专利名称：生物活性人工关节材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种生物活性人工关节材料及其制备方法，特别是涉及一种表面具有仿生法制备的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层和骨形态发生蛋白(BMP)的人工关节材料及其制备方法，属于生物医学材料技术领域。
背景技术：
目前，人工关节植入人体的病例数量每年可达120万例，是国内外骨科需求量最大的植入材料之一。通常使用的人工关节是金属材料，因其是生物惰性材料，与人体骨组织之间不能形成牢固的生理结合，在植入几年后，常常会发生松动、下沉，导致人工关节置换失败，二次手术不可避免。采用表面改性技术在人工关节金属基体表面制备生物涂层(膜)，可降低人体环境下有害金属离子的溶出，提高其生物相容性和生物活性，使得人工关节与人体骨组织之间形成牢固的生理结合。人体硬组织的主要无机质是钙磷相，因此磷酸钙、羟基磷灰石、掺入CO32-离子的类骨磷灰石或磷酸八钙等钙磷陶瓷相组成的生物活性层是提高人工关节表面活性的理想选择。此外，在人工关节表面复合骨形态发生蛋白(BMP)，可以显著提高植入初期人工关节表面诱导成骨的能力。
在人工关节表面制备钙磷生物陶瓷涂层的常用方法是等离子喷涂技术或是基于等离子喷涂技术的复合方法。中国专利ZL98125674.0“一种涂有骨形态发生蛋白的人工关节及其制造方法”公开了一种基于等离子喷涂技术的复合方法，即先在人工关节表面等离子喷涂羟基磷灰石涂层，然后在涂层表面进一步复合BMP，所制备的人工关节具有很好的诱导成骨效应。但该人工关节表面羟基磷灰石涂层是在与人体环境相差很大的条件下高温形成的，其成分和结构与生物骨磷灰石相差很大，导致人工关节长期性能的不稳定。
发明内容
技术问题本发明的目的是针对人工关节材料上述不足，提出一种性能稳定、可以显著提高植入初期人工关节表面诱导成骨的能力的生物活性人工关节材料及其制备方法。
技术方案这种生物活性人工关节材料在金属基体表面有一层采用仿生方法在近似于生理环境下制备的具有双层结构的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层，其表面进一步复合有骨形态发生蛋白(BMP)。多孔钙磷陶瓷涂层与金属基体结合强度高，由与金属表面接触的磷酸钙非晶底层和类骨磷灰石晶相表面层组成，磷酸钙非晶底层致密，厚度为1-10μm，可抑制金属基体中有毒金属离子的析出；多孔类骨磷灰石晶相表面层，厚度为10-100μm，具有很好的生物活性，同时也是BMP理想的载体。人工关节与BMP复合通常采用溶液浸渍法，BMP可通过毛细管作用深入渗透到多孔的类骨磷灰石晶相层中，使人工关节表面BMP的携带量大大提高。人工关节植入人体后，其表面BMP释放周期延长，有利于BMP诱导成骨作用的充分发挥。
本发明通过以下技术方案加以实现在这种生物活性人工关节材料金属基体表面有一层具有特殊双层结构的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层，其表面进一步复合有骨形态发生蛋白(BMP)。
所述及的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层由与金属基体接触的致密磷酸钙非晶底层和多孔类骨磷灰石晶相表面层组成，其中，磷酸钙非晶底层厚度为1-10μm；类骨磷灰石晶相表面层厚度为10-100μm。
其制备的步骤如下1)首先选用钛合金、不锈钢或钴铬钼合金加工好人工关节；2)把人工关节进行表面活化处理，然后通过两步仿生沉积处理，在人工关节表面获得由致密磷酸钙非晶底层和多孔类骨磷灰石晶相表面层依次组成的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层；3)将表面有多孔钙磷生物活性陶瓷涂层的人工关节浸泡在骨形态发生蛋白和磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中，骨形态发生蛋白浓度为0.1-50mg/L，20-40℃下浸泡5-15小时，中间每1-2小时缓慢搅拌一次，取出；4)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明生物活性人工关节材料。
本发明制备具有上述特殊双层结构的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层的仿生方法在较低温、近似于生理环境下完成，所制备的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层具有很高的生物活性。
所述的表面活化处理采用浓度为10-60％的沸腾的H2O2水溶液，处理时间为10-90分钟，取出冲洗后，再浸泡在温度为30-80℃、浓度为1-10M的NaOH水溶液中6-48小时。
所述的两步仿生沉积处理包括如下步骤1)制备仿生钙化溶液A仿生钙化溶液A按离子浓度计的有效成分含量钠离子500-850mM、镁离子4.5-6.0mM、钙离子10.0-13.5mM、氯离子500-800mM、磷酸氢根离子4.0-6.0mM、碳酸氢根离子15.0-30.0mM；2)制备仿生钙化溶液B仿生钙化溶液B按离子浓度计的有效成分含量钠离子100.0-180.0mM、钾离子4.0-5.5mM、镁离子3.0-4.5mM、钙离子2.0-3.5mM、氯离子80.0-150.0mM、磷酸氢根离子0.5-1.5mM、碳酸氢根离子6.5-12.0mM、硫酸根离子0.5-1.0mM；3)磷酸钙非晶底层仿生沉积处理将表面活化处理过的人工关节材料浸入温度为10-30℃仿生钙化溶液A中，在搅拌条件下，仿生沉积处理12-36小时后取出，清洗，干燥，人工关节材料表面获得厚度1-10μm、致密的磷酸钙非晶层；4)类骨磷灰石晶相表面层仿生沉积处理将表面具有磷酸钙非晶层的人工关节材料浸入温度为30-50℃仿生钙化溶液B中，仿生沉积处理12-144小时取出，清洗，干燥，人工关节材料表面磷酸钙非晶层上进一步沉积厚度为10-100μm、多孔的类骨磷灰石晶相层。
有益效果(1)本发明生物活性人工关节材料在金属基体表面有一层采用仿生方法在近似于生理环境下制备的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层，其表面进一步复合有骨形态发生蛋白(BMP)，该人工关节材料有很好的生物活性和诱导成骨效应，可在短期内与骨组织形成牢固的生理结合。
(2)人工关节表面多孔钙磷陶瓷涂层与金属基体结合强度高，并具有理想的双层结构与金属表面接触的磷酸钙非晶底层致密，可抑制金属基体中有毒金属离子的析出，并可作为“晶核基面”促进类骨磷灰石晶相表面层的沉积生长；类骨磷灰石晶相表面层多孔，厚度为10-100μm，具有很好的生物活性，同时也是BMP理想的载体，有利于BMP诱导成骨作用的充分发挥。
具体实例方式实施例1(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；(2)人工关节表面活化处理将人工关节依次用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗后，采用浓度为20％的沸腾的H2O2水溶液处理，处理时间为45分钟，取出冲洗后，再浸泡在温度为30-50℃、4M的NaOH水溶液中24-36小时后，取出蒸馏水冲洗，70℃干燥。
(3)磷酸钙非晶底层仿生沉积处理将表面活化处理过的人工关节浸入温度为20℃仿生钙化溶液A中，仿生钙化溶液A按离子浓度计的有效成分含量为钠离子610mM、镁离子4.5mM、钙离子12.5mM、氯离子610.0mM、磷酸氢根离子5.0mM、碳酸氢根离子18.0mM。仿生钙化溶液A采用磁力搅拌器搅动，仿生沉积处理12-24小时后取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥，人工关节表面获得厚度1.5-2.0μm、致密的磷酸钙非晶层。
(4)类骨磷灰石晶相表面层仿生沉积处理将表面具有磷酸钙非晶层的人工关节浸入温度为30℃仿生钙化溶液B中，仿生钙化溶液B按离子浓度计的有效成分含量钠离子120.0mM、钾离子5.0mM、镁离子3.5mM、钙离子2.5mM、氯离子120.0mM、磷酸氢根离子1.0mM、碳酸氢根离子11.0mM、硫酸根离子0.5mM。仿生沉积处理12-36小时取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥，人工关节表面磷酸钙非晶底层上进一步沉积厚度为15-20μm、多孔的类骨磷灰石晶相表面层。
(5)将表面有多孔钙磷生物活性陶瓷涂层的人工关节浸泡在骨形态发生蛋白和浓度为0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中，骨形态发生蛋白浓度为0.1-50mg/L，20-40℃下浸泡5-15小时，中间每1-2小时缓慢搅拌一次，取出；(6)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明生物活性人工关节材料。
实施例2(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；(2)人工关节表面活化处理将人工关节依次用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗后，采用浓度为30％的沸腾的H2O2水溶液处理，处理时间为90分钟，取出冲洗后，再浸泡在温度为60-70℃、浓度为8M的NaOH水溶液中24-36小时，取出蒸馏水冲洗，70℃干燥。
(3)磷酸钙非晶底层仿生沉积处理将表面活化处理过的人工关节浸入温度为30℃仿生钙化溶液A中，仿生钙化溶液A按离子浓度计的有效成分含量为钠离子610mM、镁离子4.5mM、钙离子12.5mM、氯离子610.0mM、磷酸氢根离子5.0mM、碳酸氢根离子18.0mM。仿生钙化溶液A采用磁力搅拌器搅动，仿生沉积处理24-36小时后取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥，人工关节表面获得厚度7.5-9.0μm、致密的磷酸钙非晶层。
(4)类骨磷灰石晶相表面层仿生沉积处理将表面具有磷酸钙非晶层的人工关节浸入温度为50℃仿生钙化溶B中，仿生钙化溶液B按离子浓度计的有效成分含量钠离子120.0mM、钾离子5.0mM、镁离子3.5mM、钙离子2.5mM、氯离子120.0mM、磷酸氢根离子1.0mM、碳酸氢根离子11.0mM、硫酸根离子0.5mM。仿生沉积处理72-144小时取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥，人工关节表面磷酸钙非晶底层上进一步沉积厚度为60-80μm、多孔的类骨磷灰石晶相表面层。
(5)将表面有多孔钙磷生物活性陶瓷涂层的人工关节浸泡在骨形态发生蛋白和浓度为0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中，骨形态发生蛋白浓度为0.1-50mg/L，20-40℃下浸泡5-15小时，中间每1-2小时缓慢搅拌一次，取出；(6)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明生物活性人工关节材料。
实施例3(1)首先选用医用不锈钢加工好人工关节；(2)人工关节表面活化处理将人工关节依次用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗后，采用浓度为50％的沸腾的H2O2水溶液处理，处理时间为60分钟，取出冲洗后，再浸泡在温度为30-40℃、浓度为2M的NaOH水溶液中12-24小时。
(3)磷酸钙非晶底层仿生沉积处理将表面活化处理过的人工关节浸入温度为30℃仿生钙化溶液A中，仿生钙化溶液A按离子浓度计的有效成分含量为钠离子610mM、镁离子4.5mM、钙离子12.5mM、氯离子610.0mM、磷酸氢根离子5.0mM、碳酸氢根离子18.0mM。仿生钙化溶液A采用磁力搅拌器搅动，仿生沉积处理30-36小时后取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥，人工关节表面获得厚度7.5-9.0μm、致密的磷酸钙非晶层。
(4)类骨磷灰石晶相表面层仿生沉积处理将表面具有磷酸钙非晶层的人工关节浸入温度为50℃仿生钙化溶B中，仿生钙化溶液B按离子浓度计的有效成分含量钠离子120.0mM、钾离子5.0mM、镁离子3.5mM、钙离子2.5mM、氯离子120.0mM、磷酸氢根离子1.0mM、碳酸氢根离子11.0mM、硫酸根离子0.5mM。仿生沉积处理64-72小时取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥，人工关节表面磷酸钙非晶底层上进一步沉积厚度为40-50μm、多孔的类骨磷灰石晶相表面层。
(5)将表面有多孔钙磷生物活性陶瓷涂层的人工关节浸泡在骨形态发生蛋白和浓度为0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中，骨形态发生蛋白浓度为0.1-50mg/L，20-40℃下浸泡5-15小时，中间每1-2小时缓慢搅拌一次，取出；
(6)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明生物活性人工关节材料。
实施例4(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；(2)人工关节表面活化处理将人工关节依次用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗后，采用浓度为30％的沸腾的H2O2水溶液处理，处理时间为90分钟，取出冲洗后，再浸泡在温度为60-70℃、浓度为8M的NaOH水溶液中24-36小时，取出蒸馏水冲洗，70℃干燥。
(3)磷酸钙非晶底层仿生沉积处理将表面活化处理过的人工关节浸入温度为30℃仿生钙化溶液A中，仿生钙化溶液A按离子浓度计的有效成分含量为钠离子610mM、镁离子4.5mM、钙离子12.5mM、氯离子610.0mM、磷酸氢根离子5.0mM、碳酸氢根离子18.0mM。仿生钙化溶液A采用磁力搅拌器搅动，仿生沉积处理24-36小时后取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥，人工关节表面获得厚度7.5-9.0μm、致密的磷酸钙非晶层。
(4)类骨磷灰石晶相表面层仿生沉积处理将表面具有磷酸钙非晶层的人工关节浸入温度为50℃仿生钙化溶B中，仿生钙化溶液B按离子浓度计的有效成分含量钠离子120.0mM、钾离子5.0mM、镁离子3.5mM、钙离子2.5mM、氯离子120.0mM、磷酸氢根离子1.0mM、碳酸氢根离子11.0mM、硫酸根离子0.5mM。仿生沉积处理48-64小时取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥，人工关节表面磷酸钙非晶底层上进一步沉积厚度为40-50μm、多孔的类骨磷灰石晶相表面层。
(3)将表面有多孔钙磷生物活性陶瓷涂层的人工关节浸泡在骨形态发生蛋白和浓度为0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中，骨形态发生蛋白浓度为0.1-50mg/L，20-40℃下浸泡5-15小时，中间每1-2小时缓慢搅拌一次，取出；(4)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明生物活性人工关节材料。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可在上述说明的基础上做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举，而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种生物活性人工关节材料，其特征在于，这种生物活性人工关节材料在金属基体表面有一层具有双层结构的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层，其表面进一步复合有骨形态发生蛋白(BMP)，所述及的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层由与金属基体接触的磷酸钙非晶底层和类骨磷灰石晶相表面层组成，其中，磷酸钙非晶底层厚度为1-10μm；类骨磷灰石晶相表面层厚度为10-100μm。
2.一种如权利要求1所述的生物活性人工关节材料的制备方法，其特征在于制备的方法包括如下步骤(1)首先选用钛合金、不锈钢或钴铬钼合金加工好人工关节；(2)把人工关节进行表面活化处理，然后通过两步仿生沉积处理，在人工关节表面获得由致密磷酸钙非晶底层和多孔类骨磷灰石晶相表面层依次组成的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层；(3)将表面有多孔钙磷生物活性陶瓷涂层的人工关节浸泡在骨形态发生蛋白和磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中，骨形态发生蛋白浓度为0.1-50mg/L，20-40℃下浸泡5-15小时，中间每1-2小时缓慢搅拌一次，取出；即可得生物活性人工关节材料。
3.如权利要求2所述的生物活性人工关节材料的制备方法，其特征在于表面活化处理采用浓度为10-60％的沸腾的H2O2水溶液，处理时间为10-90分钟，取出冲洗后，再浸泡在温度为30-80℃、浓度为1-10M的NaOH水溶液中6-48小时。
4.如权利要求2所述的生物活性人工关节材料的制备方法，其特征在于两步仿生沉积处理包括如下步骤1)制备仿生钙化溶液A仿生钙化溶液A按离子浓度计的有效成分含量钠离子500-850mM、镁离子4.5-6.0mM、钙离子10.0-13.5mM、氯离子500-800mM、磷酸氢根离子4.0-6.0mM、碳酸氢根离子15.0-30.0mM；2)制备仿生钙化溶液B仿生钙化溶液B按离子浓度计的有效成分含量钠离子100.0-180.0mM、钾离子4.0-5.5mM、镁离子3.0-4.5mM、钙离子2.0-3.5mM、氯离子80.0-150.0mM、磷酸氢根离子0.5-1.5mM、碳酸氢根离子6.5-12.0mM、硫酸根离子0.5-1.0mM；3)磷酸钙非晶底层仿生沉积处理将表面活化处理过的人工关节材料浸入温度为10-30℃仿生钙化溶液A中，在搅拌条件下，仿生沉积处理12-36小时后取出，清洗，干燥，人工关节材料表面获得厚度1-10μm的磷酸钙非晶层；4)类骨磷灰石晶相表面层仿生沉积处理将表面具有磷酸钙非晶层的人工关节材料浸入温度为30-50℃仿生钙化溶液B中，仿生沉积处理12-144小时取出，清洗，干燥，人工关节材料表面磷酸钙非晶层上进一步沉积厚度为10-100μm、多孔的类骨磷灰石晶相层。
全文摘要
本发明是一种表面具有仿生法制备的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层和骨形态发生蛋白(BMP)的人工关节材料及其制备方法，在这种生物活性人工关节材料金属基体表面有一层具有双层结构的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层，其表面进一步复合有骨形态发生蛋白(BMP)，所述及的多孔钙磷生物活性陶瓷涂层由与金属基体接触的磷酸钙非晶底层和类骨磷灰石晶相表面层组成，其中，磷酸钙非晶底层厚度为1－10μm；类骨磷灰石晶相表面层厚度为10－100μm。制备的方法为首先选用钛合金、不锈钢或钴铬钼合金加工好人工关节；把人工关节进行表面活化处理，然后通过两步仿生沉积处理；将表面有多孔钙磷生物活性陶瓷涂层的人工关节浸泡在骨形态发生蛋白和磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中。
文档编号A61L27/32GK1557503SQ20041001392
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月16日 优先权日2004年1月16日
发明者储成林, 林萍华, 浦跃朴, 薛小燕, 沈刚 申请人:东南大学, 扬州市亚华生物科技发展有限公司