专利名称：离子取代磷酸钙涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及在基底上形成离子取代磷酸钙的表面涂层、具体地结晶表面涂层的方法。本发明还涉及由所述方法生产的离子取代磷酸钙的表面涂层。
背景技术：
骨中的磷酸钙为多取代磷酸钙，其包括痕量的CO广、F_、Cl_、Mg2+、Sr2+、Si4+、Zn2\ Ba2+、!^3+等[1-3]。这些离子取代在骨形成和正常功能，例如材料的溶解性和表面化学中起重要作用。碳酸根(CO/—)为最丰富的O至8重量％ )阴离子取代基，以及在磷酸钙结构的 PO43-位点和0H—位点二者中的部分取代基。与成骨(old bone)相比，幼骨(young bone) 的高反应性可与更多碳酸根的存在相关。与化学计量磷酸钙相比，碳磷酸钙(Carbonated calcium phosphate)已显示改进的溶解性、体外胶原沉积和体内重吸收性。氟(fluoride)存在于脊椎动物体的骨骼和牙齿中。据报道，氟对OH位点的取代和氟代羟基磷灰石(hydroxyapatite)的形成增强了羟基磷灰石生物陶瓷的耐酸性和机械性能W]，并诱导更好的生物应答(biological response) [5] 0由于优异的耐酸性和机械性能，氟代羟基磷灰石为牙植入物上有益的涂层。已发现硅对正常的骨和软骨的生长和发育是必需的。与化学计量羟基磷灰石相比，在其结构中包括痕量水平Si的合成羟基磷灰石显示显著增加的生物学性能W]。生物学性能的改进可归因于Si诱导的材料性质中的改变以及归因于在骨和结缔组织系统的生理过程中Si的直接影响。Si取代通过增加材料的溶解性、产生更多负电性表面以及产生更精细的微结构来将材料表面转换为生物学相当的羟基磷灰石来促进生物学活性。Si复合体释放到细胞外介质和Si在材料表面的存在可诱导对在骨和软骨组织系统的细胞的另外的剂量依赖性刺激效应[6]。由于锶在化学和物理上与钙密切相关，所以易于将其引入作为羟基磷灰石中钙的天然取代。已证明锶具有增加骨形成和减少骨吸收的效果，导致在正常动物和人类中骨质增加和骨的机械性改进。Sr取代的羟基磷灰石陶瓷已显示比纯羟基磷灰石更好的机械性， 以及增强体外研究中成骨细胞的增殖和分化[7]。已发现在骨生成的初始阶段骨和软骨组织中的高浓度镁，并引起羟基磷灰石成核动力学的加速以及抑制其结晶过程。Landi等人已观察到，与化学计量羟基磷灰石相比，Mg 取代的羟基磷灰石改进了细胞在粘附、增殖和代谢活性方面的行为[8]。锌为骨中主要的痕量元素，并已发现其在人类组织发育中起重要作用。体外实验已显示锌抑制骨吸收，并对骨形成具有刺激效应。锌取代的羟基磷灰石潜在地为可具有相同效应的材料。当锌已取代至羟基磷灰石和磷酸三钙(TCP)晶格时，已发现其在体外抑制破骨细胞并在体内促进骨生长。尽管具有有益结果，但离子取代的陶瓷和牙骨质(cement)的临床应用由于机械强度低而受限。通过具有离子取代羟基磷灰石的植入物的涂层，例如金属的更高的机械强度可与离子取代的羟基磷灰石的性质相结合。因此，离子取代的羟基磷灰石作为植入物上的涂层具有追求的重要性。迄今为止所生产的此类涂层是使用等离子喷涂(plasma spraying) [9] >(sol—gel) [10]、￠1 身寸(magnetron cosputtering) [11] >
脉冲激光沉积(pulsed-laser deposition) [12]和微弧氧化技术(microarc oxidation techniques) [13]来制备的。这些涂布技术的确具有某些缺点。例如，涂层相对厚并易碎， 还具有化学缺陷。它们不总是很好的与基底粘合。此外，此类涂层不能均勻和均一地涂布于具有复杂几何图形的表面，如多孔和底切的表面。此外，对于生产这些涂层，高温处理是必需的，这使可使用的基底材料受到限制。为克服某些所述缺陷，已通过源于溶液的方法 (solution derived method)采用低温处理来生产羟基磷灰石陶瓷涂层。Bunker等人已发现通过在包含氯化钙的溶液中温育基底来制备磷酸八钙涂层的技术[14]。其他实例公开于 US 专利 6，905, 723B2[15]和 6，569，489B1 [16]，其中使用包含 Ca2+、P043+、Sr、Na+、K+、HC(V、 cr和Mg2+的溶液生产羟基磷灰石涂层。生物矿化是水性溶液中生物矿物形成的天然自我组装过程。在人体内所有正常的和大多数病理性钙化由磷酸钙化合物组成。然而，骨的羟基磷灰石含量不是化学计量的磷酸钙，反而是钙缺乏和通过生物矿化形成的多取代羟基磷灰石。US 6，569，481和WO 9741273描述了经由生物矿化过程用羟基磷灰石涂层涂布生物医学植入物的方法。所得涂层还可任选地包含硅酸盐或硫酸盐。在所述文献中的描述并没有描述如何制备离子溶液、用于产生离子溶液以形成羟基磷灰石涂层的来源，以及没有便于涂层沉积的植入物表面的具体条件。US 2004/0241314(US'314)示出提供具有锶取代的磷灰石涂层的生物活性植入物的方法。所述方法涉及在包含锶、钙和磷酸根离子以及液态载体的组合物中温育未涂布有含钙化合物的表面。所述组合物可进一步包含生物试剂、钠、镁、碳酸根、氢氧根、氯、氟离子或其混合物。
发明内容
本发明涉及具有可控形态的用离子取代磷酸钙涂布植入物的方法。本发明的第一方面是在基底上形成具有可控形态的离子取代磷酸钙的表面涂层的方法，其包括以下步骤a.提供所述基底；b.预处理所述基底从而产生活化表面；c.提供水溶液，其包括钙离子、镁离子、磷酸根离子以及选自Sr2+、Si4+、F_、Ba2+、 1 3+和Si2+中的一种或多种取代离子，任选地其进一步包括选自钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子和硫酸根离子中的一种或多种离子，所述水溶液具有2. 0至10. 0范围内的初始pH 以及20°C至100°C的温度；和d.在所述水溶液中温育至少一部分所述基底足以形成涂层的时间。在本发明的一个实施方案中，在基底上形成具可控形态的离子取代磷酸钙的表面涂层的方法包括以下步骤a.提供基底；b.预处理所述基底从而产生活化表面；
c.提供水溶液，其包括钙离子、镁离子、磷酸根离子以及选自Sr2+、Si4+、F_、Ba2+、 Fe3+和Si2+中的一种或多种取代离子，任选地其进一步包括选自钠离子、钾离子、氯离子、 碳酸根离子和硫酸根离子中的一种或多种离子，其具有初始PH6. 0至8. 0的范围以及温度 20 0C M IOO0C ；d.在所述第一水溶液中温育至少一部分所述基底足以形成第一涂层的时间；e.提供第二水溶液，其包括钙离子、镁离子、磷酸根离子以及选自Sr2+、Si4+、F_、 Ba2+、1 3+和Si2+中的一种或多种取代离子，任选地其进一步包括选自钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子和硫酸根离子中的一种或多种离子，其中所述溶液具有初始PH6. 0至8. 0的范围以及温度20°C至100°C ；和f.在所述第二水溶液中温育至少一部分所述基底足以形成涂层的第二层的时间。在本发明的另一实施方案中，重复所述步骤C)至f)从而产生任选地包含另一涂层化学和形态的附加层。在本发明的另一实施方案中，所述预处理包括磷酸钙层的形成。在本发明的另一实施方案中，所述预处理包括加热处理、水解、氧化、酸或碱处理、 阳极氧化、UV辐射、CVD、溶胶凝胶或PVD。在本发明还一实施方案中，所述基底在表面上具有带电基团。在本发明的另一实施方案中，所述带点基团为基底表面预处理的结果。在本发明的另一实施方案中，在各溶液中的浸渍时间长达2周，优选小于1周并更优选小于3天。在本发明的另一实施方案中，浓度为钙离子0. 01至25 1(Γ3Μ、优选0. 5至2. 5 KT3M的范围；镁离子0. 01至15 1(Γ3Μ、优选0. 2至1. 5 KT3M的范围；钠离子0. 01至1420 IO3M、优选100至150 KT3M的范围；钾离子0. 01 至 1420 1(Γ3Μ、优选 1. 0 至 5. 0 KT3M 的范围；氯离子0. 01 至 1030 IO3M、优选 100 至 150 IO^3M 的范围；磷酸根离子0. 01至10 10_3M、优选1. 0至10 1(Γ3Μ的范围；碳酸根离子0. 01至270 10_3Μ、优选1. 0至50 1(Γ3Μ的范围；硫酸根离子0. 01至5 10_3Μ、优选0. 1至1. 0 1(Γ3Μ的范围。本发明的另一方面为一种离子取代的涂层，其包括钙、镁、磷酸根和选自锶、硅、 氟、钡、铁和锌中的一种或多种，以及任选地选自钠、钾、氯、碳酸根和硫酸根中的一种或多种。在另一实施方案中，所述钙的阳离子取代多达80%，优选25至60%。在另一实施方案中，所述磷酸根和氢氧根的阴离子取代多达30%，优选10至 25%。在另一实施方案中，所述涂层包含0至5%、优选1.5至3%的氟，或0至10%、优选3至8%的锶，或0至5%、优选0. 5至2%的硅，或其组合。在另一实施方案中，所述涂层的形态为以片材(sheet)、薄片(f lake)、球状、多孔结构、穗状(spike)或棒状或其组合的形式。在另一实施方案中，所述涂层包括多个层。
在另一实施方案中，所述涂层为生物可再吸收的。本发明的另一方面为离子取代磷酸钙涂层作为药物和/或离子运载系统的用途。
图 1.分别在 370C (A)和 600C (B)下，在 0. 06mmol/l 和 0. 6mmol/lSr 的 PBS 溶液中温育1周的热处理的钛板的XRD图案。Γ 磷酸钙的特异峰)图 2.分别在 370C (A)和 600C (B)下，在 0. 06mmol/l 和 0. 6mmol/lSr 的 PBS 溶液中温育2周的热处理的钛板的XRD图案。Γ 磷酸钙的特异峰)图3.热处理的钛表面的SEM图像，放大倍数(A) 3 000 X，(B) 10 000 X。图4. 37°C下在0. 06mM锶PBS中温育1周后热处理的钛表面的SEM图像，放大倍数 10000X。图5. 37°C下在0. 06mM锶PBS中温育2周后热处理的钛表面的SEM图像，放大倍数 10 000 X。图6. 60°C下在0. 06mM锶PBS中温育1周后热处理的钛表面的SEM图像，放大倍数 (A) 1 000 X，(B) 30 000 X。图7. 60°C下在0. 06mM锶PBS中温育2周后热处理的钛表面的SEM图像，放大倍数 (A) 1 000 X，(B) 30 000 X。图8. 37°C下在0. 6mM锶PBS中温育1周后热处理的钛表面的SEM图像，放大倍数 (A) 10 000 X，(B) 45 000X 图9. 60°C下在0. 6mM锶PBS中温育1周后热处理的钛表面的SEM图像，放大倍数 (A) 10 000 X，(B) 50 000 X。图 10.分别在 370C (A)和(B)60°C下，在 0. 06mmol/l 和 0. 6mmol/lSr 的 PBS 溶液中温育1周的PVD处理的钛板的XRD图案。磷酸钙的特异峰)图11.分别在37°C和60°C下，在0. 06mmol/l和0. 6mmol/l Sr的PBS溶液中温育 2周的PVD处理的钛板的XRD图案。磷酸钙的特异峰)图12. PVD处理的钛表面的SEM图像，放大倍数(A) 1 000 X，(B) 30 000 X。图13. 60°C下在0. 06mM锶PBS中温育1周后PVD处理的钛表面的SEM图像，放大倍数(A) 3 000 X，(B) 30 000 X。图14. 60°C下在0. 6mM锶PBS中温育1周后PVD处理的钛表面的SEM图像，放大倍数(A) 3 000 X，(B) 30 000 X。图15. 60°C下在0. 06mM锶PBS中温育2周后PVD处理的钛表面的SEM图像，放大倍数(A) 1 000 X，(B) 30 000 X。图16. 60°C下在0. 6mM锶PBS中温育2周后PVD处理的钛表面的SEM图像，放大倍数(A) 1 000 X，(B) 30 000 X。图17.在硅PBS中温育后PVD处理的钛表面的SEM图像。图18. 37°C下在Si和Sr PBS中温育1周后热处理的钛表面的SEM图像。
图19.阐明来自TOF-SIMS的在生物矿化表面上的Si和Sr离子信号。图20.在热处理的钛表面上生长的氟磷灰石的SEM图像。热处理钛表面(A)。60°C 下将Ti板浸入包含0. 2mM F_的磷酸盐缓冲溶液中12小时(B)、1天(C)、1周⑶。图21.从锶离子取代的磷酸钙涂层的离子释放曲线。图22.从硅离子取代的磷酸钙涂层的离子释放曲线。图23.从氟离子取代的磷酸钙涂层的离子释放曲线。图SEM示出浸于包含0. 6mM Sr离子的PBS中后Ti02/Ti基底的表面形态； (A) 12小时，第一层(薄且致密)；(B)2周，第二层(多孔)。图25.分别在37°C禾口 60°C下浸于0. 6和0. 06mmol/l Sr-PBS溶液中1周和2周的氧化基底的XRD图案。仏磷灰石，！“钛)。图26.在钛板上的锶取代的磷灰石/ 二氧化钛涂层的XRD光谱(热氧化，PBS中的 0. 6mM Sr, 60°C 1 周)。
具体实施例方式在本申请中术语“生物矿化”是指通过自我组装形成矿物质。在本申请中生物矿化不一定要涉及生物体，并且在体外和体内均可进行。在本申请中术语“磷酸钙”是指包含钙和磷酸根的矿物质，并包括羟基磷灰石或透钙磷石或三斜磷钙石(monetite)或无定形磷酸钙涂层或其组合。在本申请中措辞“离子取代”是指其中物质内离子换成另一带相同电荷(即正或负)的离子的过程。本发明基于以下理解生物矿化层将对植入物锚定到宿主组织以及骨再生具有有益效果。由于离子取代磷酸钙涂层与通过生物矿化过程获得的骨的天然矿物具有高相似性，因而生物矿化连同离子取代将具有优势。此外，由于根据本发明所述的生物矿化过程发生于水溶液中，所以其对任何开放表面适用，并不受植入物的任何复杂几何形状所限定。根据本发明的方法还为一种低温技术，其节能并适用于感温基底材料。本发明具体涉及经由应用如本发明所描述的方法和材料所获得的涂层化学和形态的组合。与以上所提及的US’314不同，本发明提供控制涂层形态的策略。当提到体内组织应答和形态(以下将进一步讨论)控制促进涂层作为药物和/或离子运载系统的用途时， 所述形态为重要因素。本发明，与us’ 314不同，公开了结合离子取代的预处理步骤。这是一项新技术，并提供可控形态涂层方法。预处理的目的为活化表面，即为磷酸钙涂层实现最优生长条件。优选地，所述表面应在温育溶液中具有负性的表面电荷。对于实施例用Ti植入物，该预处理包括热处理、水解、阳极氧化、酸或碱处理、UV辐射、或CVD、溶胶凝胶沉积或PVD，其主要目的为形成具小粒径的结晶二氧化钛涂层(参见例如W02005/055860和US专利6，183，255，J Biomed Mater Res 82A :965-974(2007), Applied Surface Science 255 卷 17 期 Q009) 7723-772 页)。 相同或相似的处理也可应用于其他基底材料，预处理可包括多于一种的处理。水溶液中，任选地包括基团如-OH、-C00H、-NH2的表面预处理如本领域所述进行。本发明的预处理引起更快的涂层加工，并导致更加均勻，例如厚度的涂层。相信不受任何理论的约束，预处理产生可开始涂布的成核点。非预处理的表面可能更依赖于基底表面的局部变化，所述变化可为处理的结果。此外，预处理可包括形成磷酸钙层。该层可根据本领域技术人员已知的任何技术来形成。例如，磷酸钙层可通过在2至10之间的pH和20至100°C之间的温度下，在仅包含钙离子、镁离子和磷酸根离子的溶液中，温育基底来形成。所述磷酸钙层优选形成于包含电荷的表面上。本发明提供在植入物上使用取代离子如F—、Sr2+、Si4+、Zn2\ Ba2+、Fe3\ Mg2+、CF和 CO/—来制备离子取代磷酸钙的新技术。本领域技术人员已知可使用何种取代离子。根据本发明，形态取决于离子取代步骤所使用的一种离子或多种离子。例如当用F—离子取代时， 形态可描述为穗状或棒状，图20 ；而硅产生可描述为片材或薄片的形态，图17 ；以及锶导致具有球状颗粒和孔的结构，参见例如图14和15。此外，不同离子产生对涂层不同的溶解度常数(solubility constants)。先前已表明，例如与羟基磷灰石相比，氟取代导致溶解度常数降低而锶或硅的加入会增加溶解度常数。孔径也可通过改变取代离子、温度和浸渍时间来控制。该项新技术基于生物矿化过程，该过程使用改性的模拟体液和在磷酸钙涂层中包含阳离子和阴离子的取代离子的磷酸盐缓冲溶液。阳离子取代离子为Sr2+、Si4+、Zn2\ Ba2+、Fe3+或Mg2+ ；阴离子取代离子为F—或C032—。离子取代的来源可为包含将被取代的离子的可溶性盐和微溶盐(slight-soluble salts)，如 SrCl2、SrCO3、Sr (NO3) 2、Na2Si03、硅酸钙(Ca0Si02、CaO (SiO2) 2、CaO(SiO2)3)、ZnCl2, ZnSO4, BaCl2, FeCl3、Fe (NO3) 3、NaCO3> NaF 和 N FP04。通过生物矿化法形成离子取代磷酸钙涂层包括在包含不同阳离子和/或阴离子的矿化溶液，例如改性的模拟体液(SBF)和/或磷酸盐缓冲溶液(PBS)(表1)中，温育例如生物活性植入物试样。矿化溶液可包括存在于人体内的主要无机离子，即Na+、K+、Ca2+、 HCOp HPO42-和 SO:。表 1.血浆、改性SBF和改性PBS中的离子浓度(I(T3M)
权利要求
1.一种在基底上形成形态可控的离子取代磷酸钙的表面涂层的方法，其包括以下步骤a.提供所述基底；b.预处理所述基底从而产生活化表面；c.提供水溶液，其包括钙离子、镁离子、磷酸根离子以及选自Sr2+、Si4+、F-、Ba2+、i^3+和 Si2+中的一种或多种取代离子，任选地其进一步包括选自钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子和硫酸根离子中的一种或多种离子，所述水溶液具有2. 0至10. 0范围内的初始pH以及 20°C至100°C的温度；和d.在所述水溶液中温育至少一部分所述基底足以形成涂层的时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述在基底上形成形态可控的离子取代磷酸钙的表面涂层的方法包括以下步骤a.提供基底；b.预处理所述基底从而产生活化表面；c.提供水溶液，其包括钙离子、镁离子、磷酸根离子以及选自Sr2+、Si4+、F-、Ba2+、i^3+和 Si2+中的一种或多种取代离子，任选地其进一步包括选自钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子和硫酸根离子中的一种或多种离子，所述第一水溶液具有6. 0至8. 0范围内的初始pH以及20°C至100°C的温度；d.在所述第一水溶液中温育至少一部分所述基底足以形成第一涂层的时间；e.提供第二水溶液，其包括钙离子、镁离子、磷酸根离子以及选自Sr2+、Si4+、F—、Ba2+、 !^3+和Si2+中的一种或多种取代离子，任选地其进一步包括选自钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子和硫酸根离子中的一种或多种离子，其中所述溶液具有6. 0至8. 0范围内的初始 PH以及20°C至100°C的温度；和f.在所述第二水溶液中温育至少一部分所述基底足以形成涂层的第二层的时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其中重复所述步骤c)至f)从而产生任选地包含另一涂层化学和形态的附加层。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述预处理包括磷酸钙层的形成。
5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述预处理包括加热处理、水解、氧化、 酸或碱处理、阳极氧化、UV辐射、CVD、溶胶凝胶或PVD。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述预处理导致在基底表面上形成带电基团。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中在各溶液中的所述浸渍时间长达2周， 优选小于1周并更优选小于3天。
8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中浓度为 钙离子0. 01至25 10_3M、优选0. 5至2. 5 KT3M的范围； 镁离子0. 01至15 1(Γ3Μ、优选0. 2至1. 5 1(Γ3Μ的范围； 钠离子0. 01至1420 1(Γ3Μ、优选100至150 KT3M的范围； 钾离子0. 01至1420 1(Γ3Μ、优选1. 0至5. 0 KT3M的范围； 氯离子0. 01至1030 1(Γ3Μ、优选100至150 KT3M的范围； 磷酸根离子0. 01至10 10_3Μ、优选1. 0至10 IO-3M的范围； 碳酸根离子0. 01至270 10_3Μ、优选1. 0至50 1(Γ3Μ的范围；硫酸根离子0. 01至5 10。M、优选0. 1至1. 0 IO-3M的范围。
9.一种离子取代磷酸钙的表面涂层，其包括钙、镁、磷酸根，和选自锶、硅、氟、钡、铁和锌中的一种或多种，以及任选地选自钠、钾、氯、碳酸根和硫酸根的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的表面涂层，其中钙的阳离子取代多达80%，优选25至60%。
11.根据权利要求9和10任一项所述的表面涂层，其中磷酸根和氢氧根的阴离子取代多达30%，优选10至25%。
12.根据权利要求9至11任一项所述的表面涂层，其中所述涂层包含0至5%、优选 1. 5至3%的氟，或0至10%、优选3至8%的锶，或0至5%、优选0. 5至2%的硅，或其组口 O
13.根据权利要求9至12任一项所述的表面涂层，其中所述涂层的形态为片材、薄片、 球状、多孔结构、穗状或棒状或其组合的形式。
14.根据权利要求9至13任一项所述的表面涂层，其中所述涂层包括多个层。
15.根据权利要求9至14任一项所述的表面涂层，其中所述涂层为生物可再吸收的。
16.根据权利要求7至13任一项所述的离子取代磷酸钙涂层作为药物和/或离子运载系统的用途。
全文摘要
本发明涉及在基底上形成离子取代磷酸钙的表面涂层的方法、涂层本身和所述涂层的用途。
文档编号A61L27/32GK102438671SQ201080018822
公开日2012年5月2日 申请日期2010年4月26日 优先权日2009年4月27日
发明者C·林达尔, H·恩奎斯特, J·劳斯玛, P·汤姆森, W·夏 申请人:生物材料细胞公司