一種新型白硅鈣石生物活性涂層的制備方法及用途
【專利摘要】本發(fā)明提供一種醫(yī)用硬組織植入體，所述植入體包括：鈦基體，所述鈦基體包括純鈦基體或鈦合金基體；沉積在所述鈦基體上的白硅鈣石涂層。本發(fā)明還提供相應的制備方法以及用途。本發(fā)明提供了一種可滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層。
【專利說明】一種新型白硅鈣石生物活性涂層的制備方法及用途
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新的硬組織植入體材料的制備方法，更確切的說涉及的是純鈦或鈦合金基體上沉積白硅鈣石生物活性涂層構成的白硅鈣石涂層-鈦(合金)硬組織植入體材料及制備方法，屬于醫(yī)用生物材料領域。
【背景技術】
[0002]創(chuàng)傷、感染、腫瘤和先天遺傳等造成的骨損傷嚴重影響人們的工作和生活。移植替換受損的骨組織是一種有效而經(jīng)濟的治療方法。在眾多骨科移植材料中，等離子噴涂生物陶瓷涂層材料由于結合了金屬(或合金)優(yōu)良的機械性能和生物陶瓷良好的生物學性能，成為臨床上廣泛應用的承載骨植入材料之一。由于常用的生物陶瓷涂層不是生物活性較差，就是與基體鈦合金的結合強度較低，或是體內穩(wěn)定性較差。人們采用大量措施進行改善，但都未取得滿意的結果。
[0003]因此，本領域技術人員致力于尋找滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層，同時還要滿足涂層與金屬基體之間熱膨脹系數(shù)以形成良好結合。
[0004]綜上所述，本領域缺乏一種可滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層。
[0005]因此，本領域迫切需要開發(fā)可滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的第一目的在于獲得一種具有滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層的醫(yī)用硬組織植入體。
[0007]本發(fā)明的第二目的在于獲得一種具有滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層的醫(yī)用硬組織植入體的制備方法。
[0008]本發(fā)明的第三目的在于獲得一種具有滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層的醫(yī)用硬組織植入體的制備方法。
[0009]本發(fā)明的第四目的在于獲得一種具有滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層的移植物。
[0010]在本發(fā)明的第一方面，提供了一種醫(yī)用硬組織植入體，所述植入體包括:
[0011 ] 鈦基體，所述鈦基體包括純鈦基體或鈦合金基體；
[0012]沉積在所述鈦基體上的白硅鈣石涂層。
[0013]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述白硅鈣石涂層的厚度是30~500 μ m。
[0014]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述白硅鈣石涂層的主要晶相為白硅鈣石相。
[0015]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述鈦合金包括T1-6Al-4V，T1-5Al_2.5Fe, T1-6Al-7Nb, T1-13Nb-13Zr, T1-12Mo-6Zr-2Fe, T1-35Nb-7Zr-5Ta, Ti_29Nb-13Ta_7.1Zr, T1-29Nb-13Ta-4.6Zr, T1-35Nb-5Ta-7Zr-0.40，T1-15Mo-5Zr-3Al,或 T1-Mo。
[0016]在一個【具體實施方式】中，所述鈦合金基體是T1-6A1_4V基體。所述“T1-6A1_4V基體”可以市售得到，例如上海艷鈦金屬材料有限公司。
[0017]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述涂層的結合強度采用ASTM C633-79方法測得為41.1-49.8MPa ;優(yōu)選的，白硅鈣石涂層的結合強度為46.1~49.8MPa。
[0018]具體的例如，白硅鈣石涂層的結合強度為46.5±0.4MPa。(例如使用表3噴涂參數(shù)制備的白硅鈣石涂層的結合強度46.5MPa)
[0019]更優(yōu)選的，白硅鈣石涂層的結合強度為49.5±0.3MPa。(例如使用表4噴涂參數(shù)制備的白硅鈣石涂層的結合強度49.8MPa)。
[0020]本發(fā)明的第二方面提供一種本發(fā)明所述的醫(yī)用硬組織植入體的制備方法，其包括如下步驟:
[0021]提供鈦基體，所述鈦基體包括純鈦基體或是鈦合金基體；
[0022]提供白硅鈣石粉體；
[0023]采用大氣等離子噴涂方法將所述白硅鈣石粉體沉積于所述鈦基體的表面，得到所述醫(yī)用硬組織植入體。
[0024]優(yōu)選的，所述鈦基體經(jīng)過表面處理，所述表面處理包括清洗、或噴砂。
[0025]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，采用化學法合成白硅鈣石粉體，
[0026]得到的白硅 鈣石粉體通過造粒制成粒徑為40-80 μ m的顆粒。
[0027]在一個優(yōu)選實施方式中，所述的造粒工藝是將0.5-10 μ m白硅鈣石粉體壓制成陶瓷片，在1300-1400° C的高溫下煅燒3-8個小時，破碎，過200目-400目篩，得到粒徑為40-80 μ m的白硅鈣石顆粒。
[0028]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，
[0029]所述大氣等離子噴涂技術的工藝參數(shù)是:
[0030]等尚子氣體Ar流量為35_45標準升/分鐘，
[0031]H2流量為5-15標準升/分鐘，
[0032]噴涂距離為80-130_，
[0033]粉末載氣流量為1.5-3.0標準升/分鐘，
[0034]送粉速率為15_40g/min，
[0035]噴涂電流為550-650A，
[0036]電壓為60-70V。
[0037]優(yōu)選地，噴涂電流為600-650A。
[0038]本發(fā)明的第三方面提供一種白硅鈣石涂層在所述的醫(yī)用硬組織植入體的應用。
[0039]本發(fā)明的第四方面提供一種移植物，所述移植物含有曹鳳梅所述的醫(yī)用硬組織植入體和接種于所述醫(yī)用硬組織植入體的干細胞，所述干細胞選自骨髓基質干細胞或脂肪干細胞，并且干細胞的接種量為2 X 10卜5 X IO7個細胞/cm2醫(yī)用硬組織植入體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]通過下面的結合附圖對本發(fā)明所做的詳細說明，可以更好的理解上文所述的內容。其中所給附圖為實例2的結果[0041]圖1為白硅鈣石造粒后粉體和等離子噴涂涂層的XRD圖(橫軸為掃描角度，縱軸為強度)。圖中的粉體晶相為純的白硅鈣石相，涂層的主晶相為白硅鈣石相，同時含有部分的非晶相。
[0042]圖2為白硅鈣石涂層表面和截面的SEM圖。
[0043](a)為白硅鈣石涂層表面形貌圖；
[0044](b)為白硅鈣石涂層拋光截面形貌圖，涂層的厚度為200-300 μ m，涂層與基體結合緊密，結合處沒有裂紋。
[0045]圖3為白硅鈣石涂層在在模擬體液中浸泡2天后表面的SEM圖，從圖(a)可以看出涂層表面沉積了一層類骨磷灰石礦化物，從(b)圖可以看出沉積物為蠕蟲狀結構。
[0046]圖4為白硅鈣石涂層在模擬體液中浸泡2天后的FTIR圖(橫坐標為波數(shù)，縱坐標為透過率)，與沒有浸泡過的涂層相比,563,601和llOOcnT1處為PO廣的吸收峰。1400-1550cm^處為⑶廣的紅外吸收峰。870cm-1處的吸收峰為⑶廣和ΗΡ042_共同作用形成的。3700-2500(31^1處為0H_的吸收峰，1650cm^為水的吸收峰。結果表明白硅鈣石涂層表面沉積物為類骨磷灰石。
[0047]圖5為白硅鈣石涂層在模擬體液中浸泡14天后截面拋光形貌圖。可以看出浸泡后的涂層由類骨磷灰石層、富硅層和原始涂層三層構成。類骨磷灰石層的厚度約為10 μ m，顯示涂層具有優(yōu)異的磷灰石礦化能力。
[0048]圖6兔子骨髓間充質干細胞在白硅鈣石涂層表面培養(yǎng)I天(a)和3天(b)表面形貌的SEM圖。(C)和⑷分別是(a)和(b)的局部放大圖。(e)和(f)為白硅鈣石涂層細胞培養(yǎng)I天和3天后表面的EDS圖。從圖中可以看出，白硅石涂層在培養(yǎng)基中培養(yǎng)I天和3天后，表面形成了一層棒狀的`沉積物。從(f)圖中可以看出，沉積物的Ca/P比為1.7，接近羥基磷灰石的Ca/P比(Ca/P=l.67)，再次證明白硅鈣石涂層具有優(yōu)異的磷灰石礦化能力。細胞在白硅鈣石涂層表面經(jīng)過I天培養(yǎng)后呈伸展狀態(tài)(a)，高倍SEM照片顯示細胞緊密貼附于涂層表面沉積的羥基磷灰石上，并可以觀察到細小的偽足(C)。經(jīng)過3天的培養(yǎng)后，細胞數(shù)量顯著增多，相互連結形成網(wǎng)狀(b)。
[0049]圖7為兔子骨髓間充質干細胞在白硅鈣石涂層和羥基磷灰石涂層表面培養(yǎng)1，3，7天后的MTT測試結果(橫坐標為培養(yǎng)天數(shù)，縱坐標為相對細胞數(shù)量)。從圖中可以看出，培養(yǎng)3天和7天后，細胞在白硅鈣石涂層表面的增殖速度高于羥基磷灰石涂層。
【具體實施方式】
[0050]本發(fā)明人經(jīng)過廣泛而深入的研究，通過改進制備工藝，獲得了一種適用于鈦合金表面的生物陶瓷涂層滿足生物活性、與基體鈦合金的結合強度、體內穩(wěn)定性各方面要求的生物陶瓷涂層。在此基礎上完成了本發(fā)明。
[0051]本發(fā)明的技術構思如下:
[0052]本發(fā)明涉及一種新的硬組織植入體材料的制備方法，更確切的說涉及的是在純鈦或鈦合金基體上沉積白硅鈣石(Ca7MgSi4O16)生物活性涂層，即白硅鈣石-鈦合金硬組織植入體材料及其制備方法，屬于醫(yī)用生物材料領域。其特點是白硅鈣石涂層的主要晶相為白硅鈣石相，同時允許有部分無定形相存在。制備的方法為用化學法合成純的白硅鈣石粉體，然后將粉體造粒制成粒徑為40-80 μ m的等離子噴涂顆粒。白硅鈣石涂層與鈦合金基體的結合強度可達49.8MPa，高于臨床上使用的羥基磷灰石涂層和其它常見的等離子噴涂生物活性陶瓷涂層。同時其磷灰石礦化能力高于常見的鈣硅基生物活性涂層(如硅酸鈣、透輝石、榍石涂層等)。白硅鈣石涂層具有良好的生物活性，相對于傳統(tǒng)的羥基磷灰石具有促進成骨細胞增殖和分化的能力。綜上，白硅鈣石涂層是一種性能優(yōu)良的新型硬組織植入體材料。
[0053]本發(fā)明中，術語“含有”或“包括”表示各種成分可一起應用于本發(fā)明的混合物或組合物中。因此，術語“主要由...組成”和“由...組成”包含在術語“含有”或“包括”中。
[0054]術語“純化的或分離的”指純化的或分離的物質基本上不含有其他細胞、蛋白質或多肽。
[0055]術語“異種移植”指將所需生物材料(如干細胞)從某一物種中取出并再施用于另一物種對象的方法。
[0056]術語“自體移植”指將所需生物材料(如干細胞)從某病人中取出并再施用于同一病人的方法。
[0057]術語“異體移植”指將所需生物材料(如干細胞)從同一物種的某個體中取出并再施用于另一不同病人的方法。
[0058]醫(yī)用硬組織植入體
[0059]本發(fā)明的一種醫(yī)用 硬組織植入體，所述植入體包括:
[0060]鈦基體，所述鈦基體包括純鈦基體或鈦合金基體；
[0061 ] 沉積在所述鈦基體上的白硅鈣石涂層。
[0062]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述涂層的結合強度采用ASTM C633-79方法測得為 41.1-49.8MPa。
[0063]優(yōu)選的，白硅鈣石涂層的結合強度為46.1~49.8MPa。
[0064]優(yōu)選的，白硅鈣石涂層的結合強度為46.5±3.0MPa0 (例如使用表3噴涂參數(shù)制備的白硅鈣石涂層的結合強度46.5MPa)
[0065]更優(yōu)選的，白硅鈣石涂層的結合強度為49.5±4.0MPa。(例如使用表4噴涂參數(shù)制備的白硅鈣石涂層的結合強度49.8MPa)。
[0066]本發(fā)明是基于白硅鈣石陶瓷具有良好機械性能、磷灰石礦化能力和生物活性提出的。利用等離子噴涂技術，將白硅鈣石粉體沉積于鈦合金基體上，制備出一種與基體結合良好，具有優(yōu)秀的磷灰石礦化能力和生物活性的硬組織植入材料。
[0067]白硅鈣石陶瓷具有優(yōu)異的機械性能、磷灰石礦化能力和生物活性。白硅鈣石陶瓷的抗彎強度和楊氏模量分別為約156MPa和43GPa，與皮質骨相近(皮質骨的抗彎強度為50-150MPa，楊氏模量為7_30GPa);白硅鈣石陶瓷的斷裂韌性為1.57MPa.m1/2，高于煅燒后的羥基磷灰石陶瓷(羥基磷灰石陶瓷的斷裂韌性為06-1.0MPa *m1/2)。白硅鈣石粉體、陶瓷和支架在模擬體液中浸泡后能在其表面形成一層羥基磷灰石礦化層。成骨細胞在白硅鈣石陶瓷和支架表面貼附和鋪展良好，白硅鈣石的溶出物在一定的濃度范圍內能顯著促進細胞生長。另外，白硅鈣石支架材料在一定的劑量范圍內具有抗菌作用。同時，白硅鈣石作為涂層材料制備出具有生物活性和生物相容性的生物醫(yī)用材料在國內外尚未見報導。因此，制備白硅鈣石涂層-鈦合金硬組織植入體材料具有很強的實用意義。
[0068]白硅鈣石涂層-鈦合金承載骨植入材料的結合強度是用ASTM C633-79方法測得的，涂層的結合強度為41.1-49.8MPa，高于羥基磷灰石涂層(一般15_20MPa)和其它常見的生物活性涂層。等離子噴涂白硅鈣石涂層的主要晶相是白硅鈣石相，同時含有部分無定形相存在(圖1)。模擬體液浸泡實驗表明，經(jīng)過2天的浸泡，白硅鈣石涂層表面覆蓋了一層類骨磷灰石(圖4)，這表明等離子噴涂白硅鈣石涂層具有優(yōu)秀的礦化能力，高于常見的鈣硅基活性陶瓷涂層(如硅酸鈣、透輝石、榍石涂層等)。兔子骨髓間充質干細胞培養(yǎng)實驗表明，細胞能在白硅鈣石涂層表面很好的粘附和增殖(圖6)，同時MTT測試顯示兔子骨髓間充質干細胞在白硅鈣石涂層表面的增殖高于常用的羥基磷灰石涂層(圖7)。
[0069]鈦某體
[0070]優(yōu)選的，所述鈦基體經(jīng)過表面處理，所述表面處理包括清洗、或噴砂。
[0071]鈦合金基體的清洗和噴砂是一般等離子噴涂過程中常用的工藝，其工藝參數(shù)無需在此詳述，本領域的一般技術人員均能掌握并熟知。
[0072]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述鈦合金包括T1-6A1_4V，Ti_5Al_2.5Fe, T1-6Al-7Nb, T1-13Nb-13Zr, T1-12Mo-6Zr-2Fe, T1-35Nb-7Zr-5Ta, Ti_29Nb-13Ta_7.1Zr, T1-29Nb-13Ta-4.6Zr, T1-35Nb-5Ta-7Zr-0.40，T1-15Mo-5Zr-3Al,或 T1-Mo。
[0073]在一個【具體實施方式】中，所述鈦合金基體是T1-6A1_4V基體。所述“Ti_6Al_4V基體”可以市售得到，例如上海艷鈦金屬材料有限公司。
[0074]白硅鈣石涂層
[0075]白硅鈣石涂層的厚度可以根據(jù)不同的需求改變，可以做到500-600 μ m甚至I毫米，或者50-60 μ m都可以。實驗室一般噴涂的厚度可以為200-300 μ m。作為實際應用時，其厚度一般為50-60 μ m。
[0076]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述白硅鈣石涂層的厚度是30~500 μ m。
[0077]所述白硅鈣石可市售獲得，或是通過本領域的常規(guī)方法制得。所述制備方法是已知的，只要獲得本發(fā)明所需的粉體即可。例如采用化學法合成白硅鈣石粉體。
[0078]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述白硅鈣石涂層的主要晶相為白硅鈣石相。
[0079]本領域技術人員還可以對涂層的組成和結構進行進一步設計:
[0080]例如，如混合涂層、梯度涂層、存在致密中間過渡層的涂層。
[0081]還可以對涂層進行后處理，例如緩熱或緩冷處理或后續(xù)水熱處理。
[0082]醫(yī)用硬組織植入體的制備方法
[0083]本發(fā)明提供所述的醫(yī)用硬組織植入體的制備方法，其包括如下步驟:
[0084]提供鈦基體，所述鈦基體包括純鈦基體或是鈦合金基體；
[0085]提供白硅鈣石粉體；
[0086]采用大氣等離子噴涂方法將所述白硅鈣石粉體沉積于所述鈦基體的表面，得到所述醫(yī)用硬組織植入體。
[0087]優(yōu)選的，所述鈦基體經(jīng)過表面處理，所述表面處理包括清洗、或噴砂。
[0088]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中， [0089]采用化學法合成白硅鈣石粉體，
[0090]得到的白硅鈣石粉體通過造粒制成粒徑為40-80 μ m的顆粒。
[0091]在一個優(yōu)選實施方式中，所述的造粒工藝是將0.5-10 μ m白硅鈣石粉體壓制成陶瓷片，在1300-1400° C的高溫下煅燒3-8個小時，破碎，過200目-400目篩，得到粒徑為40-80 μ m的白硅鈣石顆粒。
[0092]在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，
[0093]所述大氣等離子噴涂技術的工藝參數(shù)是:
[0094]等尚子氣體Ar流量為35_45標準升/分鐘，
[0095]H2流量為5-15標準升/分鐘，
[0096]噴涂距離為80-130_，
[0097]粉末載氣流量為1.5-3.0標準升/分鐘，
[0098]送粉速率為15_40g/min，
[0099]噴涂電流為550-650A，
[0100]電壓為60-70V。
[0101]本發(fā)明的具體工藝過程如下:選取白硅鈣石粉體，同時為了提高原料的流動性和沉積效率，對粉體進行造粒。具體的說就是將白硅鈣石粉體壓片，然后在高溫下煅燒，破碎，過篩，最后得到粒徑為40-80 μ m的白硅石造粒后顆粒。之后在優(yōu)化的工藝參數(shù)(見表1)下將白硅鈣石粉體噴涂于已清洗和噴砂的鈦合金基體上。表1噴涂參數(shù)
【權利要求】
1.一種醫(yī)用硬組織植入體，其特征在于，所述植入體包括: 鈦基體，所述鈦基體包括純鈦基體或鈦合金基體； 沉積在所述鈦基體上的白硅鈣石涂層。
2.如權利要求1所述的植入體，其特征在于，所述白硅鈣石涂層的厚度是30~500 μ m0
3.如權利要求1所述的植入體，其特征在于，所述白硅鈣石涂層的主要晶相為白硅鈣石相。
4.如權利要求1所述的植入體，其特征在于，所述鈦合金包括T1-6A1-4V，Τ?-5Α1-2.5Fe, T1-6Al-7Nb, T1-13Nb-13Zr, T1-12Mo-6Zr-2Fe, T1-35Nb-7Zr-5Ta, Ti_29Nb-13Ta_7.1Zr，T1-29Nb-13Ta-4.6Zr, T1-35Nb-5Ta-7Zr-0.40，T1-15Mo-5Zr-3Al,或 T1-Mo。
5.如權利要求1所述的植入體，其特征在于，所述涂層的結合強度采用ASTMC633-79方法測得為41.1-49.8MPa ;優(yōu)選的，白硅鈣石涂層的結合強度為46.1~49.8MPa。
6.一種如權利要求1所述的醫(yī)用硬組織植入體的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 提供鈦基體，所述鈦基體包括純鈦基體或是鈦合金基體； 提供白娃鈣石粉體； 采用大氣等離子噴涂方法將所述白硅鈣石粉體沉積于所述鈦基體的表面，得到所述醫(yī)用硬組織植入體。`
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于， 采用化學法合成白硅鈣石粉體， 得到的白硅鈣石粉體通過造粒制成粒徑為40-80 μ m的顆粒。 在一個優(yōu)選實施方式中，所述的造粒工藝是將0.5-10 μ m白硅鈣石粉體壓制成陶瓷片，在1300-1400° C的高溫下煅燒3-8個小時，破碎，過200目-400目篩，得到粒徑為40-80 μ m的白硅鈣石顆粒。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述大氣等離子噴涂技術的工藝參數(shù)是: 等尚子氣體Ar流量為35-45標準升/分鐘， H2流量為5-15標準升/分鐘， 噴涂距離為80-130mm, 粉末載氣流量為1.5-3.0標準升/分鐘， 送粉速率為15-40g/min， 噴涂電流為550-650A， 電壓為60-70V。
9.一種白硅鈣石涂層在醫(yī)用硬組織植入體的應用。
10.一種移植物，其特征在于，所述移植物含有如權利要求1所述的醫(yī)用硬組織植入體和接種于所述醫(yī)用硬組織植入體的干細胞，所述干細胞選自骨髓基質干細胞或脂肪干細胞，并且干細胞的接種量為2 X IO3~5 X IO7個細胞/cm2醫(yī)用硬組織植入體。
【文檔編號】C23C4/12GK103861150SQ201210529149
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月10日 優(yōu)先權日:2012年12月10日
【發(fā)明者】常江, 易德亮, 吳成鐵, 黃利平, 鄭學斌 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所