專利名稱：一種用作骨替代物的材料以及該材料的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適于用作骨替代物的材料以及該材料的制造方法。該用作骨替代物的材料可有效地用作例如股骨、髖關節(jié)和牙根等承受大負荷部位的制作材料。
判斷人工材料是否具有生物活性(即在體內(nèi)與骨的結(jié)合能力)的標準是材料的在其表面上形成與骨中的無機組份同類的磷灰石層的能力。
常用的具有這種特性的骨替代物材料是Na2O—CaO—SiO2—P2O5玻璃、燒結(jié)羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)、和MgO—CaO—SiO2—P2O5玻璃陶瓷。這些都是具有生物活性的優(yōu)良材料，其特征為在體內(nèi)于其表面上形成與骨中的無機組份同類的磷灰石層，并直接與骨結(jié)合。然而它們的斷列韌性值(1至2MPam1/2)卻不能和人外皮骨的斷裂韌性值(2至6MPam1/2)相比，因此不能將它們用作承受大負荷部位的髖關節(jié)和脛骨的替代材料。
因此目前在這些部位使用的替代材料是鈦(在金屬中鈦具有最好的生物親和性)及鈦合金。這些金屬材料具有很高的斷裂韌性值，但是要使它們與骨直接結(jié)合需要很長時間、大約十年。
因此，必須通過等離子噴涂用熔融羥基磷灰石覆蓋這些材料表面使其具有生物活性。采用這種方法獲得的材料既具有鈦的斷裂韌性又具有磷灰石的生物活性。
然而，在等離子噴涂制備方法中存在以下問題(1)需要昂貴的等離子噴涂設備，(2)由于噴射材料羥基磷灰石粉末瞬間并一次性地受到約30,000℃高溫，因此難以控制在金屬基材表面上形成的羥基磷灰石的結(jié)晶度和組成，(3)由于該方法僅僅是通過自由下落將半熔融的羥基磷灰石粉末沉積在基材上，因此難以形成致密的磷灰石層，和(4)由于上述原因在磷灰石層與基材間難以形成牢固的結(jié)合。
本發(fā)明的目的在于解決這些傳統(tǒng)問題并提供一種骨替代物材料，它既具有鈦的斷裂韌性又具有磷灰石的生物活性，且其中鈦與磷灰石緊密粘附，而且可以較低的成本獲得。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的骨替代材料包括一個由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金制成的基材和在基材表面上形成的一表面層(最初表面層)，該最初表面層含有氧化鈦相和非晶態(tài)的堿金屬鈦酸鹽。從生物親和性觀點考慮，純Ti作為基材較理想，然而從形成的角度出發(fā)其合金如Ti—6Al—4V，Ti—5Al—2.5Sn，Ti—3Al—13V—11Cr，Ti—15Mo—5Nb—3Ta，Ti—6Al—2Mo—Ta是優(yōu)選的。
另外，可任選在在該材料的最初表面層上面提供第二層，該層的主要成分是磷灰石。
理想類型的最初表面層的氧化鈦相濃度由里向外表面逐漸降低而總堿離子濃度由里向外表面逐漸升高。最初表面層的理想厚度約為0.1至10μm，優(yōu)選約1μm，而第二層的厚度為至少1μm，優(yōu)選約10μm。
適用的制備該骨替代物材料的方法包括將由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金制成的基材浸入堿溶液，接著將處理后的基材加熱至不高于鈦(Ti)或鐵(Ti)合金的轉(zhuǎn)化溫度。為了使浸入步驟和加熱步驟同時進行，浸入步驟可以在非常高溫度及壓力下進行。另外，在熱處理后可將基材浸入水溶液，該水溶液含有鈣(Ca)和磷(P)，其濃度至少得達到磷灰石的溶解度，例如仿制體液。
這里所說的堿溶液希望是含有至少一種下列離子的水溶液，這些離子是鈉離子Na+，鉀離子K+，和鈣離子Ca2+。加熱溫度一般在300—800℃，更優(yōu)選550—650℃。
在(Ti)或鈦(Ti)合金表面上本來就有一層極薄的薄膜，該薄膜含有與TiO2相似的氧化物。TiO2是兩性物質(zhì)，它既可以和強酸也可以和強堿反應。因此，將由(Ti)或鈦(Ti)合金制成的基材浸入堿溶液可造成基材表面上的非晶態(tài)堿金屬鈦酸鹽由內(nèi)部(反應發(fā)生較少)向外部(反應發(fā)生較多)濃度逐漸增加。然后將基材加熱至不高于(Ti)或鈦(Ti)合金的轉(zhuǎn)化溫度，這引起氧擴散和所形成相的厚度增加。
通過該方法在基材表面上形成基本上由氧化鈦相和非晶態(tài)堿金屬鈦酸鹽構成的表面層。另外，通過中間體工藝產(chǎn)生的堿金屬鈦酸鹽具有漸變的濃度梯度，其中堿金屬鈦酸鹽濃度由里向外沿表面厚度方向逐漸增加。因此該化合物的起始材料氧化鈦相由里向外逐漸減少。另一方面，在產(chǎn)品組份(非晶態(tài)堿金屬鈦酸鹽相)中的堿離子(Na+，K+，和Ca2+等)的總濃度由里相外逐漸增加。這些濃度變化的斜率是漸變的，這使得基材與表面層之間的界面以及表面層內(nèi)的各相的邊界緊密結(jié)合。這與將基材浸入預制的氧化鈦凝膠以便在Ti表面上形成易于與骨結(jié)合的凝膠的情況相比有很大不同，因為在那種情況下Ti與凝膠間的粘附強度較弱，該層可被剝離開。在本發(fā)明中外表面富于堿離子，它可以和仿制體液或?qū)嶋H體液中的氫離子交換，形成氫氧化鈦相，該氫氧化鈦相易于與鈣(Ca)和磷(P)反應。
另一方面，含有濃度至少在磷灰石溶解度的鈣和磷的水溶液或體液含有可生成磷灰石的組份。所以它們能生成磷灰石晶體。然而在實際上磷灰石成核的活化能如此之高以至于該勢壘阻止了磷灰石在溶液或體液中的自發(fā)核化。另一方面，通過水化堿金屬鈦酸鹽形成的非晶態(tài)氫氧化鈦相，由于其非晶態(tài)結(jié)構而具有較高的反應活性。因此它通過與體液中的骨形成組份反應形成磷灰石晶核。
另外，在熱處理后通過將基材繼續(xù)浸入水溶液，更優(yōu)選為仿制體液(含有不低于磷灰石溶解度濃度的鈣(Ca)和磷(P))也可以初步形成磷灰石晶核。由于在表面上形成的磷灰石的組成和結(jié)構與骨中的組份相似，所以用仿制體液(其離子濃度接近于實際體液)特殊處理的產(chǎn)品易于與骨結(jié)合。
如果熱處理溫度低于300℃將不能使空氣以滿意的速率擴散進入材料，這樣將導致表面層的氧提供量不足。其結(jié)果是初始表面層不夠厚并且在體內(nèi)于其表面上形成磷灰石的能力也將下降。另一方面，溫度超過800℃達到鈦的轉(zhuǎn)化溫度是不理想的。因為當在鈦或鈦合金基材中發(fā)生轉(zhuǎn)變時，其機械強度變劣。


圖1所示為試片的薄層X—射線衍射分析結(jié)果，該試片的制備過程是先在NaOH溶液中浸漬，然后在600℃熱處理，最后在仿制體液中浸漬。
用#400金剛石膏拋光尺寸15×10×1mm的鈦金屬板，用丙酮沖洗，然后用蒸餾水沖洗。將這些板浸入60℃10M NaOH或KOH水溶液24小時。然后采用超聲波清洗器，用蒸餾水沖洗這些試片至少20分鐘。在NaOH以及KOH中浸漬過的試片的表面分別呈均勻的淡黃色和均勻的黃色，這證明有堿金屬鈦酸鹽形成。
然后將鈦金屬板置于爐中以5℃/分鐘的速率將爐溫升至400、500、600和800℃，在這些給定溫度保溫1小時。通過薄層X—射線衍射分析以及掃描電鏡—能量色散X—射線分析(SEM—EDX)可發(fā)現(xiàn)處理后鈦金屬板的表面結(jié)構改變。
在經(jīng)堿溶液浸漬的試片的薄層X—射線衍射分析圖中在2θ為23—30°之間可發(fā)現(xiàn)由非晶相產(chǎn)生的寬峰。該相的形成是因為氧化鈦與堿離子的反應。隨著板的熱處理溫度的提高，在X—射線衍射圖上的氧化鈦晶相峰增強。當熱處理溫度不高于600℃時，還存在非晶相峰。另一方面，在800℃熱處理可使非晶相峰消失，而替代該非晶相峰有許多氧化鈦和堿金屬鈦酸鹽峰出現(xiàn)。在經(jīng)600℃熱處理試片的表面上有約1μm厚的非晶態(tài)層，它均勻地覆蓋在金屬鈦表面上。此外，對經(jīng)KOH溶液浸漬和600℃熱處理的試片的斷面SEM—EDX分析表明鉀的濃度由非晶態(tài)層的表面向內(nèi)部逐漸減少。
實驗結(jié)果列于表1。
表1
正如表1所示，在經(jīng)400—600℃熱處理后的鈦金屬表面上形成了晶態(tài)二氧化鈦相(金紅石型和銳鈦礦型)和非晶態(tài)堿金屬鈦酸鹽。另一方面，經(jīng)800℃熱處理的鈦金屬表面沒有發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)堿金屬鈦酸鹽相，卻證實了Na2Ti5O12結(jié)晶相的存在。
然后將得到的試片浸入仿制體液，該仿制體液由濃度幾乎等于人體液的無機離子構成，并檢查形成的磷灰石層。仿制體液由以下離子濃度制備(單位mM)K+，5.0；Na+，142；Mg2+，1.5；Ca2+，2.5；Cl-，148；HCO3-，4.2；HPO42-，1.0；和SO42-，0.5；并用3—(羥基甲基)—氨基甲烷和鹽酸將其pH值控制在7.4(37℃)。
圖1所示為試片的薄層X—射線衍射分析結(jié)果，該試片的制備過程是先在NaOH溶液中浸漬，然后在600℃熱處理，最后在仿制體液中浸漬。在兩周內(nèi)磷灰石開始在表面生長。三周后長出的磷灰石層覆蓋該表面，幾乎觀察不到鈦金屬峰。在浸漬三周后，在鈦金屬表面上均勻地形成5—10μm厚度的磷灰石層。在400℃以及500℃熱處理試片上也可以觀察到同樣的趨勢。
本發(fā)明骨替代材料以及其制備方法由所說的內(nèi)容組成，因此它們具有以下明顯的優(yōu)點。
制備方法僅涉及鈦金屬于堿溶液中浸漬后的簡單加熱，從而不需要任何昂貴的設備。當將該材料植入體內(nèi)時，磷灰石(與骨中的無機成分相同)在其表面自然地形成。通過磷灰石，該材料與骨緊密結(jié)合。進一步說，當材料浸于水溶液(所含鈣離子和磷離子濃度超過磷灰石飽和濃度)、優(yōu)選仿制體液中時，磷灰石(與骨中的無機成分相同)在材料表面上形成。通過磷灰石，該材料與骨緊密結(jié)合。因而該材料具有卓越的生物親和性。
另外，由鈦金屬制成的基材和由磷灰石形成的第二表面層通過初始表面層，借助于化學鍵合及漸變濃度梯度結(jié)合。因此磷灰石與基材的粘附強度較大。
權利要求
1.一種可用作骨替代物的材料，該材料包括一個由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金制成的基材和在基材表面上形成的一表面層(最初表面層)，該最初表面層含有氧化鈦相和非晶態(tài)的堿金屬鈦酸鹽。
2.按照權利要求1的材料，其中在所述的初始表面層上面材料還具有第二層，它主要含有磷灰石。
3.按照權利要求1或2的材料，其中最初表面層的氧化鈦相濃度由里向外表面逐漸降低，而最初表面層的總堿離子濃度由里向外表面逐漸升高。
4.按照權利要求1至3之一的材料，其中最初表面層的厚度為0.1—10μm。
5.按照權利要求1至4之一的材料，其中第二表面層的厚度至少為1μm。
6.一種生產(chǎn)可用作骨替代物材料的方法，該方法包括以下步驟將由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金制成的基材浸入堿溶液中；隨后將基材加熱至不高于鈦(Ti)轉(zhuǎn)化溫度。
7.一種生產(chǎn)可用作骨替代物材料的方法，該方法包括以下步驟將由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金制成的基材浸入堿溶液中；將基材加熱至不高于鈦(Ti)轉(zhuǎn)化溫度；并將其浸入所含鈣和磷濃度至少為磷灰石溶解度的水溶液中。
8.按照權利要求6或7的方法，其中所說的水溶液至少含有一種下述離子鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)，和鈣離子(Ca2+)。
9.按照權利要求6至8之一的方法，其中使浸漬步驟及加熱步驟同時進行，浸漬步驟可以在壓力下于非常高的溫度下進行。
10.按照權利要求6至9之一的方法，其中加熱溫度為300—800℃。
11.按照權利要求6至9之一的方法，其中加熱溫度為550—650℃。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種骨替代物材料，它既具有鈦的斷裂韌性又具有磷灰石的生物活性，且其中鈦與磷灰石緊密粘附，而且可以較低的成本獲得。該材料通過將由鈦(Ti)或鈦(Ti)合金制成的基材浸入堿溶液中，隨后將基材加熱至不高于鈦(Ti)轉(zhuǎn)化溫度的方法生產(chǎn)。
文檔編號A61F2/00GK1115170SQ94190749
公開日1996年1月17日 申請日期1994年11月7日 優(yōu)先權日1993年11月9日
發(fā)明者小久保正 申請人:離子工學振興財團