纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的方法

专利名称：纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的方法
技术领域：
本发明属于纳米材料领域，具体地说涉及一种在纯钛或钛合金表 面制备功能涂层的方法。
技术背景钛及钛合金质轻、强度高，耐腐蚀性好，基于其良好的生物相容 性，作为理想的外科植入体已被广泛应用于生物医用材料领域。但植 入体后，钛及钛合金表面与骨之间难以形成良好的骨键合。而磷灰石 因其良好的生物相容性及骨键合性，常被用于制备钛基一磷灰石涂层， 以改进钛及钛合金表面的生物活性，典型的在纯钛或钛合金表面制备 磷灰石涂层的方法是釆用等离子喷涂或激光熔融涂覆。 此外，钛植入的术后感染成为整形外科手术中常见的一个问题。如果 在涂层中预先引入功能性药物，在手术后在创愈部提供局部的药物抗 感染和活血微环境，对于预防术后炎症的发生显然具有良好的意义， 这也是本发明的目的所在。 发明内容纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的方法，釆用如下的手 段对成型的钛基材料进行表面处理，以在其表面获得含药物磷灰石涂层将成型钛基材料经表面预处理后在HC1: H2S04: H20 (v: v: v, 1:1: l)溶液中进行酸蚀处理，60°C温度下加热30分钟，在表面产生 大量的酸蚀凹点或沟槽，以增大基体的表面积；预钙化处理将前面 处理后的钛基材料放入饱和Ca(0H)2溶液中，在60-8(TC温度下加热 24小时后取出，空气中室温干燥；经预钙化的钛基材料浸入含有功能 药物的模拟生理溶液中，沉积后在钛基材料表面获得药物磷灰石涂层。 本发明的方法与矿化沉积法相同，模仿了自然界生理磷灰石的矿 化机制，其优点在于，仿生法在低温下进行，可避免高温过程引起的 相变和脆裂，使蛋白质、药物等的引入成为可能，获得的磷灰石涂层 具有良好的功能药物活性，为手术后创愈部提供局部的药物抗炎活血 微环境。其次，仿生磷灰石层沉积于类似人体组织内环境条件，其成 分更接近人体的骨无机质；本发明利用仿生技术可在形状复杂和多孔 的基体上形成均匀的涂层，所需设备简单、活化处理工艺简单，成本 低。
具体实施方式
实施例l:1) 将片状纯钛，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮， 乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) : H2S04 (9S%) : H20 (v: v: v， 1: 1: 1)混合溶液中,恒温6(TC浸蚀30分钟后取出，超声清洗， 室温干燥；3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(OH)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；4) 配制含头孢拉定的模拟生理溶液a)配制模拟体液(即SBF溶液)，其试剂浓度分别为NaCl(7,996g/L)， NaHC03 (0.350g/L)， KC1 (0.224 g/L)， KHP043H20 (0.228 g/L)， MgCl2.6H20 (0.305 g/L)， IN HC1 (~40ml)， CaCl2 (0.278 g/L)， Na2S04 (0.071 g/L)， NH2C(CH2OH) (6.057 g/L)， pH 调至7.2 7.4;b)配制含头孢拉定的SBF溶液，其浓度为lmg/ml， pH调至 7.2 7.4;5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入头孢拉定溶液 中3天，表面沉积药物磷灰石涂层；6) 经扫描电镜观察(SEM)， X射线衍射(XRD)及傅立叶转换红外光 谱FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂层；且能量弥散X 射线谱(EDX)及FTIR分析得出，涂层中含有头孢拉定的相应化 学元素及化学基团。实施例2:1) 将片状纯钛，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮， 乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) : H20 (v: v: v， 1: 1: 1)混合溶液中，恒温6(TC侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(0H)2溶液中，8(TC恒 温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；4) 配制含头孢拉定的模拟生理溶液a) 配制SBF溶液，同实施例1中步骤4)， a);b) 配制含头孢拉定的SBF溶液，其浓度为lmg/ml， pH调至 7.2~7.4;5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入头孢拉定溶液 中7天，表面沉积药物磷灰石涂层；6) 经SEM观察，XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂 层；且EDX及FTIR分析得出头孢拉定的相应化学元素及化学基 团。与实施例1中沉积3天的试样相比，涂层厚度增加，且涂层中头孢拉定含量增加。 实施例3:1) 将片状钛合金，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮，乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) : H20 (v: v. v， 1: 1: 1)混合溶液中，恒温6(TC浸蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(OH)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；4) 配制含头孢拉定的模拟生理溶液a) 配制SBF溶液，同实施例l中步骤4)，a);b) 配制含头孢拉定的SBF溶液，其浓度为5mg/ml， pH调至 7.2 7.4;5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入头孢拉定溶液 中3天，表面沉积药物磷灰石涂层；6) 经SEM， XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂层； 且EDX及FTIR分析得出头孢拉定的相应化学元素及化学基团。 与实施例一中抗生素浓度lmg/ml的SBF溶液中沉积3天的试样 相比，表面形成磷灰石涂层厚度略有增加，且头孢拉定相应化 学元素及化学基团含量增加。实施例4:1) 将片状纯钛，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮， 乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) :H20(v: w v, 1: 1: 1)混合溶液中,恒温6(TC侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(OH)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；4) 配制含头孢拉定的模拟生理溶液a) 配制SBF溶液，同实施例l中步骤4),a);b) 配制含头孢拉定的SBF溶液，其浓度为5mg/ml， pH调至 7.2~7.4;5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入头孢拉定溶液 中5天，表面沉积药物磷灰石涂层；6) 经SEM观察，XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂 层；且EDX及FTIR分析得出头孢拉定的相应化学元素及化学基 团。与实施例三中头孢拉定浓度为5mg/ml沉积3天的试样相比， 涂层厚度增加，且头孢拉定含量增加；与实施例二中头孢拉定 浓度为lmg/ml沉积7天的试样相比，涂层中头孢拉定含量增加。实施例5:1) 将片状纯钛，用280弁耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮， 乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) : H20 (v: v: v， 1: 1: 1)混合溶液中，恒温6(TC侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(OH)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；4) 配制含头孢拉定的模拟生理溶液a) 配制加速钙化液(即ACS溶液)，其试剂浓度分别为NaCl (8扁g/L)， CaCl2 (0.3441 g/L), K2HP04.3H20 (0.413 g/L)， NH2C(CH2OH) (6.057 g/L)， pH调至7.2 7.4b) 配制头孢拉定的ACS溶液，其浓度为lmg/ml， pH调至 7.2~7.4;5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入头孢拉定溶液 中3天，表面沉积药物磷灰石涂层；6) 经SEM， XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂层； 且EDX及FTIR分析得出头孢拉定的相应化学元素及化学基团。 与实施例一中浓度为lmg/ml头孢拉定的SBF溶液中沉积3天的试样相比，头孢拉定的ACS溶液中，涂层较厚，且SEM形貌有 所不同。 实施例6:1) 将片状或块状纯钛，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在 丙酮，乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) 、H2S04 (98%) : H20 (v: v: v， 1: 1: 1)混合溶液中，恒温60'C侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(OH)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；4) 配制含头孢拉定的模拟生理溶液a) 配制ACS溶液，同实施例5， 4)， a);b) 配制头孢拉定的ACS溶液，其浓度为lmg/ml， pH调至 7.2~7.4;5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入头孢拉定溶液 中5天，表面沉积药物磷灰石涂层；6) 经SEM观察，XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂 层；且EDX及FTIR分析得出头孢拉定的相应化学元素及化学基 团。与实施例五中浓度为lmg/ml头孢拉定的ACS溶液中沉积3 天的试样相比，涂层厚度增加，头孢拉定的含量增加；与实施 例二中浓度为lmg/ml头孢拉定的SBF溶液中沉积7天的试样相 比，头孢拉定的ACS溶液中，涂层较厚，且SEM形貌有所不同。实施例7:1) 将片状钛合金，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮， 乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) :H20(v: v: v, 1: 1: 1)混合溶液中，恒温6(TC侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(OH)2溶液中，60~80°C恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；4) 配制含头孢拉定的模拟生理溶液a) 配制ACS溶液，同实施例5中步骤4),a);;b) 配制含头孢拉定的ACS溶液，其浓度为5mg/ml， pH调至 7.2~7.4;5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入头孢拉定溶液 中3天，表面沉积药物磷灰石涂层；6) 经SEM电镜观察，XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰 石涂层；且EDX及FTIR分析得出头孢拉定的相应化学元素及化 学基团。与实施例五中浓度为lmg/ml头孢拉定的ACS溶液中沉 积3天的试样相比，涂层中头孢拉定的含量增加；与实施例一中 浓度为lmg/ml头孢拉定的SBF溶液中沉积3天的试样相比，涂层 略厚，涂层中头孢拉定含量增加，且SEM形貌有所不同。实施例81) 将片状纯钛，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮， 乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) : H20 (v: v: v， 1: 1: 1)混合溶液中，恒温60'C侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(0H)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；4) 配制含羧苄青霉素的模拟生理溶液a) 配制SBF溶液，同实施例l， 4), a);b) 配制含羧苄青霉素的SBF溶液，其浓度为lmg/ml， pH调至 7.2 7,4;5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入羧苄青霉素溶 液中7天，表面沉积药物磷灰石涂层；6) 经SEM观察，XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂 层；且EDX及FTIR分析得出羧苄青霉素的相应化学元素及化学基团。
实施例9
1) 将片状纯钛，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮，
乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；
2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) : H20 (v: v: v， 1: 1: 1)混合溶液中，恒温6(TC侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；
3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(OH)2溶液中，60 8(TC 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；
4) 配制含羧苄青霉素的模拟生理溶液
a) 配制SBF溶液，同实施例l， 4), a);
b) 配制含羧苄青霉素的SBF溶液，其浓度为5mg/ml， pH调至 7,2~7.4;
5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入羧苄青霉素溶 液中5天，表面沉积药物磷灰石涂层；
6) 经SEM观察，X衍射及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石 涂层；且EDX及FTIR分析得出羧苄青霉素的相应化学元素及化 学基团。与实施例8中浓度为lmg/ml羧苄青霉素的SBF溶液中沉 积7天的试样相比，涂层中羧苄青霉素含量的增加。
实施例10:
1) 将片状纯钛，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮，
乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；
2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) : H20 (v: v: v, 1: 1: 1)混合溶液中，恒温6(TC侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；
3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(OH)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；
4) 配制含有丹参的模拟生理溶液
a)配制SBF溶液，同实施例l, 4)， a);b) 配制含丹参注射液的SBF溶液，其浓度为丹参酸A(丹参 素)(37.82士0,2pg/ml)，原儿茶醛(12.82士0.14吗/ml),丹参酚 酸B(39.52士0.74pg/ml)， pH调至7.2 7.4;
5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入丹参溶液中3
天，表面沉积药物磷灰石涂层；
6) 经SEM观察，XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂 层；且EDX及FTIR分析得出丹参的相应化学元素及化学基团。
7) 经SEM观察，XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂 层；且EDX及FTIR分析得出丹参的相应化学元素及化学基团。
实施例ll
1) 将片状钛合金，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮， 乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；
2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) : H20 (v: v: v， 1: 1: 1)混合溶液中,恒温6(TC侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；
3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(0H)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；
4) 配制丹参的模拟生理溶液
c) 配制SBF溶液，同实施例l， 4)， a);
d) 配制含丹参注射液的SBF溶液，其浓度为丹参酸A(丹参 素)(18.91士0.1吗/ml)，原儿茶醛(6.41士0.07^ig/ml)，丹参酚 酸B(19.76士0.37吗/ml)， pH调至7.2 7.4;
5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入丹参溶液中3 天，表面沉积药物磷灰石涂层；
6) 与实施例十中相应丹参浓度的模拟生理溶液中沉积3天的试样 相比，涂层中丹参含量增加。
实施例12
1)将片状纯钛，用280#耐水碳化硅砂纸打磨，然后依次在丙酮， 乙醇，蒸馏水中超声清洗，室温干燥；2) 酸处理将以上样品浸入HC1 (37%) :H2S04 (98%) : H20 (v: v: v， 1: 1: 1)混合溶液中，恒温6(TC侵蚀30分钟后取出，超声清 洗，室温干燥；
3) 预钙化将酸处理好的试样置于饱和Ca(0H)2溶液中，60~80°C 恒温24小时，蒸馏水漂洗，室温干燥；
4) 配制丹参溶液
a) 配制SBF溶液，同实施例l， 4)， a);
b) 配制丹参的SBF溶液，其浓度为丹参酸A (丹参 素)(15.128±0.08|ig/ml)，原儿茶醛(5.128士0.056pg/ml)，丹参酚酸 B( 15.808±0.296pg/ml) ， pH调至7.2~7.4;
5) 共沉积药物磷灰石涂层将预钙化后的试样浸入丹参溶液中7 天，表面沉积药物磷灰石涂层；
6) 经SEM观察，XRD及FTIR分析，表面形成一层均匀的磷灰石涂 层；且EDX及FTIR分析得出丹参的相应化学元素及化学基团。 与实施例10中相应丹参浓度的SBF溶液中沉积3天和实施例11 中相应丹参浓度的SBF溶液中沉积3天的试样相比，涂层厚度增 力口，丹参含量增加。
在本例中将SBF替换为ACS溶液，其它因素均不变，也可获得基 本一致的结果。
检测结果表明，本发明方法获得了表面均匀的覆盖磷灰石涂层， 且含有头孢拉定、羧苄青霉素或丹参等抗生素的相关化学基团C=0， -NH2，-CH2，-CH,苯环等。在一定浓度范围内，随着抗生素(头孢拉 定、羧苄青霉素)浓度的增加，及沉积时间的增加，磷灰石涂层厚度 随之增加，且抗生素含量增加。在中药丹参的模拟生理溶液中， 一定 浓度范围内，随着丹参浓度含量的增加，涂层中丹参浓度增加。制备 得到的药物磷灰石涂层可以应用于生物医学植入材料术后感染的预 防。
权利要求
1. 一种纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的方法，采用如下的手段对成型的钛基材料进行表面处理，以在其表面获得含药物磷灰石涂层1)将成型钛基材料经表面预处理后在HCl∶H2SO4∶H2O(v∶v∶v，1∶1∶1)溶液中进行酸蚀处理，60℃温度下加热30分钟，在表面产生大量的酸蚀凹点或沟槽，以增大基体的表面积；2)预钙化处理将1)处理后的钛基材料放入饱和Ca(OH)2溶液中，在60-80℃温度下加热24小时后取出，空气中室温干燥；3)经预钙化的钛基材料浸入含有功能药物的模拟生理溶液中，沉积后在钛基材料表面获得药物磷灰石涂层。
2、 根据权利要求1所述之纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的 方法，其特征在于，所述含有功能药物的模拟生理溶液为pH调至 7. 2-7. 4的模拟体液SBF或加速钙化液ACS，所述SBF或ACS溶液中包 含以下有功能药物之一羧苄青霉素，头孢拉定，丹参。
3、 根据权利要求2所述之纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的 方法，其特征在于，所述模拟体液溶液SBF组成为NaCl (7.996g/L), NaHCO:, (0. 350g/L)， KC1 (0.224 g/L)， KHPCV3H20 (0.228 g/L), MgCl2.6H20 (0.305 g/L)， 1NHC1 ( 40ml)， CaCl2 (0.278 g/L) ， Na孤(0.071 g/L)， NH2C(CH2OH) (6.057 g/L);所述加速钙化液ACS组成为NaCl (8.003g/L)， CaCh (0. 3441 g/L)， K2HP(V3H20 (0.413g/L)， NH2C(CH20H) (6.057 g/L)。
4、 根据权利要求2所述之纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的 方法，其特征在于，所述模拟生理溶液的头孢拉定浓度为1-5mg/ml。
5、 根据权利要求2所述之纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的 方法，其特征在于，所述模拟生理溶液的羧苄青霉素浓度为1-5mg/ml。
6、 根据权利要求2所述之纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的 方法，其特征在于，丹参注射液溶解于模拟生理体液中，模拟生理体 液中'丹参主要成分的浓度为丹参酸A: 15--38|ig/ml;原儿茶醛 5--13吗/ml;丹参酚酸B: 15--41ng/ml。
全文摘要
本发明公开了一种纯钛或钛合金表面制备含药物磷灰石涂层的方法，采用如下的手段对成型的钛基材料进行表面处理，以在其表面获得含药物磷灰石涂层将成型钛基材料经表面预处理后在酸性溶液中进行酸蚀处理以增大基体的表面积；处理后的钛基材料放入饱和Ca(OH)₂溶液中，在60-80℃温度下加热后取出；经预钙化的钛基材料浸入含有功能药物的模拟生理溶液中，沉积后在钛基材料表面获得药物磷灰石涂层。本发明方法获得的磷灰石涂层具有良好的功能药物活性，为手术后创愈部提供局部的药物抗炎活血微环境。
文档编号A61L27/00GK101244294SQ20071004845
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月12日 优先权日2007年2月12日
发明者波 冯, 卢晓英, 吴周君, 周绍兵, 屈树新, 李孝红, 汪建新, 杰 翁, 雄 鲁 申请人:西南交通大学