羥基磷灰石表面膜層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種單一組分羥基磷灰石表面膜層的制備方法，包括以下步驟：對基底材料進行表面預處理；進行電化學沉積，在基底材料表面形成微納米級有序的磷酸八鈣膜層，電解液為濃度為0.02-0.05mol/L的Ca(NO3)2和濃度為0.02-0.03mol/L的NH4H2PO4混合水溶液，電流密度為0.5-1.0mA/cm2，溫度為65-85℃，時間為10-20分鐘；進行水熱處理，在基底材料表面獲得與上一步驟得到的結(jié)構(gòu)相同的羥基磷灰石膜層。由此方法制備的羥基磷灰石表面膜層的微觀晶體形貌是微納米級長帶狀結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)造單元是寬為200-600nm的帶狀晶體，帶狀晶體之間相互編織成孔徑為10-20μm的多孔狀。
【專利說明】羥基磷灰石表面膜層及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于一種具有生物活性表面膜層及其制備方法，尤其關(guān)于單一組分的羥基磷灰石表面膜層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物活性膜層主要包括生物玻璃、玻璃陶瓷和生物陶瓷，其中羥基磷灰石(Hydroxyapatite,簡稱HA)膜層由于其優(yōu)良的生物活性而備受關(guān)注(Hench LL.J Am CeramSoc, 1991，74:1487)。XRD 技術(shù)證明骨的無機相結(jié)構(gòu)與 HA 相似(Narasaraju TSB, PhebeDE.Biomaterials, 1987，8:275)，自此HA的研究引起廣泛興趣。骨組織的無機物以鈣磷化合物為主，而鈣磷化合物主要以無定型磷酸鈣和結(jié)晶HA的形式存在。從仿生的角度出發(fā)，在生物材料表面引入HA膜層對其進行表面改性使之具有生物活性成為重要的研究方向之一。
[0003]等離子噴涂技術(shù)是在基底表面涂覆HA涂層的商業(yè)化技術(shù)。短期使用結(jié)果表明，HA涂層能夠加速材料與植入部位結(jié)合，然而，材料使用后期可能出現(xiàn)涂層脫落、假體松動的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石在600-700°C即開始不穩(wěn)定，當高于1330°C時可發(fā)生嚴重相變和分解，因此涂層的等離子高溫噴涂過程(溫度可達6000-10000°C )可導致羥基磷灰石發(fā)生嚴重相變和分解，嚴重影響了 HA涂層的穩(wěn)定性和生物活性。微弧氧化技術(shù)作為一項較新的技術(shù)，應用于在基底表面形成HA膜層時也同樣存在著高溫使HA發(fā)生相變、降低其生物活性的問題。
[0004]鑒于等離子噴涂技術(shù)的諸多缺點，溶膠凝膠法、電泳沉積法、仿生法、電化學沉積法等替代技術(shù)開始了廣泛的研究。其中，電化學沉積法因反應條件溫和、可獲得高生物活性的純HA晶體等優(yōu)點而受到極大地興趣。鈣磷鹽涂層的電化學沉積技術(shù)自上世紀90年代開始發(fā)展，1990年，Redepenning等人首先運用電化學沉積方法從磷酸二氫鈣的水溶液中沉積出含兩個結(jié)晶水的磷酸氫鈣(Redepenning J.Chem Mater, 1990，2:625)。此后，Shirkhanzadeh將此方法發(fā)展為能一步沉積得到HA膜層的技術(shù)(Shirkhanzadeh M.J MaterSci Mater Med, 1998，9:67)，但此方法采用恒電位三電極沉積，且工作電極需通入氮氣，因此方法復雜而不易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]低濃度電化學沉積得到的純HA晶體形貌通常為由六邊形針狀晶體構(gòu)成的直立花簇狀結(jié)構(gòu)。而高濃度電沉積體系則難以獲得單一組分的HA，往往得到磷酸氫鈣(DCPD)、磷酸鈣(TCP)、磷酸八鈣(OCP)等HA的前驅(qū)體與HA的混合物，HA作為鈣磷鹽熱力學穩(wěn)定相，該混合物再經(jīng)過堿熱或水熱處理后可轉(zhuǎn)變?yōu)閱我唤M分的HA膜層(Natsuko IT0.J Ceram SocJPN, 2010, 118:762)。由于高濃度體系下電沉積得到晶型形貌為由長帶狀鈣磷鹽有序構(gòu)成的微孔狀微納米結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定易得，相比于低濃度電化學沉積得到的花簇狀HA晶體更有利于骨細胞的附著和生長?，F(xiàn)有的水熱方法主要針對HA粉末原料，因此需要預先制備HA粉末，操作復雜、可控性低、成本較高。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有植入物表面羥基磷灰石(HA)膜層制備方法中操作復雜、可控性低、成本高，且制得的HA膜層生物活性和穩(wěn)定性低的技術(shù)問題。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種單一組分的純羥基磷灰石表面膜層的制備方法，包括以下步驟(如圖1):
[0008]( I)對基底材料進行表面預處理；
[0009](2)進行電化學沉積，在基底材料表面形成微納米級有序的含OCP和HA的鈣磷鹽
膜層；
[0010](3)進行水熱處理，在基底材料表面獲得與步驟(2)得到的結(jié)構(gòu)相同的單一組成的HA膜層。
[0011]在本發(fā)明中，基底材料可采用純的鈦箔片、通過現(xiàn)有等離子噴涂方法(請參見“鄭玉峰等，生物醫(yī)用材料學，哈爾濱工業(yè)大學出版社，第354至356頁”)而覆有HA膜層的鈦基底(即等離子植入物，以下簡稱為等離子噴涂基底)、通過現(xiàn)有微弧氧化方法(請參見“王磊，鈦表面微弧氧化膜的研究進展，中國口腔種植學雜志，2006年3月11卷第I期，第48至50頁”)而覆有HA膜層的基底(即微弧氧化植入物，以下簡稱為微弧氧化基底)。
[0012]對于不同的基底材料，步驟(1)中的表面預處理步驟分別為:
[0013]針對于純鈦箔片，經(jīng)丙酮、乙醇、純水超聲清洗后，在體積比為10%硝酸和1%氫氟酸的混合溶液中進行酸刻蝕1-5分鐘，再經(jīng)純水清洗后晾干備用。酸刻蝕可使原本光滑的純鈦箔片的表面粗糙化，有利于后續(xù)形成鈣磷鹽膜層；
[0014]針對等離子噴涂基底，室溫下在濃度為lmol/L的硝酸溶液中進行酸液浸泡I分鐘，再經(jīng)純水清洗后晾干備用。經(jīng)等離子噴涂形成的膜層較致密，酸液浸泡可減薄膜層的厚度，以增加后續(xù)電化學沉積步驟中的導電性；
[0015]針對微弧氧化基底，在60°C濃度為10mol/L的氫氧化鈉溶液中進行堿液浸泡24小時，再經(jīng)純水清洗后晾干備用。經(jīng)過堿液浸泡使基底表面吸附氫氧根，其在電化學沉積過程中可做為鈣磷鹽的成核點，以利后續(xù)形成鈣磷鹽膜層。
[0016]在步驟(2)的電化學沉積過程中，電解液為濃度為0.02-0.05mol/L的Ca(NO3)2和濃度為0.02-0.03mol/L的NH4H2PO4混合水溶液，電流密度為0.5-lmA/cm2，溫度為65_85°C，時間為10-20分鐘。經(jīng)過此步驟，在基底材料表面獲得微納米級有序的鈣磷鹽(主要為OCP和HA的混合物)膜層。
[0017]在步驟(3)的水熱處理過程中，在50ml的水熱釜中，采用濃度為0.02_0.05mol/L的Ca(NO3)2或濃度為0.02-0.03mol/L的NH4H2PO4水溶液30ml，水熱溫度水熱溫度為150-180°C，水熱時間為3-8小時。經(jīng)過此步驟，將基底材料表面的具有OCP和HA混合物的膜層轉(zhuǎn)化為單一組分的純HA膜層且其晶體形貌不變。具體而言，經(jīng)過水熱處理后獲得微納米級長帶狀結(jié)構(gòu)的HA膜層，其基本構(gòu)造單元是寬約200-600nm的帶狀晶體，帶狀晶體之間相互編織成孔徑約為10-20 μ m的多孔狀。
[0018]如圖2所示，經(jīng)過本發(fā)明提供的制備方法得到的HA膜層與自然骨的結(jié)構(gòu)相似度很高，這意味著，覆有此HA膜層的材料將具有較高的生物活性。
[0019]圖3是純鈦箔片在電化學沉積得到具有OCP和HA混合物的膜層后經(jīng)過和不經(jīng)過水熱處理得到膜層的XRD譜圖，其中曲線a表示經(jīng)過在Ca (NO3) 2溶液中水熱處理得到膜層、曲線b表示經(jīng)過在NH4H2PO4溶液中水熱處理得到膜層、曲線c表示未經(jīng)過水熱處理得到的膜層。其中，A代表HA的特征峰、T代表鈦基底的特征峰。由圖可見，未經(jīng)過步驟(3)的水熱處理獲得到膜層僅有少量HA特征峰出現(xiàn)，說明其中僅有少量HA相；而經(jīng)過步驟(3)的水熱處理獲得到的膜層與HA多個特征峰(如，[102]、[300]、[202]、[213])對應良好，其本無除基底鈦之外的其他雜峰，說明此膜層為單一的純HA相。[0020]圖4是等離子噴涂基底在電化學沉積得到OCP膜層后經(jīng)過和不經(jīng)過水熱處理得到膜層的XRD譜圖，其中曲線a表示經(jīng)過在Ca (NO3) 2溶液中水熱處理得到膜層、曲線b表示經(jīng)過在NH4H2PO4溶液中水熱處理得到膜層、曲線c表示未經(jīng)過水熱處理得到的膜層。由圖可見，未經(jīng)過步驟(3)的水熱處理獲得到膜層有少量HA特征峰出現(xiàn)，說明其中僅有少量HA相；而經(jīng)過步驟(3)的水熱處理獲得到膜層與HA多個特征峰(如，[112]、[300]、[202]、[301]、[222]、[312]、[213])對應良好，其本無除基底鈦之外的其他雜峰，說明此膜層為單一的純HA相。
[0021]圖5是微弧氧化基底在電化學沉積得到OCP膜層后經(jīng)過和不經(jīng)過水熱處理得到膜層的XRD譜圖，其中曲線a表示經(jīng)過在Ca (NO3) 2溶液中水熱處理得到膜層、曲線b表示經(jīng)過在NH4H2PO4溶液中水熱處理得到膜層、曲線c表示未經(jīng)過水熱處理得到的膜層。由圖可見，未經(jīng)過步驟(3)的水熱處理獲得到膜層有少量HA特征峰出現(xiàn)，說明其中僅有少量HA相；而經(jīng)過步驟(3)的水熱處理獲得到膜層與HA多個特征峰(如，[112]、[300]、[202]、[301]、[222]、[312]、[213])對應良好，其本無除基底鈦之外的其他雜峰，說明此膜層為單一的純HA相。
[0022]需要說明的是，水熱處理的轉(zhuǎn)化反應式為:
[0023]5Ca8H2 (PO4) 6H20 — 4Ca10 (PO4) 6 (OH) 2+6H3P04+3H20
[0024]其中，Ca8H2 (PO4) 6H20即為OCP，Ca10 (PO4) 6 (OH) 2即為HA。由此可見，在水熱溶液中加入鈣鹽(即，Ca(NO3)2)時，轉(zhuǎn)化反應向正方向進行更快，則由OCP向HA轉(zhuǎn)化得更完全，所得到的HA純度更高，因此在圖3至5中，水熱處理是在Ca(NO3)2水溶液中進行的XRD的特征峰更強。
[0025]圖6為水熱處理前的OCP膜層與水熱處理后的HA膜層的SEM照片，其中al和a2表示經(jīng)過在Ca(NO3)2溶液中水熱處理得到HA膜層、bl和b2表示經(jīng)過在NH4H2PO4溶液中水熱處理得到HA膜層、Cl和c2表示電化學沉積得到的OCP膜層。由圖可見，水熱處理前后的膜層的晶相形貌基本不變，均為微納米級長帶狀有序結(jié)構(gòu)。由此可見，本發(fā)明提供的制備方法適用于多種基底，具有廣泛的適用性。
[0026]本發(fā)明提供的制備方法中，采用恒電流的電化學沉積方法得到微納米級長帶狀結(jié)構(gòu)有序的鈣磷鹽膜層，因此具有操作簡便、適用于工業(yè)化應用的特點。采用水熱處理的方法將混合鈣磷鹽膜層轉(zhuǎn)化得到單一組分的HA膜層，無需預制粉末，因此操作簡便、可控性高、成本較低。并且水熱處理后保持在電化學沉積得到膜層的晶型形貌，因此獲得的HA膜層具有較高的穩(wěn)定性和生物活性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明提供的羥基磷灰石表面膜層制備方法的流程圖。
[0028]圖2是本發(fā)明中水熱處理后得到的羥基磷灰石膜層與自然骨的SEM照片。[0029]圖3是純鈦箔片在電化學沉積得到膜層后經(jīng)過和不經(jīng)過水熱處理得到膜層的XRD譜圖。
[0030]圖4是等離子噴涂基底在電化學沉積得到膜層后經(jīng)過和不經(jīng)過水熱處理得到膜層的XRD譜圖。
[0031]圖5是微弧氧化基底在電化學沉積得到膜層后經(jīng)過和不經(jīng)過水熱處理得到膜層的XRD譜圖。
[0032]圖6為水熱處理前的磷酸八鈣膜層與水熱處理后的羥基磷灰石膜層的SEM照片。
【具體實施方式】
[0033]實施例1:
[0034]基底材料采用15mmX IOmm的純鈦箔，用丙酮、乙醇、純水超聲清洗后，在含有10%(v/v)硝酸和1%(ν/ν)氫氟酸的酸刻蝕液中處理約I分鐘，晾干備用。將鈦箔片作為陰極，鉬電極為陽極，加入含濃度為0.04mol/L的Ca (NO3) 2和0.024mol/L的NH4H2PO4電解液，溫度為65°C，在恒電流下控制電流密度為0.5mA/cm2下，進行電化學沉積10分鐘。
[0035]將得到的樣品放至于50ml水熱釜中，加入30ml的濃度為0.04mol/L的Ca (NO3) 2溶液，在150°C下反應3小時 ，待反應釜自然冷卻至室溫后取出，用純水輕輕沖洗晾干。所得樣品在SEM下進行觀察，形貌為圖6中al和a2中的由長帶狀納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微孔狀有序結(jié)構(gòu)，經(jīng)XRD表征譜圖為圖3中曲線a，對比水熱前樣品的圖3中曲線C，可見經(jīng)過水熱處理，所得譜峰與多個HA特征譜峰對應良好，基本無其他雜峰，說明膜層表面為單一的純HA相。
[0036]實施例2:
[0037]基底材料采用15mmX IOmm的純鈦箔，用丙酮、乙醇、純水超聲清洗后，在含有10%(v/v)硝酸和1%(ν/ν)氫氟酸的酸刻蝕液中處理約I分鐘，晾干備用。將鈦箔片作為陰極，鉬電極為陽極，加入含濃度為0.04mol/L的Ca (NO3) 2和0.024mol/L的NH4H2PO4電解液，溫度為65°C，在恒電流下控制電流密度為0.5mA/cm2下，進行電化學沉積10分鐘。
[0038]將得到的樣品放至于50ml水熱釜中，加入30ml的濃度為0.024mol/L的NH4H2PO4溶液，在150°C下反應8小時，待反應釜自然冷卻至室溫后取出，用純水輕輕沖洗晾干。所得樣品在SEM下進行觀察，形貌為圖6中bl和b2中的由長帶狀納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微孔狀有序結(jié)構(gòu)，經(jīng)XRD表征譜圖為圖3中曲線b，對比水熱前樣品的曲線C，可見經(jīng)過水熱處理，所得譜峰與多個HA特征譜峰對應良好，基本無其他雜峰，說明膜層表面為單一的純HA相。
[0039]實施例3:
[0040]基底材料采用等離子噴涂基底(規(guī)格Φ4.0X 12)，表面在lmol/L的HNO3中浸泡I分鐘，沖洗晾干備用。將等離子噴涂基底作為陰極，鉬電極為陽極，加入含濃度為
3.7 X l(T2mol/L 的 Ca (NO3) 2 和 2.2 X l(T2mol/L 的 NH4H2PO4 電解液，溫度為 65°C，在恒電流下控制電流密度為0.5mA/cm2下，進行電化學沉積10分鐘。
[0041]將得到的樣品放至于50ml水熱釜中，加入30ml的濃度為0.037mol/L的Ca(NO3)2溶液，在150°C下反應8小時，待反應釜自然冷卻至室溫后取出，用純水輕輕沖洗晾干。所得樣品在SEM下進行觀察，形貌為由長帶狀納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微孔狀有序結(jié)構(gòu)，經(jīng)XRD表征譜圖為圖4中曲線a，對比水熱前樣品的圖4中曲線C，可見經(jīng)過水熱處理，所得譜峰與多個HA特征譜峰對應良好，基本無其他雜峰，說明膜層表面為單一的純HA相。[0042]實施例4:
[0043]基底材料采用等離子噴涂基底(規(guī)格Φ4.0X 12)，表面在lmol/L的HNO3中浸泡I分鐘，沖洗晾干備用。將等離子噴涂基底作為陰極，鉬電極為陽極，加入含濃度為
2.2 X l(T2mol/L 的 NH4H2PO4 和 3.7 X 10_2mol/L 的 Ca (NO3) 2 電解液，溫度為 65°C，在恒電流下控制電流密度為0.5mA/cm2下，進行電化學沉積10分鐘。
[0044]將得到的樣品放至于50ml水熱釜中，加入30ml的濃度為2.2 X l(T2mol/L的NH4H2PO4溶液，在180°C下反應3小時，待反應釜自然冷卻至室溫后取出，用純水輕輕沖洗晾干。所得樣品在SEM下進行觀察，形貌為由長帶狀納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微孔狀有序結(jié)構(gòu)，經(jīng)XRD表征譜圖為圖4中曲線b，對比水熱前樣品的圖4中曲線C，可見經(jīng)過水熱處理，所得譜峰與多個HA特征譜峰對應良好，基本無其他雜峰，說明膜層表面為單一的純HA相。
[0045]實施例5:
[0046]基底材料采用微弧氧化基底(規(guī)格Φ4.1 X 12)，表面經(jīng)濃度為IOM的NaOH堿溶液在60°C環(huán)境下浸泡24小時后，沖洗晾干備用。將微弧氧化基底作為陰極，鉬電極為陽極，加入含濃度為0.05mol/L的Ca (NO3) 2和0.03mol/L的NH4H2PO4電解液，溫度為85°C，在恒電流下控制電流密度為ImA/cm2下，進行電化學沉積20分鐘。
[0047]將得到的樣品放至于50ml水熱釜中，加入30ml的濃度為0.05mol/L的Ca(NO3)2溶液，在180°C下反應8小時，待反應釜自然冷卻至室溫后取出，用純水輕輕沖洗晾干。所得樣品在SEM下進行觀察，形貌為由長帶狀納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微孔狀有序結(jié)構(gòu)，經(jīng)XRD表征譜圖為圖5中曲線a，對比水熱前樣品的圖5中曲線C，可見經(jīng)過水熱處理，所得譜峰與多個HA特征譜峰對應良好，基本無其他雜峰，說明膜層表面為單一的純HA相。
[0048]實施例6:
[0049]基底材料采用微弧氧化基底(規(guī)格Φ4.1 X 12)，表面經(jīng)濃度為IOM的NaOH堿溶液在60°C環(huán)境下浸泡24小時后，沖洗晾干備用。將微弧氧化基底作為陰極，鉬電極為陽極，加入含濃度為0.05mol/L的Ca (NO3) 2和0.03mol/L的NH4H2PO4電解液，溫度為85°C，在恒電流下控制電流密度為ImA/cm2下，進行電化學沉積20分鐘。
[0050]將得到的樣品放至于50ml水熱釜中，加入30ml的濃度為0.03mol/L的NH4H2PO4溶液，在180°C下反應8小時，待反應釜自然冷卻至室溫后取出，用純水輕輕沖洗晾干。所得樣品在SEM下進行觀察，形貌為由長帶狀納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的微孔狀有序結(jié)構(gòu)，經(jīng)XRD表征譜圖為圖5中曲線b，對比水熱前樣品的圖5中曲線C，可見經(jīng)過水熱處理，所得譜峰與多個HA特征譜峰對應良好，基本無其他雜峰，說明膜層表面為單一的純HA相。
[0051 ] 綜上所述，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領域技術(shù)人員應當意識到在不脫離本發(fā)明所附的權(quán)利要求所揭示的本發(fā)明的范圍和精神的情況下所作的更動與潤飾，均屬本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種制備羥基磷灰石表面膜層的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)對基底材料進行表面預處理； (2)進行電化學沉積，在基底材料表面形成微納米級有序的磷酸八鈣膜層，電解液為濃度為0.02-0.05mol/L的Ca(NO3)2和濃度為0.02-0.03mol/L的NH4H2PO4混合水溶液，電流密度為0.5-lmA/cm2，溫度為65-85°C，時間為10-20分鐘； (3)進行水熱處理，在基底材料表面獲得與步驟(2)得到的結(jié)構(gòu)相同的單一組分的羥基磷灰石膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的羥基磷灰石表面膜層的制備方法，其特征在于，在步驟(1)中，基底材料為純鈦箔片，依次地使用丙酮、乙醇、純水超聲清洗，在體積比為10%硝酸和1%氫氟酸的混合溶液中進行酸刻蝕I~5分鐘，再經(jīng)純水清洗后晾干備用。
3.如權(quán)利要求1所述的羥基磷灰石表面膜層的制備方法，其特征在于，在步驟(1)中，基底材料為經(jīng)過等離子噴涂而覆有羥基磷灰石膜層的鈦基底，采用室溫下在濃度為lmol/L的硝酸溶液中進行酸液浸泡I分鐘，再經(jīng)純水清洗后晾干備用。
4.如權(quán)利要求1所述的羥基磷灰石表面膜層的制備方法，其特征在于，在步驟(1)中，基底材料為經(jīng)過微弧氧化而覆有羥基磷灰石膜層的鈦基底，采用在60°C下，濃度為IOmol/L的氫氧化鈉溶液中進行堿液浸泡24小時,再經(jīng)純水清洗后晾干備用。
5.如權(quán)利要求1所述的羥基磷灰石表面膜層的制備方法，其特征在于，水熱處理在50ml的水熱釜中進行，采用濃度為0.02-0.05mol/L的Ca(NO3)2或濃度為0.02-0.03mol/L的NH4H2PO4水溶液30ml， 水熱溫度為150_180°C，水熱時間為3-8小時。
6.一種采用權(quán)利要求1至5中任一方法制備的羥基磷灰石表面膜層，其特征在于，羥基磷灰石為單一組分的，其表面膜層結(jié)構(gòu)的微觀晶體形貌是微納米級長帶狀結(jié)構(gòu)，基本構(gòu)造單元是寬為200-600nm的帶狀晶體，帶狀晶體之間相互編織成孔徑為10-20 μ m的多孔狀膜層。
【文檔編號】C25D9/08GK103572346SQ201210265084
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月27日
【發(fā)明者】林理文, 林昌健, 楊云, 王蕾 申請人:北京納通科技集團有限公司