物理形貌和化合物發生改變。鈦或鈦 合金在不同的溫度熱處理，可以在表面形成不同結構的氧化鈦，例如金紅石結構 氧化鈦、銳鈦礦結構氧化鈦或者兩者的混合物。而經過混合堿處理后的鈦或鈦合 金表面含有Ca離子預處理層，因此也可能在鈦及鈦合金表面形成鈦酸轉。表面 氧化鈦的結構以及混合比例、鈦酸鈣的形成都將影響表面含Si羥基磷酸鈣涂層的形成及形成速度。在本發明中，鈦及鈦合金熱處理溫度在400-800 °C，最佳處理 ^Jt550-750。C，處理時間在0.5-3.0小時。
本發明所涉及的仿生制備工藝中最為關鍵的一步就是將經過混合堿處理和熱 處理后的鈦或鈦合金放入到本發明所涉及的仿生溶液中浸泡，該仿生溶液即是前 述的在常規的模擬人體體液中添加一定比例含SiOf的仿生溶液。由于仿生溶液 中存在多種離子，因此可能形成多種反應產物，例如Si03—2可能與其它的陽離子 形成硅酸鹽，而不是取代羥基磷酸轉中的磷酸根，形成含Si的羥基磷酸l丐。影響 溶液中反應析出產物的不僅有離子的種類、濃度，還有溶液的溫度和酸堿度。本 發明在常規模擬條的基礎上，以SiCV-的形式在溶液中引入Si離子。S3i調節 溶液中SiO/'離子的濃度，控制溶液的酸堿度和Mit，抑制硅酸鹽的形成，確保
含硅羥基磷酸鈣的形成。本發明涉及的仿生溶液浸泡的溫度在37士rc，溶液酸
堿度(pH值)不大于9.0，最佳為7.4-9.0，浸泡時間在l-7天。
本發明所涉及的仿生制備工藝中后續熱處理主要是通過熱處理調節表面含硅
羥基磷酸轉涂層的晶化程度，表面結合強度。后續的熱處理溫度在200-1000 °C，
處理時間在0.5-48小時。
采用本發明的仿生溶液，在鈦或鈦合金表面制備含硅羥基磷酸鈣涂層，獲得
含硅羥基磷酸鈣涂層厚度為5-15■，涂層中的Si含量在0.1-2.0wt%范圍內。 本發明的有益效果是
1 、采用本發明可以在純鈦或鈦合金表面形成一定厚度的含硅羥基磷酸轉涂 層，該涂層可以誘導骨細胞的生長，可以應用于鈦或鈦合金骨植入材料的表面生 物改性。
2、本發明仿生溶液和仿生方法可以在鈦或鈦合金表面形成含不同Si含量的 羥基磷酸轉涂層，提高鈦及鈦合金表面的骨組織相容性。該方法特別適合X寸鈦或 鈦合金表面進行生物活化處理，應用于鈦或鈦合金骨植入體。


圖1是實施實例]中鈦表面含硅羥基磷酸鈣涂層微觀形貌。 圖2是實施實例2中鈦表面含硅羥基磷酸鈣涂層微觀形貌。 圖3是實施實例3中鈦表面含硅羥基磷酸轉涂層微觀形貌。
具體實施例方式
通過下述實施例可以更好地理解本發明，但這些實例并不用來限制本發明。本發明在鈦或鈦合金表面制備含硅羥基磷酸f丐涂層的仿生溶液，在常規的模
擬人體體液(SBF)中，通過添加一定比例的含SiC^溶液。溶液中的各離子濃度 為(毫摩爾/升，mM) :HP042-, 1.0; Ca2+,2.5; Na+, 142; HCO/,4.2; CT, 147; Si032-, 0.5-20.0; SO42-,0.5; Mg2+，1.5; K—， 5.0。其中，硅酸根(SiO^)以可溶性硅酸鹽 的形式加入，如硅酸鉀、硅酸鈉等。
涂層結合強度的測定仿生含Si羥基磷酸f丐涂層與基體鈦或鈦合金的結合強
度按照國家標準GB5210-85。測i^^it為25。C，測試儀器為美國Instron5500R 萬能材料試驗機。測試條件應變速率為0.5 mm/min，試驗環;1M度為50%。載 荷采用勻變加載方式。
表面涂層Si含量的分析經過仿生處理的試樣表面干燥，真空鍍膜，然后在 Mtachi S—4700型(帶能譜儀EDS)掃描電子顯微鏡對噴金后試樣表面進行觀察。 利用能譜儀EDS對合金平面進行微區成分分析。
表面涂層結構分析表面涂層的物相分析采用小角X射線衍射方法。實驗儀 器為日本理學電機(Rigaku) D/max_ Y B型旋轉陽極X射線衍射儀。測試條 件是采用Cu靶Ka射線衍射(XM).15418nm)，加速電壓45KV，電流50mA。 掠射角2°，掃描范圍20: 20°-100°，掃描速度5。/min。同時，將表面涂層從鈦 及鈦合金表面刮下，與KBr混合后壓片(2mg樣品/100mgKBr)。然后進行傅 里葉紅外光譜儀(FTIR， Nicolet5DX)分析。其分辨率為4 cm"，波數范圍4004600 cm隱1。
將商業純鈦(TA2) i式樣，尺寸在15xl5x2mm，在Ca(OH)2+Na(OH)混 合堿水溶液中處理12小時，其中飽和Ca(OH)2的體積濃度在10 mL/L， Na(OH) 濃度為5mol/L，溶液溫度在90。C。然后將處理后試樣在400。C熱處理2.0小時。 隨后在仿生溶液中37 °C浸泡3天，仿生溶液中Si032—的濃度為1 mM， SiO '以 硅酸鈉的形式加入，酸石戯為7.5。最后，將處理后的試樣在300 °C處理24小 時。本實施例中，含硅羥基磷酸鈣涂層厚度為10拜，鈦表面含硅羥基磷酸f丐涂 層微觀形貌見圖1 。
經小角X射線衍射分析得知，表面涂層以羥基磷酸藥為主，同時檢測到二氧 化鈦和基體鈦。傅里葉紅外光譜儀分析，可見-OH， P04和Si04功能團的譜峰。 掃描電鏡能譜分析得知表面涂層的81含量在0.25%重量百分數。分析結果表明鈦表面確實形成了 Si04功能團部分取代的羥基磷酸鈣層。結合強度測得涂層與基
體的界面剪切強度為17MPa。
實施例2:
將商業純鈦(TA2)試樣，尺寸在15xl5x2mm，在Ca(OH)2+Na(OH)混 合堿水溶液中處理48小時，其中飽和Ca(OH)2的體積濃度為20 mL/L， Na(OH) 濃度為4mol/L，溶液^lt在80。C。然后將處理后試樣在800°C熱處理1.0小時。 隨后在仿生溶液中37。C浸泡5天，仿生溶液中8 332'的濃度為5 mM， SiO,以 硅酸鉀的形式加入，酸堿度為8.0。最后，將處理后的試樣在800 °C處理0.5 小時。本實施例中，含硅羥基磷酸f丐涂層厚度為7 ,，鈦表面含硅羥基磷,涂 層微觀形貌見圖2。
經小角X射線衍射分析得知，表面涂層以羥基磷酸鋅為主，同時檢觀倒二氧 化鈦和基體鈦。傅里葉紅外光譜儀分析，可見-OH， P04和Si04功能團的譜峰。 掃描電鏡能譜分析得知表面涂層的Si含量在0，/。重量百分數。分析結果表明 鈦表面確實形成了 Si04功能團部分取代的羥基磷酸轉層。結合強度測得涂層與基 體的界面剪切強度為16MPa。
實施例3:
將商業純鈦(TA2)試樣，尺寸在15xl5x2mm，在Ca(OH)2+Na(OH)混 合堿水溶液中處理24小時，其中飽和Ca(OH)2的體積濃度在100mL/L， Na(OH) 濃度為5 mol/L，溶液溫度在90。C。然后將處理后試樣在600 。C熱處理1.0小 時。隨后在仿生溶液中37。C浸泡7天，仿生溶液中Si032—的濃度為10 mM， Si032— 以硅酸鈉的形式加入，酸堿度為8.5。最后，將處理后的試樣在600 °C處理5 小時。本實施例中，含硅羥基磷酸韓涂層厚度為5 ,，鈦表面含硅羥基磷酸牽丐 涂層微觀形貌見圖3。
經小角X射線衍射分析得知，表面涂層以羥基磷酸轉為主，同時檢測到二氧 化鈦和基體鈦。傅里葉紅外光譜儀分析，可見-OH， P04和Si04功能團的譜峰。 掃描電鏡能譜分析得知表面涂層的Si含量在1，。重量百分數。分析結果表明 鈦表面確實形成了 Si04功能團部分取代的羥基磷酸轉層。結合強度測得涂層與基 體的界面剪切強度為15MPa。
權利要求
1、一種制備含硅羥基磷酸鈣涂層的仿生溶液，其特征在于，在常規的模擬體液中添加SiO32-；按毫摩爾每升計，溶液中的各離子濃度為HPO42-，1.0；Ca2+，2.5；Na+，142；HCO3-4.2；Cl-，147；SiO32-，0.5-20.0；SO42-，0.5；Mg2+，1.5；K-，5.0。
2、 按照權利要求1所述的制備含硅羥基磷酸鈣涂層的仿生溶液，其特征在于，si032'的濃度iK為i.o-io.o毫摩爾/升。
3、 一種利用權利要求書1所述的仿生溶液制備含硅羥基磷酸轉涂層的仿生方法，其特征在于，在鈦或鈦合金表面制備含硅羥基磷酸鈣涂層，該工藝由以下幾步組成Ca(OH)2+Na(OH)混合堿處理、熱處理、仿生溶液中浸泡和后續熱處理。
4、 按照權利要求3所述的仿生方法，其特征在于Ca(OH)2+Na(OH)混合堿 處理中，飽禾卩Ca(OH)2的體積濃度在0-140 mL/L，溶液溫度在60-90 。C，處理時 間648小時。
5、 按照權利要求3所述的仿生方法，其特征在于熱處理中，溫度在400-800 °C，處理氣氛為空氣，處理時間在0.5-3.0小時。
6、 按照權禾腰求3所述的仿生方法，其特征在于仿生溶液浸泡中，Mit在 37±1°C，溶液酸石戯pH值《9.0，浸泡時間在l-7天。
7、 按照權利要求3所述的仿生方法，其特征在于后續熱處理中，溫度在 200-1000 °C，處理氣氛為空氣，處理時間在0.5-48小時。
全文摘要
本發明涉及一種在鈦及鈦合金表面采用仿生方法制備含硅羥基磷酸鈣的仿生溶液和仿生制備方法。仿生溶液中，各離子濃度為(毫摩爾/升，mM)HPO₄^2-，1.0；Ca²⁺，2.5；Na⁺，142；HCO₃^-4.2；Cl^-，147；SiO₃^2-，0.5-20.0；SO₄^2-，0.5；Mg²⁺，1.5；K^-，5.0。仿生制備方法Ca(OH)₂+Na(OH)混合堿處理、熱處理、仿生處理和后續熱處理。其中，Ca(OH)₂+Na(OH)混合堿處理中，飽和Ca(OH)₂的體積濃度在0-140ml/l，溶液溫度為40-90℃，處理時間6-48小時。熱處理溫度在400-800℃，處理時間為0.5-3.0小時。仿生處理為在上述的仿生溶液中37℃浸泡1-7天。后續熱處理是200-1000℃，處理時間在0.5-48小時。本發明通過該工藝可以在純鈦或鈦合金表面形成一定厚度的含硅羥基磷酸鈣涂層，該涂層可以誘導骨細胞的生長，可以應用于鈦或鈦合金骨植入材料的表面生物改性。
文檔編號A61L27/32GK101642586SQ20081001266
公開日2010年2月10日 申請日期2008年8月6日 優先權日2008年8月6日
發明者張二林, 柯 楊, 鄒鶉鳴 申請人:中國科學院金屬研究所