一种掺硼硅酸钙生物活性涂层的制备方法与流程

本发明涉及的一种掺硼硅酸钙生物活性涂层的制备方法及其应用，属于硬组织修复与替换生物材料领域。本发明具有工艺简单、成本低、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

背景技术：

临床上常用的骨植入材料多为钛合金、不锈钢等金属材料。为赋予金属骨植入体更为优异的生物性能，增强其与骨组织间的结合，需要制备生物涂层。实际应用中，等离子喷涂技术制备的涂层材料较为成功。其中，在钛合金等基体表面制备的硅酸钙类陶瓷涂层兼具良好生物活性和力学性能，这有望弥补目前生物医用羟基磷灰石(HA)涂层和钛(Ti)涂层的不足。

硼(B)是第三主族的非金属元素，生物相容性良好，存在于自然界中各种动物的正常组织中。B能和多种元素(Ca、Mg和P)、有机分子(如多糖、维生素B₆、嘧啶核苷酸等)结合，它的缺失会导致一些与Ca代谢和骨组织的形成与重塑密切相关的生理机能发生紊乱。研究表明，B显著提高骨骼中Ca、Mg和P的含量，增强骨机械强度(Nielsen F.H.BioFactors 2004；20,161–171；Sema S et al.Journal of Trace Elements in Medicine and Biology 27(2013)148–153)。此外，B还具有促进成骨细胞内与成骨代谢相关的蛋白分泌和基因表达(如BMP、OC)(Armstrong TA et al.J Anim Sci 2002；80:154–161)，可诱导血管生成(Luis A et al.J.Mater.Chem.B,2014,2,7620)以及降低促炎因子活性表达的作用(Mohammad Reza Naghii et al.Journal of Trace Elements in Medicine and Biology 25(2011)54–58)。硅酸盐生物玻璃中，掺入适量的B，会加快生物玻璃转化成HA的速率，可通过对B含量的控制来调控生物玻璃的转化速率和生物相容性(Yifei Gu et al.Acta Biomaterialia 9(2013)9126–9136；Hui Wang et al.J.Mater.Chem.B,2014,2,8547)。因此，将硼掺入硅酸钙类陶瓷涂层材料中，有望提高其生物相容性和成骨性能。

到目前为止，已有文献报道Ca₁₁Si₄B₂O₂₂的结构与制备方法[K.Suzuki and I.Hira,Yogyo Kyokaishi,78[898]189-195(1970).J.G.Fletcher and F.P.Glasser,J.Mater.Sci.,28[10]2677-2686(1993)]，而其作为涂层材料在硬组织修复与替换领域的应用并未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硼硅酸钙Ca₁₁Si₄B₂O₂₂生物涂层及其制备方法与应用，这 种生物涂层兼具良好生物活性和细胞相容性，为硬组织修复与替换材料，可满足新一代生物材料发展的需要。

本发明首先提供一种掺硼硅酸钙生物活性涂层制备方法，所述制备方法包括：

(1)通过高温固相法合成Ca₁₁Si₄B₂O₂₂陶瓷粉体；

(2)将所得陶瓷粉体与5～10wt％聚乙烯醇溶液混合均匀，压制成块体、于1400～1450℃煅烧4～10小时，冷却、研磨、筛取200～400目的粉体作为喷涂用粉；以及

(3)以步骤(2)所得的200～400目的Ca₁₁Si₄B₂O₂₂为喷涂用粉，采用等离子喷涂技术将所述喷涂用粉沉积在基体上得到所述的掺硼硅酸钙生物活性涂层。

为了改善粉体的流动性，本发明采用烧结破碎法(将研磨后的粉体与PVA溶液混合均匀，压成块体，再次于1400～1450℃煅烧4～10h。之后研磨并混合均匀，筛取200目和400目间的粉体)，可极大改善粉体流动性，使得其可作喷涂用法经等离子喷涂技术沉积在基体，制得的掺硼硅酸钙生物活性涂层能够在模拟体液中诱导类骨磷灰石形成，显著促进成骨细胞的粘附和增殖，具有优良的生物活性和细胞相容性，是一种潜在的生物医用材料，可用于硬组织修复与替换生物材料领域。

本发明中，上述步骤(1)可包括：

分别以CaCO₃为钙源、以SiO₂为硅源、以B₂O₃和/或H₃BO₃为硼源，并按照Ca元素、Si元素、B元素的摩尔比为11：4：(2～2.1)称量，充分研磨并混合均匀，得混合物，将所得混合物在1400～1450℃温度下煅烧4～10小时，冷却后，研磨后得到所述Ca₁₁Si₄B₂O₂₂陶瓷粉体。

本发明中，所述基体可为钛合金或纯钛等基体。

较佳地，在喷涂前，先对所述钛基体进行表面处理，所述表面处理包括：

经压强为0.2～0.5MPa下的喷砂处理或砂纸打磨；

然后在无水乙醇溶液中超声处理；

最后再进行干燥。

较佳地，等离子体喷涂工艺参数如下：等离子气体Ar：30～50slpm(标准升每分钟)；等离子体气体H₂:5～20slpm；粉末载气Ar：1.5～5slpm；喷涂距离：80～250mm；喷涂功率：30～58KW；喷涂遍数：30～45；送粉速率：6～30r/min。

附图说明

图1为Ca₁₁Si₄B₂O₂₂粉体与大气等离子体喷涂Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层的XRD图谱；

图2为等离子体喷涂Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层的表面形貌(a)和截面形貌(b)；

图3为Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层在SBF中浸泡1天后(a)的表面形貌和7天(b)后的XRD图谱；

图4为Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层与CaSiO₃涂层表面的成骨细胞粘附与增殖实验对比。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

一种硼硅酸钙生物涂层的制备方法，通过高温固相合成法，烧结破碎法、结合等离子喷涂技术，包含以下步骤。

高温固相合成法制备硼硅酸钙陶瓷粉体

(1)分别以分析纯CaCO₃、SiO₂、B₂O₃/H₃BO₃为钙源、硅源、硼源，按照化学式Ca₁₁Si₄B₂O₂₂中各元素摩尔比称量(其中B源稍过量～5％，以补偿B源在高温环境下的挥发)，充分研磨并混合均匀，得混合物；

(2)之后将混合物在1400～1450℃温度段内于空气气氛中直接煅烧，煅烧时间为4～10h，自然冷却后，研磨并混合均匀，可得到一种硼硅酸钙陶瓷粉体。

烧结破碎法制备硼硅酸钙喷涂用粉

为了改善粉体的流动性，采用烧结破碎法，将研磨后的粉体与5～10wt％(例如6％)PVA溶液混合均匀，15～30MP(例如20MP)下压成块体，再次于1400～1450℃煅烧4～10h。之后研磨并混合均匀，筛取200目和400目间的粉体。

等离子喷涂技术制备硼硅酸钙生物涂层

采用等离子体喷涂技术在经过表面清洗和喷砂处理的基体(例如钛基体)上制备硼硅酸钙生物涂层，等离子喷涂工艺参数见表1。

表1等离子喷涂工艺参数

*slpm：标准升每分钟。

基体的表面处理可包括：钛基材表面经压强为0.2～0.5MPa下的喷砂处理或砂纸打磨后，在无水乙醇溶液中超声处理1～2次，每次处理3～5min，然后再100～120℃干燥1～2h。

浸泡模拟体液(SBF)前，Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层表面粗糙，有微米级的孔洞和凹坑；当浸泡模拟体液1天后，Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层表面的孔洞和凹坑被新沉积的颗粒状的磷灰石所覆盖。浸泡7天后，磷灰石结晶度进一步提高，形貌更规整。粘附与增殖实验显示，在各个时间点，相比不含硼元素的CaSiO₃涂层，Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层显著促进成骨细胞的粘附和增殖。 说明Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层具良好生物活性和细胞兼容性，可以作为硬组织修复与替换材料。

与现有技术方案相比，本发明技术方案优点如下所述。

本发明制备的硼硅酸钙生物涂层兼具良好生物活性和细胞兼容性，生物安全性好，具有快速诱导HA沉积的能力，是一种极具应用前景的生物材料，可用于硬组织修复与替换生物材料领域。

本发明制备的硼硅酸钙生物涂层所用原料成本低、来源广，工艺简单、成本低、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将分析纯的CaCO₃、SiO₂、B₂O₃/H₃BO₃(国药化学试剂有限公司)按照化学式Ca₁₁Si₄B₂O₂₂中Ca、Si、B的摩尔比11:4:2称量(其中B源过量～5％，以补偿B源在高温环境下的挥发)。试剂在氧化铝研钵中充分研磨并混合均匀后，置于Al₂O₃坩埚中，于空气气氛中不经预烧，直接以5℃/min的升温速率从室温升温至1400～1450℃温度段煅烧，保温时间为6h，随炉冷却至室温后，可得到Ca₁₁Si₄B₂O₂₂陶瓷粉体。为了改善粉体的流动性，采用烧结破碎法，将研磨后的粉体与6％PVA溶液混合均匀，20MP下压成块体，再次于1400～1450℃煅烧6h。之后研磨并混合均匀，筛取200目和400目间的粉体。

利用大气等离子喷涂技术，在预先清洗和喷砂处理后的医用钛金属上制备Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层，本实例沉积的涂层厚度在130～200um，优化喷涂参数列于表2。喷涂后，所得涂层和原始Ca₁₁Si₄B₂O₂₂粉体的XRD图谱如图1所示，喷涂之后，材料发生相变，由低温单斜相向高温正交相转变，涂层中存在较多非晶相。所制备涂层的表面形貌如图2(a)所示，涂层表面粗糙，有微米级的孔洞和凹坑，这有利于细胞的粘附和生长。图2(b)为所制备涂层的截面形貌照片，可以看出涂层较为致密。

表2等离子喷涂工艺参数

Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层的生物活性表征采用模拟体液浸泡试验进行。

图3(a)为该涂层SBF中浸泡1d后的表面形貌，其表面有类骨磷灰石沉积。表明Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层具有快速诱导磷灰石沉积的能力，生物活性很好。图3(b)为Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层浸泡SBF 7d后的XRD图谱。进一步证明，涂层表面沉积的是磷灰石。图4为Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层表面的成骨细胞粘附与增殖实验。可见，相比CaSiO₃涂层(CS)，Ca₁₁Si₄B₂O₂₂涂层(B-CS)显著促进成骨细胞粘附和增殖，具有优良的生物活性和细胞相容性。