一種純鈦表面制備無水磷酸氫鈣生物陶瓷涂層的方法與流程

本發明涉及一種純鈦表面制備無水磷酸氫鈣生物陶瓷涂層的方法，屬于外科植入物技術領域。

背景技術：

純鈦是制造承力骨植入體的主要金屬材料，與宿主骨的緊密結合是其長期、穩定發揮修復作用的前提。然而醫用純鈦為生物惰性材料，由其直接制造的產品植入人體后易出現松動、磨損、纖維組織介入和感染等問題，而生物活性涂層無疑是保障人體環境內金屬植入體長效運行的最為可行的途徑。羥基磷灰石(HAP)涂層由于良好的骨傳導性能成為目前骨內金屬植入體表面應用最廣泛的涂層，然而HAP不具備骨誘導性。隨著患者對植入體盡早負荷和快速愈合的渴望越來越強烈，具有骨誘導性的新型生物涂層的制備亟待解決。與化學穩定性較高的HAP相比，磷酸氫鈣(CaHPO₄，DCPA)的溶解度較高，降解速率適中，能夠在植入體-骨界面處形成Ca²⁺、PO₄^3-過飽和區域，誘導干細胞成骨分化(Habibovic P.,et al.Osteoconduction and osteoinduction of low-temperature3D printed bioceramic implants.Biomaterials,2008,29:944-953.)。由此可見，DCPA涂層有希望作為新一代生物活性涂層應用于金屬骨內植入體表面。

目前在醫用金屬表面制備DCPA生物活性涂層的報道尚不多，查閱到的方法有以下幾種。在含有鈣、磷離子的溶液中對鈦基體進行感應加熱制備DCPA涂層，電流為25A，由于基體表面水劇烈氣化，這種方法制備的DCPA涂層以片晶團簇的方式生長，未能完全覆蓋鈦基體(Kuroda K.,et al.Preparation of calcium phosphate coatings on titanium using the thermal substrate method and their in vitro evaluation.Materials Transactions,2002,43:3015-3019)。通過化學沉積、電化學沉積法首先在金屬基體上制備二水磷酸氫鈣(CaHPO₄·2H₂O)，然后再經過熱處理制備DCPA涂層，該方法中元素比例控制較難，最終產物中夾雜焦磷酸鈣削弱其生物相容性(Li K.,et al.Microstructure,in vitro corrosion and cytotoxicity of Ca-P coatings on ZK60magnesium alloy prepared by simple chemical conversion and heat treatment.Journal of Biomaterials Applications,2013,28:375-84)。此外，還可以通過溶膠-凝膠法制備DCPA涂層，這種方法操作難度較大，耗時較多，且DCPA涂層中極易夾雜碳酸鈣等雜質(Eshtiagh-Hosseini H.,et al.Preparation of anhydrous dicalcium phosphate,DCPA,through sol–gel process,identification and phase transformation evaluation.Journal of Non-crystalline Solids,2008,354:3854-3857)。綜上所述，目前已知的DCPA涂層制備方法主要存在以下缺點：(1)設備復雜，安全性能要求高；(2)需大電流或高溫(超過100℃)。操作；(3)所制備的DCPA涂層不能完全覆蓋基體或存在雜質相；(4)工作環境較差，效率低，能耗大。

技術實現要素：

發明目的：本發明的目的是提供一種能在醫用純鈦基體表面制備骨誘導性DCPA涂層的方法，以期縮短植入體與宿主骨愈合周期，改善植入體骨結合性。

技術方案：本發明所述的制備方法，包含如下步驟：(1)配制DCPA水溶液，濃度為0.05-0.25g/ml；(2)純鈦基體親水化預處理；(3)將純鈦基體在50-100℃條件下加熱使其表面干燥；(4)將DCPA水溶液反復均勻噴涂于純鈦基體表面即可。

其中，DCPA中文名為無水磷酸氫鈣。

優選的，步驟(1)中，配制DCPA水溶液的濃度為0.1-0.2g/ml，以保證涂層制備的效率和成膜質量；在配制DCPA水溶液過程加入去離子水和易揮發性酸：一方面，DCPA在去離子水中的溶解度很低，加酸可以降低pH，增加DCPA溶解量；另一方面，在后續可能進行的干燥過程中，這類酸可以很容易揮發掉，無殘留，不影響涂層純度；同時，這些易揮發性酸為濃度0.05-0.25mol/L的鹽酸，能實現上述目的；更進一步地，每0.1g/ml DCPA需要加入0.08mol/L的HCl，盡量多地溶解DCPA，最大發揮HCl的作用；此外，DCPA為分析純以上。

步驟(2)中的純鈦基體為植入醫療器械用純鈦，即CP-鈦，需符合ISO5032和ASTMF67要求。對純鈦基體進行的親水化預處理非常重要，可以使得溶液噴涂到試樣上后均勻覆蓋在其表面，能保證噴涂均勻性、涂層生長均勻性；如果不進行親水化處理，溶液可能聚集成為一個一個或者數個大液滴，延遲干燥時間，而且使得涂層不能均勻生長。本發明可通過酸蝕、噴砂-酸蝕、堿熱處理、等離子體處理、水熱處理或紫外線照射實現親水化預處理。在本步驟前，通常可以對基體試樣進行砂紙打磨和超聲波清洗，清洗時間可以控制在10min左右，清洗的介質通常依次為無水乙醇或丙酮、純水，并干燥，以去除打磨過程中附著在表面的油污。

步驟(3)中，純鈦基體在50-100℃條件下容易操作，如果低于50℃，會因脫水不充分生成DCPD夾雜相，而超過120℃后DCPA會分解；優選溫度為70-80℃，干燥速度適中，保證涂覆效率。另外，所使用的加熱裝置可為恒溫電熱箱、電熱風機、電熱臺中的一種。

步驟(4)中，噴涂手段是關鍵，需要做到噴涂均勻、少量多次，每次噴涂應保持距離、角度、強度一致，避免基體表面形成明顯液滴聚集，或基體表面存在未被溶液覆蓋的區域。噴涂應可以常溫下進行，也可以在步驟(3)的條件下進行。噴涂次數對涂層的質量是有所影響的，當COPA濃度為0.1-0.2g/ml時，噴涂為40-60次效果較好。同時，每次對純鈦基體噴涂前確認其表面干燥。更優選的，最后一次噴涂后，將所述純鈦基體干燥30分鐘以上然后取出，冷卻后保存。此外，可使用噴霧裝置實現噴涂，例如手動扎口噴霧、電動噴霧或機動噴霧裝置等。

有益效果：與現有技術相比，本發明的顯著優點為：利用溶解-析出的原理，采用噴霧法細化液滴，使CaHPO₄·2H₂O在相對較低的溫度下脫水形成DCPA，制備過程簡單，反應條件溫和，不涉及大電流或高溫操作，安全性要求不高，可操作性得到極大改善，工作環境良好，適合實驗室或醫療器械凈化車間使用；同時，采用本發明方法在金屬基體表面制備的生物活性DCPA涂層，不改變Ca/P元素比例，涂層物相純一、均勻致密，能完全覆蓋基體可調節植入體與組織細胞間的交互作用，促進干細胞成骨分化，改善植入物骨結合性。

附圖說明

圖1為本發明實施例1純鈦基體酸蝕預處理后表面微觀形貌；

圖2為本發明實施例1制得涂層的微觀形貌；

圖3為本發明實施例1基體及制得涂層的XRD分析結果；

圖4為本發明實施例2制得涂層的微觀形貌；

圖5為本發明實施例2基體及制得涂層的XRD分析結果；

圖6為本發明實施例3制得涂層的微觀形貌；

圖7為本發明實施例3基體及制得涂層的XRD分析結果。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步說明。

實施例1

用電子天平稱取5g分析純DCPA粉末，轉移至玻璃燒杯中，添加96mL去離子水，添加4moL濃度為0.04mol/L的稀鹽酸HCl，用玻璃棒攪拌，待CaHPO₄完全溶解后，將溶液轉移至PET扎口噴霧瓶中。將砂紙打磨和超聲波清洗過的純鈦置于70℃的鹽酸-硫酸混合溶液中處理30分鐘，之后用大量去離子水沖洗，獲得具備超親水性的酸蝕表面。將純鈦基體放入恒溫電阻箱中，溫度設置為50℃，保溫5分鐘后，確認基體表面完全干燥。按下噴霧泵，使得DCPA溶液均勻噴灑在鈦基體上，由于基體為超親水性，DCPA溶液能夠在其表面均勻鋪展。第一次噴涂后，保溫約30秒，基體表面完全干燥后再進行第二次噴涂，如此噴涂-干燥-噴涂，反復120次。最后一次噴涂后，保溫30分鐘后取出試樣，冷卻，保存。

用掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線衍射儀(XRD)對經上述處理的基體表面進行表征，結果如圖1、圖2、圖3所示。XRD結果表明，經上述處理后，除了純鈦基體的衍射峰外，出現了新的衍射峰，而它們對應的正是DCPA，此外并未發現其他峰，可見基體表面除了DCPA外沒有其他雜質相。SEM觀察結果表明，用本方法制備的DCPA雖然可以完全覆蓋鈦基體，但顆粒細小，基體表面粗糙輪廓依然可見。

實施例2

步驟與實施例1基本一致，不同之處在于本次噴涂溶液配比為：25g分析純DCPA，80ml去離子水，20mL濃度為0.20mol/L的稀鹽酸HCl。噴涂干燥次數為30次，干燥溫度60℃。SEM(圖4)、XRD(圖5)分析結果表明，用本方法制備的DCPA涂層均勻完整，可完全覆蓋鈦基體。

實施例3

步驟與實施例1基本一致，不同之處在于本次噴涂溶液配比為：10g分析純DCPA，92ml去離子水，8mL濃度為0.08mol/L的稀鹽酸HCl。噴涂干燥次數為60次，干燥溫度70℃。SEM(圖6)、XRD(圖7)分析結果表明，用本方法制備的DCPA涂層均勻完整、致密，可完全覆蓋鈦基體。

對照例1

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于本次噴涂溶液配比為：(1)2g分析純DCPA，100ml去離子水，不添加酸，此時DCPA已經達到其中在去離子水中的最大溶解度。SEM觀察未能發現鈦試樣表面存在明顯沉積物。

對照例2

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于本次噴涂溶液配比為：30g分析純DCPA，76ml去離子水，24mL濃度為0.24mol/L的稀鹽酸HCl。SEM觀察發現試樣表面的沉積物以分散圓團狀存在，未能形成均勻涂層。

對照例3

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于干燥溫度為40℃。SEM觀察發現試樣表面的沉積物呈現片狀結晶狀，XRD分析為DCPD，未能與基體形成緊密結合。

對照例4

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于干燥溫度為200℃。SEM觀察發現試樣表面的沉積物為分散的菱形塊狀晶體，XRD分析為焦磷酸鈣。

對照例5

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于干燥溫度為80℃。SEM觀察發現，DCPA涂層完整，可完全覆蓋鈦基體，顆粒尺寸均勻、排列致密。

對照例6

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于干燥溫度為75℃。SEM觀察發現，DCPA涂層完整，可完全覆蓋鈦基體，顆粒尺寸均勻、排列致密。

對照例7

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于干燥溫度為100℃。SEM觀察發現，

DCPA涂層能完全覆蓋表面，但顆粒大小不均，排列較為疏松。

對照例8

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于干燥溫度為150℃。SEM觀察發現，圓形顆粒與方形菱狀晶粒間雜排列，即形成了焦磷酸鈣，涂層未能完全覆蓋基體。

對照例9

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于噴涂次數為20次。SEM觀察可見試樣表面大量顆粒狀沉積物，尺寸不均勻，且未能完全覆蓋試樣。

對照例10

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于噴涂次數為80次。SEM觀察可見試樣表面有大量顆粒狀沉積物，能完全覆蓋試樣，但顆粒物表面呈現毛絨狀，涂層比較松散。

對照例11

步驟與實施例3基本一致，不同之處在于所使用的基體為未經親水處理的砂紙打磨試樣。SEM觀察可見試樣表面有大量顆粒，但其大小及分布很不均勻，偏聚于試樣的邊緣，未能形成均勻的涂層。

現將上述實施例與對照例的過程及結果匯總成表1：

表1實施例及對照例匯總

由上述實施例可知，溶液濃度影響成膜效率及質量。不添加酸時，DCPA溶解度過低，即便經過多次噴涂，依然不能在試樣表面成涂層；隨著DCPA濃度的提高，涂層顆粒逐漸增大，0.1g/ml(或100g/L)左右較為均勻細致效果最好。噴涂次數較少時，顆粒尺寸不均勻且不能形成完整涂層，而噴涂次數較多時，顆粒表面呈現毛絨狀，涂層松散。干燥溫度影響涂層最終物相組成，低溫易因脫水不徹底形成DCPD，而高溫易導致分解形成焦磷酸鈣。另外，表面親水化處理也是保證DCPA均勻成涂層的重要前提。