專利名稱：含鍶羥基磷灰石生物活性膜層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在醫(yī)用金屬材料表面制備生物活性膜層的方法，特別涉及一種用作股骨、髖關(guān)節(jié)和牙根的鈦基多孔納米含鍶羥基磷灰石生物活性膜層及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來各種生物醫(yī)學(xué)材料的開發(fā)和應(yīng)用得到飛速發(fā)展，其中，金屬材料最早被采用。金屬生物材料一般具有較高的強度和韌性，適用于硬組織修復(fù)和固定。常用金屬生物材料有鈷注。但由于鈦及鈦合金的表面硬度低基合金、鉭、鈦及鈦合金等，其中，鈦及其合金以其優(yōu)越的耐蝕性能、高比強度、良好的生物相容性和適于植入等特點而廣受關(guān)注，但由于耐磨性差，使其應(yīng)用受到限制。另外，鈦及其合金都是生物惰性材料，只能與生長骨之間產(chǎn)生機械結(jié)合而不能形成化學(xué)結(jié)合，因而有必要對鈦及其合金進(jìn)行生物活化改性。通過表面改性技術(shù)在金屬基體表面制備生物活性陶瓷膜層已成為近年來研究熱點和發(fā)展趨勢。
中國專利ZL97119791.1生物活性梯度涂層人工關(guān)節(jié)的制備方法，公開了一種金屬表面制備羥基磷灰石(Hydroxyapatite，簡稱HA)涂層的方法。由于HA是骨骼的主要礦物成分，具有良好的生物相容性，植入人體不僅安全、無毒，還能傳導(dǎo)骨生長，使新骨從HA植入體與原骨結(jié)合處沿表面和內(nèi)部孔隙攀附生長，因此該發(fā)明使材料既具有金屬材料的結(jié)合強度，又具有良好的生物活性，誘導(dǎo)新骨直接與植入材料表面形成牢固的骨鍵合。但該專利采用等離子噴涂的方法，所制得的膜層在表面孔隙率控制方面有所欠缺，影響了術(shù)后骨組織長入速度。而且膜層表層中單一的羥基磷灰石成分，對術(shù)后愈合速度有所影響。
研究發(fā)現(xiàn)，鍶是人體中存在的一種微量元素，在骨中的含量約占其重量的0.01％，而人體中含有的鍶(Sr)、鈣(Ca)的99％以上均積聚在骨骼之中。Sr與Ca均屬堿土金屬，具有許多相似的性質(zhì)。以離子形態(tài)存在的Sr2+分享著與Ca2+相同的生理路線，最終沉積在骨的礦化結(jié)構(gòu)中。研究表明，鍶具有以下幾個方面的特殊藥理作用首先，在骨骼病區(qū)的礦化與重建方面，低劑量的鍶有助于增加骨的質(zhì)量與體積，目前尚未發(fā)現(xiàn)它對礦化形貌和礦物化學(xué)組成產(chǎn)生不利的影響；其次，在骨代謝方面，在外界不斷供給條件下，鍶在骨中的含量因體內(nèi)解剖學(xué)位置不同而異，并發(fā)現(xiàn)鍶可以與骨中磷灰石晶體表面的少量鈣發(fā)生交換；其三，在骨傳導(dǎo)性方面，有人比較了不同含鍶量的玻璃離子水泥后，發(fā)現(xiàn)含鍶量最高組LG125具有最好的骨傳導(dǎo)性；其四，在治療骨質(zhì)疏松病癥方面，鍶也發(fā)揮了顯著療效。Sr置換磷灰石中部分鈣而獲得的含鍶羥基磷灰石，不僅具有比純羥基磷灰石更好的組織相容性、骨傳導(dǎo)性、甚至具有一定程度上的骨誘導(dǎo)能力，還改變了其溶解動力學(xué)，提高了生物降解性。因此，若能將鍶摻入羥基磷灰石膜層中，獲得含鍶羥基磷灰石磷灰石膜層，既可保持原膜層的諸多優(yōu)點，又可充分發(fā)揮鍶或者含鍶磷灰石的上述良好藥理性能和生物學(xué)性能。然而，由于鍶離子的直徑要大于鈣離子，采用常規(guī)的工藝方法很難將鍶原子引入到磷灰石膜層之中，且膜層中鍶/鈣元素比不易控制，因此目前在鈦及鈦合金表面制備含鍶多孔羥基磷灰石膜層尚屬空白。
目前制備在金屬表面羥基磷灰石膜層的主要方法有等離子噴涂法、離子束濺射法、溶膠-凝膠法和微弧氧化復(fù)合工藝法(微弧氧化-水熱處理、微弧氧化-電泳沉積復(fù)合工藝、微弧氧化-礦化沉積復(fù)合工藝等)。其中，等離子噴涂法是采用羥基磷灰石粉末，經(jīng)等離子高溫融化，使顆粒粘附在基體上，由于顆粒經(jīng)過高溫加熱，容易揮發(fā)，因此，形成的薄膜組成難以控制。離子束濺射法是通過離子束濺射制備羥基磷灰石，薄膜整體含量難以控制。溶膠-凝膠法雖然易控制薄膜的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，但需要高溫退火的后處理，影響基體材料的性能。微弧氧化復(fù)合工藝法普遍存在加大工藝復(fù)雜程度，減弱膜層附著力等不利因素；例如微弧氧化結(jié)合水熱處理可以轉(zhuǎn)化析出HA，但膜層結(jié)合強度卻降低了40％；電泳沉積利用電場作用使HA沉積在金屬表面，但由于結(jié)合疏松，還需要后續(xù)的燒結(jié)處理，這樣不僅降低了膜層附著力，而且燒結(jié)過程減弱了材料的生物活性。如果能夠?qū)⑸鲜龈鞣椒ㄈ￠L補短，則可望實現(xiàn)較好解決膜層的結(jié)合強度、穩(wěn)定性和生物活性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種在醫(yī)用鈦基金屬材料表制備面結(jié)合強度高、穩(wěn)定性好和生物活性好且無毒副作用的含鍶羥基磷灰石生物活性膜層及其制備方法。
本發(fā)明的上述目的是通過如下措施來達(dá)到的。
一種含鍶羥基磷灰石生物活性膜層的制備方法，其特征在于采用微弧氧化技術(shù)，直接在鈦及鈦合金表面原位生成含鍶多孔羥基磷灰石生物活性膜層，包括如下步驟及其工藝條件a、提供一種包含有磷酸根離子和鈣離子、鍶離子的電解質(zhì)溶液；b、在上述特定電解液中以鈦或鈦合金為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流電源或直流脈沖電源對鈦或鈦合金微弧氧化；c、氧化沉積時間為3～60min；d、電解過程電解液溫度不高于50℃。
所述電解液中磷酸根離子的最佳含量范圍為0.01～0.2mol/L，鈣離子的最佳含量范圍為0.01～0.5mol/L，鍶離子的最佳含量范圍為0.01～0.5mol/L；提供磷酸根離子的電解質(zhì)優(yōu)選自磷酸鈉、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、β-甘油磷酸鈉或六偏磷酸鈉中的至少一種；提供鈣離子的電解質(zhì)優(yōu)選自乙酸鈣、硝酸鈣、草酸鈣或氯化鈣中的至少一種；提供鍶離子的電解質(zhì)優(yōu)選自乙酸鍶、硝酸鍶、草酸鍶或氯化鍶中的至少一種。
采用直流電源時，電壓為200～500V；采用直流脈沖電源時，電壓為200～700V，頻率為50～5000Hz，占空比為5～60％。
上述方法制備的生物活性膜層，與基體間無界面，呈多孔納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)形態(tài)，膜層主要由羥基磷灰石(HA)及含鍶羥基磷灰石(Sr-HA)物相組成，其化學(xué)表達(dá)式為Ca10-XSrX(PO4)6(OH)2，式中X在0～10之間，通過調(diào)整電解液中磷酸根離子和鈣離子、鍶離子的濃度及工藝條件控制，使膜層中鍶/鈣含量比在0.5～80％范圍內(nèi)可控即當(dāng)升高電解液中鍶/鈣離子濃度，膜層中鍶/鈣元素比例相應(yīng)增大。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下突出的優(yōu)點1、本發(fā)明制備的含特殊藥理作用鍶元素的多孔羥基磷灰石膜層，該膜層與基體間無界面，與骨質(zhì)有接近的彈性模量，結(jié)合強度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的生物活性及一定的藥理作用。作為鈦基醫(yī)用種植體的膜層，不但無毒副作用，而且與原骨牢固結(jié)合，骨替代材料與骨組織之間骨健結(jié)合，在植入體與骨之間形成連續(xù)的、梯度的界面結(jié)合；解決了現(xiàn)有生物膜層結(jié)合力較弱，表面活性不高，生物相容性較差等難題，使該材料能夠有效地用作股骨、髖關(guān)節(jié)和牙根等承受大負(fù)荷部位的替代材料。
2、因為本發(fā)明是直接在鈦金屬表面原位生成含鍶羥基磷灰石生物活性膜層，通過調(diào)整電解液中磷酸根離子和鈣離子、鍶離子的濃度，使其膜層中鍶/鈣元素比例在0.5～80％范圍內(nèi)實現(xiàn)可控。
3、本發(fā)明制備工藝簡單、快捷，操作簡便，易于推廣應(yīng)用。
具體實施例方式
實施例1使用蒸餾水配制含六偏磷酸鈉0.01mol/L，β-甘油磷酸鈉0.01mol/L，乙酸鈣0.45mol/L，氯化鍶0.01mol/L的溶液。以鈦為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流電源進(jìn)行微弧氧化。電壓為300～500V；保持電解液溫度不高于50℃。微弧氧化為5min，在鈦表面形成厚度約為20μm的多孔層；X射線衍射分析表明該膜層主要由羥基磷灰石及含鍶羥基磷灰石Ca10-XSrX(PO4)6(OH)2(式中X在0～3之間)組成，EDS顯示膜層中鍶/鈣元素比例為0.6％，膜層結(jié)合強度為43MPa，具有良好的生物活性。
實施例2使用蒸餾水配制含β-甘油磷酸鈉0.15mol/L，氯化鈣0.2mol/L，乙酸鍶0.05mol/L的溶液。以鈦合金片為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流電源進(jìn)行微弧氧化。電壓為200～400V；保持電解液溫度不高于50℃。微弧氧化為30min，在鈦表面形成厚度約為33μm的多孔層；X射線衍射分析表明該膜層主要由羥基磷灰石及含鍶羥基磷灰石Ca10-XSrX(PO4)6(OH)2(式中X在4～6之間)組成，EDS顯示膜層中鍶/鈣元素比例為9.6％，結(jié)合強度為37MPa，具有良好的生物活性。
實施例3使用蒸餾水配制含磷酸二氫鈉0.02mol/L，硝酸鈣0.2mol/L，乙酸鍶0.05mol/L，草酸鍶0.05mol/L的溶液。以鈦合金片為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流脈沖電源進(jìn)行微弧氧化。電壓為250～450V，頻率為300Hz，占空比為55％；保持電解液溫度在30～50℃。氧化沉積時間為60min；在鈦表面形成厚度約為28μm的多孔層；X射線衍射分析表明該膜層主要由羥基磷灰石及含鍶羥基磷灰石Ca10-XSrX(PO4)6(OH)2(式中X在4～6之間)組成，EDS顯示膜層中鍶/鈣元素比例為26.3％，膜層結(jié)合強度為33MPa，具有良好的生物活性。
實施例4使用蒸餾水配制含六偏磷酸鈉0.01mol/L，草酸鈣0.05mol/L，硝酸鍶0.05mol/L的溶液。以鈦為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流脈沖電源進(jìn)行微弧氧化。電壓為450～550V，頻率為50Hz，占空比為25％；保持電解液溫度在30～50℃，氧化沉積時間為20min；在鈦表面形成厚度約為27μm的多孔層；X射線衍射分析表明該膜層主要由羥基磷灰石及含鍶羥基磷灰石Ca10-XSrX(PO4)6(OH)2(式中X在6～8之間)組成，EDS顯示膜層中鍶/鈣元素比例為43.7％，膜層結(jié)合強度為35MPa，具有良好的生物活性。
實施例5使用蒸餾水配制含磷酸氫鈉0.05mol/L，乙酸鈣0.05mol/L，草酸鍶0.1mol/L的溶液。以鈦為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流脈沖電源進(jìn)行微弧氧化。電壓為550～700V，頻率為4000Hz，占空比為5％；保持電解液溫度在30～50℃，氧化沉積時間為3min；在鈦表面形成厚度約為39μm的多孔層；X射線衍射分析表明該膜層主要由羥基磷灰石及含鍶羥基磷灰石Ca10-XSrX(PO4)6(OH)2(式中X在6～8之間)組成，EDS顯示膜層中鍶/鈣元素比例為68.6％，膜層結(jié)合強度為26MPa，具有良好的生物活性。
實施例6使用蒸餾水配制含β-甘油磷酸鈉0.2mol/L，乙酸鈣0.1mol/L，硝酸鈣0.1mol/L，草酸鍶0.5mol/L的溶液。以鈦合金為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流脈沖電源進(jìn)行微弧氧化。電壓為350～450V，頻率為500Hz，占空比為30％；保持電解液溫度在30～50℃，氧化沉積時間為15min；在鈦表面形成厚度約為32μm的多孔層；X射線衍射分析表明該膜層主要由羥基磷灰石及含鍶羥基磷灰石Ca10-XSrX(PO4)6(OH)2(式中X在7～10之間)組成，EDS顯示膜層中鍶/鈣元素比例為79.4％，膜層結(jié)合強度為21MPa，具有良好的生物活性。
權(quán)利要求
1.一種含鍶羥基磷灰石生物活性膜層的制備方法，其特征在于采用微弧氧化技術(shù)，直接在鈦及鈦合金表面原位生成含鍶多孔羥基磷灰石生物活性膜層，包括如下步驟及其工藝條件a、提供一種包含有磷酸根離子和鈣離子、鍶離子的電解質(zhì)溶液；b、在上述特定電解液中以鈦或鈦合金為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流電源或直流脈沖電源對鈦或鈦合金微弧氧化；c、氧化沉積時間為3～60min；d、電解過程電解液溫度不高于50℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鍶羥基磷灰石生物活性膜層的制備方法，其特征在于所述電解液中磷酸根離子的含量范圍為0.01～0.2mol/L，鈣離子的含量范圍為0.01～0.5mol/L，鍶離子的含量范圍為0.01～0.5mol/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種含鍶羥基磷灰石生物活性膜層的制備方法，其特征在于所述電解液中提供磷酸根離子的電解質(zhì)選自磷酸鈉、磷酸氫鈉、磷酸二氫鈉、β-甘油磷酸鈉或六偏磷酸鈉中的至少一種；提供鈣離子的電解質(zhì)選自乙酸鈣、硝酸鈣、草酸鈣或氯化鈣中的至少一種；提供鍶離子的電解質(zhì)選自乙酸鍶、硝酸鍶、草酸鍶或氯化鍶中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鍶羥基磷灰石生物活性膜層的制備方法，其特征在于采用直流電源時，電壓為200～500V；采用直流脈沖電流時，電壓為200～700V，頻率為50～5000Hz，占空比為5～60％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法制備的一種含鍶羥基磷灰石生物活性膜層，其特征在于該生物活性膜層與基體間無界面，呈多孔納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)形態(tài)，膜層主要由羥基磷灰石及含鍶羥基磷灰石物相組成，其化學(xué)表達(dá)式為Ca10-XSrX(PO4)6(OH)2，式中X在0～10之間，通過調(diào)整電解液中磷酸根離子和鈣離子、鍶離子的濃度及工藝條件控制，使膜層中鍶/鈣含量比在0.5～80％范圍內(nèi)可控，即當(dāng)電解液中鍶/鈣離子濃度升高，膜層中鍶/鈣元素比例相應(yīng)增大。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)用金屬表面制備生物活性膜層的方法，特別涉及鈦基多孔納米含鍶羥基磷灰石生物活性膜層及其制備方法。該方法采用微弧氧化技術(shù)，直接在鈦及鈦合金表面原位生成膜層，包括提供一種包含有磷酸根離子和鈣離子、鍶離子的電解質(zhì)溶液；并在這特定電解液中以鈦或鈦合金為陽極，不銹鋼或鈦為陰極，采用直流電源或直流脈沖電源對鈦或鈦合金微弧氧化；氧化沉積時間為3～60min；電解過程電解液溫度不高于50℃。本發(fā)明制備的含鍶多孔羥基磷灰石膜層與基體間無界面，與骨質(zhì)有接近的彈性模量，具有良好的生物活性，能作為股骨、髖關(guān)節(jié)和牙根等承受大負(fù)荷部位的替代材料。本制備工藝簡單，操作簡便且鍶/鈣含量比在0.5～80％范圍內(nèi)可控，易于推廣應(yīng)用。
文檔編號A61L27/56GK1927410SQ20061012237
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月25日
發(fā)明者王迎軍, 黃勇, 寧成云, 南開輝 申請人:華南理工大學(xué)