一种纯钛表面制备无水磷酸氢钙生物陶瓷涂层的方法与流程

本发明涉及一种纯钛表面制备无水磷酸氢钙生物陶瓷涂层的方法，属于外科植入物技术领域。

背景技术：

纯钛是制造承力骨植入体的主要金属材料，与宿主骨的紧密结合是其长期、稳定发挥修复作用的前提。然而医用纯钛为生物惰性材料，由其直接制造的产品植入人体后易出现松动、磨损、纤维组织介入和感染等问题，而生物活性涂层无疑是保障人体环境内金属植入体长效运行的最为可行的途径。羟基磷灰石(HAP)涂层由于良好的骨传导性能成为目前骨内金属植入体表面应用最广泛的涂层，然而HAP不具备骨诱导性。随着患者对植入体尽早负荷和快速愈合的渴望越来越强烈，具有骨诱导性的新型生物涂层的制备亟待解决。与化学稳定性较高的HAP相比，磷酸氢钙(CaHPO₄，DCPA)的溶解度较高，降解速率适中，能够在植入体-骨界面处形成Ca²⁺、PO₄^3-过饱和区域，诱导干细胞成骨分化(Habibovic P.,et al.Osteoconduction and osteoinduction of low-temperature3D printed bioceramic implants.Biomaterials,2008,29:944-953.)。由此可见，DCPA涂层有希望作为新一代生物活性涂层应用于金属骨内植入体表面。

目前在医用金属表面制备DCPA生物活性涂层的报道尚不多，查阅到的方法有以下几种。在含有钙、磷离子的溶液中对钛基体进行感应加热制备DCPA涂层，电流为25A，由于基体表面水剧烈气化，这种方法制备的DCPA涂层以片晶团簇的方式生长，未能完全覆盖钛基体(Kuroda K.,et al.Preparation of calcium phosphate coatings on titanium using the thermal substrate method and their in vitro evaluation.Materials Transactions,2002,43:3015-3019)。通过化学沉积、电化学沉积法首先在金属基体上制备二水磷酸氢钙(CaHPO₄·2H₂O)，然后再经过热处理制备DCPA涂层，该方法中元素比例控制较难，最终产物中夹杂焦磷酸钙削弱其生物相容性(Li K.,et al.Microstructure,in vitro corrosion and cytotoxicity of Ca-P coatings on ZK60magnesium alloy prepared by simple chemical conversion and heat treatment.Journal of Biomaterials Applications,2013,28:375-84)。此外，还可以通过溶胶-凝胶法制备DCPA涂层，这种方法操作难度较大，耗时较多，且DCPA涂层中极易夹杂碳酸钙等杂质(Eshtiagh-Hosseini H.,et al.Preparation of anhydrous dicalcium phosphate,DCPA,through sol–gel process,identification and phase transformation evaluation.Journal of Non-crystalline Solids,2008,354:3854-3857)。综上所述，目前已知的DCPA涂层制备方法主要存在以下缺点：(1)设备复杂，安全性能要求高；(2)需大电流或高温(超过100℃)。操作；(3)所制备的DCPA涂层不能完全覆盖基体或存在杂质相；(4)工作环境较差，效率低，能耗大。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能在医用纯钛基体表面制备骨诱导性DCPA涂层的方法，以期缩短植入体与宿主骨愈合周期，改善植入体骨结合性。

技术方案：本发明所述的制备方法，包含如下步骤：(1)配制DCPA水溶液，浓度为0.05-0.25g/ml；(2)纯钛基体亲水化预处理；(3)将纯钛基体在50-100℃条件下加热使其表面干燥；(4)将DCPA水溶液反复均匀喷涂于纯钛基体表面即可。

其中，DCPA中文名为无水磷酸氢钙。

优选的，步骤(1)中，配制DCPA水溶液的浓度为0.1-0.2g/ml，以保证涂层制备的效率和成膜质量；在配制DCPA水溶液过程加入去离子水和易挥发性酸：一方面，DCPA在去离子水中的溶解度很低，加酸可以降低pH，增加DCPA溶解量；另一方面，在后续可能进行的干燥过程中，这类酸可以很容易挥发掉，无残留，不影响涂层纯度；同时，这些易挥发性酸为浓度0.05-0.25mol/L的盐酸，能实现上述目的；更进一步地，每0.1g/ml DCPA需要加入0.08mol/L的HCl，尽量多地溶解DCPA，最大发挥HCl的作用；此外，DCPA为分析纯以上。

步骤(2)中的纯钛基体为植入医疗器械用纯钛，即CP-钛，需符合ISO5032和ASTMF67要求。对纯钛基体进行的亲水化预处理非常重要，可以使得溶液喷涂到试样上后均匀覆盖在其表面，能保证喷涂均匀性、涂层生长均匀性；如果不进行亲水化处理，溶液可能聚集成为一个一个或者数个大液滴，延迟干燥时间，而且使得涂层不能均匀生长。本发明可通过酸蚀、喷砂-酸蚀、碱热处理、等离子体处理、水热处理或紫外线照射实现亲水化预处理。在本步骤前，通常可以对基体试样进行砂纸打磨和超声波清洗，清洗时间可以控制在10min左右，清洗的介质通常依次为无水乙醇或丙酮、纯水，并干燥，以去除打磨过程中附着在表面的油污。

步骤(3)中，纯钛基体在50-100℃条件下容易操作，如果低于50℃，会因脱水不充分生成DCPD夹杂相，而超过120℃后DCPA会分解；优选温度为70-80℃，干燥速度适中，保证涂覆效率。另外，所使用的加热装置可为恒温电热箱、电热风机、电热台中的一种。

步骤(4)中，喷涂手段是关键，需要做到喷涂均匀、少量多次，每次喷涂应保持距离、角度、强度一致，避免基体表面形成明显液滴聚集，或基体表面存在未被溶液覆盖的区域。喷涂应可以常温下进行，也可以在步骤(3)的条件下进行。喷涂次数对涂层的质量是有所影响的，当COPA浓度为0.1-0.2g/ml时，喷涂为40-60次效果较好。同时，每次对纯钛基体喷涂前确认其表面干燥。更优选的，最后一次喷涂后，将所述纯钛基体干燥30分钟以上然后取出，冷却后保存。此外，可使用喷雾装置实现喷涂，例如手动扎口喷雾、电动喷雾或机动喷雾装置等。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：利用溶解-析出的原理，采用喷雾法细化液滴，使CaHPO₄·2H₂O在相对较低的温度下脱水形成DCPA，制备过程简单，反应条件温和，不涉及大电流或高温操作，安全性要求不高，可操作性得到极大改善，工作环境良好，适合实验室或医疗器械净化车间使用；同时，采用本发明方法在金属基体表面制备的生物活性DCPA涂层，不改变Ca/P元素比例，涂层物相纯一、均匀致密，能完全覆盖基体可调节植入体与组织细胞间的交互作用，促进干细胞成骨分化，改善植入物骨结合性。

附图说明

图1为本发明实施例1纯钛基体酸蚀预处理后表面微观形貌；

图2为本发明实施例1制得涂层的微观形貌；

图3为本发明实施例1基体及制得涂层的XRD分析结果；

图4为本发明实施例2制得涂层的微观形貌；

图5为本发明实施例2基体及制得涂层的XRD分析结果；

图6为本发明实施例3制得涂层的微观形貌；

图7为本发明实施例3基体及制得涂层的XRD分析结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

用电子天平称取5g分析纯DCPA粉末，转移至玻璃烧杯中，添加96mL去离子水，添加4moL浓度为0.04mol/L的稀盐酸HCl，用玻璃棒搅拌，待CaHPO₄完全溶解后，将溶液转移至PET扎口喷雾瓶中。将砂纸打磨和超声波清洗过的纯钛置于70℃的盐酸-硫酸混合溶液中处理30分钟，之后用大量去离子水冲洗，获得具备超亲水性的酸蚀表面。将纯钛基体放入恒温电阻箱中，温度设置为50℃，保温5分钟后，确认基体表面完全干燥。按下喷雾泵，使得DCPA溶液均匀喷洒在钛基体上，由于基体为超亲水性，DCPA溶液能够在其表面均匀铺展。第一次喷涂后，保温约30秒，基体表面完全干燥后再进行第二次喷涂，如此喷涂-干燥-喷涂，反复120次。最后一次喷涂后，保温30分钟后取出试样，冷却，保存。

用扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)对经上述处理的基体表面进行表征，结果如图1、图2、图3所示。XRD结果表明，经上述处理后，除了纯钛基体的衍射峰外，出现了新的衍射峰，而它们对应的正是DCPA，此外并未发现其他峰，可见基体表面除了DCPA外没有其他杂质相。SEM观察结果表明，用本方法制备的DCPA虽然可以完全覆盖钛基体，但颗粒细小，基体表面粗糙轮廓依然可见。

实施例2

步骤与实施例1基本一致，不同之处在于本次喷涂溶液配比为：25g分析纯DCPA，80ml去离子水，20mL浓度为0.20mol/L的稀盐酸HCl。喷涂干燥次数为30次，干燥温度60℃。SEM(图4)、XRD(图5)分析结果表明，用本方法制备的DCPA涂层均匀完整，可完全覆盖钛基体。

实施例3

步骤与实施例1基本一致，不同之处在于本次喷涂溶液配比为：10g分析纯DCPA，92ml去离子水，8mL浓度为0.08mol/L的稀盐酸HCl。喷涂干燥次数为60次，干燥温度70℃。SEM(图6)、XRD(图7)分析结果表明，用本方法制备的DCPA涂层均匀完整、致密，可完全覆盖钛基体。

对照例1

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于本次喷涂溶液配比为：(1)2g分析纯DCPA，100ml去离子水，不添加酸，此时DCPA已经达到其中在去离子水中的最大溶解度。SEM观察未能发现钛试样表面存在明显沉积物。

对照例2

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于本次喷涂溶液配比为：30g分析纯DCPA，76ml去离子水，24mL浓度为0.24mol/L的稀盐酸HCl。SEM观察发现试样表面的沉积物以分散圆团状存在，未能形成均匀涂层。

对照例3

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于干燥温度为40℃。SEM观察发现试样表面的沉积物呈现片状结晶状，XRD分析为DCPD，未能与基体形成紧密结合。

对照例4

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于干燥温度为200℃。SEM观察发现试样表面的沉积物为分散的菱形块状晶体，XRD分析为焦磷酸钙。

对照例5

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于干燥温度为80℃。SEM观察发现，DCPA涂层完整，可完全覆盖钛基体，颗粒尺寸均匀、排列致密。

对照例6

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于干燥温度为75℃。SEM观察发现，DCPA涂层完整，可完全覆盖钛基体，颗粒尺寸均匀、排列致密。

对照例7

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于干燥温度为100℃。SEM观察发现，

DCPA涂层能完全覆盖表面，但颗粒大小不均，排列较为疏松。

对照例8

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于干燥温度为150℃。SEM观察发现，圆形颗粒与方形菱状晶粒间杂排列，即形成了焦磷酸钙，涂层未能完全覆盖基体。

对照例9

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于喷涂次数为20次。SEM观察可见试样表面大量颗粒状沉积物，尺寸不均匀，且未能完全覆盖试样。

对照例10

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于喷涂次数为80次。SEM观察可见试样表面有大量颗粒状沉积物，能完全覆盖试样，但颗粒物表面呈现毛绒状，涂层比较松散。

对照例11

步骤与实施例3基本一致，不同之处在于所使用的基体为未经亲水处理的砂纸打磨试样。SEM观察可见试样表面有大量颗粒，但其大小及分布很不均匀，偏聚于试样的边缘，未能形成均匀的涂层。

现将上述实施例与对照例的过程及结果汇总成表1：

表1实施例及对照例汇总

由上述实施例可知，溶液浓度影响成膜效率及质量。不添加酸时，DCPA溶解度过低，即便经过多次喷涂，依然不能在试样表面成涂层；随着DCPA浓度的提高，涂层颗粒逐渐增大，0.1g/ml(或100g/L)左右较为均匀细致效果最好。喷涂次数较少时，颗粒尺寸不均匀且不能形成完整涂层，而喷涂次数较多时，颗粒表面呈现毛绒状，涂层松散。干燥温度影响涂层最终物相组成，低温易因脱水不彻底形成DCPD，而高温易导致分解形成焦磷酸钙。另外，表面亲水化处理也是保证DCPA均匀成涂层的重要前提。