用于植入物和其他基材的锆和钛磷酸盐涂层的制作方法

发明领域

本发明提供了与活组织，例如骨组织和软组织有利地相互作用的涂层。该涂层对机械磨损和酸性条件具有高度抵抗力，因此可以在体内长时间保留。本发明的另一个目的是创建可用于各种应用的亲水性表面。更具体地说，描述了金属磷酸盐如磷酸锆和磷酸钛的涂层。

背景技术：

植入物用于人体的各个部位。牙螺钉、髋关节柄和脊柱融合笼只是设计成与骨组织整合的装置的一些示例。造口术袋口、骨锚式助听器和牙植入物基台是设计成与软组织整合的装置的示例。

为了将植入物成功整合到人体组织中，植入物材料的选择自然非常重要。钛在1950年代被发现具有出色的与骨骼整合的能力，并且还可以刺激新的骨骼组织的生长，这种现象如今被称为骨整合。由于这些特性及其高机械强度，钛是当今最常见的植入材料。与钛相比，氧化锆和氧化铝增韧氧化锆等陶瓷的骨整合速度较慢，但可用于要求极高硬度和强度的应用，例如髋臼杯和股骨头。也有一些材料被归类为生物惰性材料；这些被人体所接受，但不整合。这种材料的例子是聚合物，例如聚酰胺和聚醚醚酮(peek)。

骨主要由磷酸钙化合物组成，该化合物在化学和结构上与矿物羟基磷灰石(ha)非常相似。为了改善骨整合，可以在植入物表面上施加磷酸钙涂层。作用机理尚不完全清楚，但通常认为磷酸钙通过吸收参与骨骼形成初期的蛋白质来触发骨骼生长。在稍后的阶段，涂层被逐渐吸收并用作形成新骨的原料。诸如磷酸三钙(tcp)和ha之类的材料对骨骼组织的生长具有有据可查的有益作用，因此，这些材料在临床上已广泛用于各种医疗应用中，例如骨骼支架材料和植入物涂层。

磷酸钙生物材料的一个重要参数是体内的吸收速度。内源性骨的吸收是自然过程；破骨细胞不断吸收旧骨，成骨细胞产生新骨。这种吸收释放出钙和磷，可用作新骨的原料。破骨细胞通过创造酸性环境来吸收骨骼；ha在中性ph下的溶解度非常低，但在ph4以下会迅速溶解。对于其他磷酸钙，例如磷酸三钙或磷酸八钙，也观察到在酸性条件下溶解度增加。对于厚的(20-60μm)磷酸钙基植入物涂层，体内溶解可能会破坏涂层的完整性，并导致大的磷酸钙颗粒分离，从而触发炎症反应。对于薄的(小于1μm)涂层，磷酸钙的含量非常低，对于这些涂层，磷酸钙的作用更像是骨生长的催化剂，而不是骨生长的原料(meirelles等人，j.biomed.mater.res.a287299-307)。薄涂层通常是指在几周或几个月内在体内迅速溶解。在这段时间之后，完成骨整合的初始步骤，植入物的长期稳定性取决于基材的特性。如果薄的涂层由于某种原因溶解得比期望的快得多，则涂层的效率将大大降低。如果基材本身是具有较弱的整合能力的材料，则这可能导致植入物的锚固强度非常低，因为存在结缔组织会在表面而非骨上形成的风险。peek是形成骨组织能力差的生物惰性材料的一个例子。因此，非常重要的一点是要确保至少在整个骨整合的头几个关键周内，随时间推移保留骨刺激性涂层。

软组织是人体结构(如皮肤、肌腱、筋膜和口腔粘膜)的广义术语。尽管骨整合是一个成熟的研究领域，并且对于愈合成骨的表面的要求是众所周知的，但对软组织整合的了解却很少。通常，对于骨整合表现良好的表面也表现出良好的软组织整合。因此，为了实现软组织整合，该表面应对蛋白质具有高亲和力并具有高表面积。因此，已经证明钛植入物和ha涂覆的植入物具有良好的软组织整合。如wo02/087648中所述，多孔二氧化钛(tio2)和二氧化硅(sio2)涂层也被证明是有效的。

如上所述，磷酸钙矿物质在酸性ph值下具有增加的溶解度，磷酸钙(cap)涂层的吸收是人体中的自然过程。影响体内吸收的另一个重要参数是涂层对基材的粘附强度。在聚合材料上，cap涂层与基材的结合强度比在高电荷表面如钛上弱得多。与钛上的涂层相比，体内放置的聚合物上的涂层因此面临涂层从聚合物基材上分离或分层的更高风险，以及更高的溶解速率。

磷酸锆和磷酸钛(缩写为zrp和tip)是无机层状矿物，最初发现它们具有离子交换特性(kakraus等人，jacs，78(3)694，1956)。如今，磷酸锆通常用于离子交换器中、燃料电池中，并在各种应用中用作催化剂材料。由于其高的电荷密度和吸附其他分子的能力，zrp也已被研究作为药物输送的载体，作为聚合物复合材料和太阳能应用中的一种成分，仅举几个例子。zrp可以在水溶液中合成，这是通过将水溶性zr源如氧氯化锆(zrocl2)与磷源(如磷酸(h3po4)混合。这将沉淀出无定形或结晶性差的zrp。然后可以通过在h3po4或氟化氢(hf)中煮沸将所得产物转变为完全结晶的产物。通过改变合成条件，可以获得不同的zrp多晶型物，例如α-zrp(zr(hpo4)2·h2o)和γ-zrp(zr(h2po4)(po4)·2h2o)。通过将ti前体与磷酸混合，也可以在水溶液中合成tip。然而，ti前体例如ticl4或烷氧基钛在水中水解以形成tio2，因此必须以防止tio2形成的方式进行合成。

关于zrp合成的最初报道使用水溶液中的简单沉淀，没有任何结构导向剂来控制颗粒的生长。最近的研究集中在增加比表面积和粒径，通常是通过使用表面活性剂系统或其他软模板来实现。jimenez-jimenez等人(adv.mater.1998，(10)，10，812-815)描述了在表面活性剂辅助的系统中zrp的合成，其中十六烷基三甲基溴化铵(ctma)作为结构导向剂。结果得到比表面积为250-320m²/g的半结晶粉末，但是没有描述产生表面涂层的方法。

yuko等人(langmuir22(23)，2006，9469-9472)公开了通过使用异丙醇锆、磷酸三乙酯、pluronicp123三嵌段共聚物、硝酸、乙醇和水的混合物旋涂在硅基材上制备有序中孔磷酸锆膜。膜厚度为约275nm。该膜具有高质子传导性。

wo03/069712公开了质子传导陶瓷膜。所述膜包括其上具有涂层的基材，其中所述基材选自织造或非织造非导电纤维。纤维可以是玻璃纤维、陶瓷纤维或它们的组合。涂层包含粒度小于5000nm，优选1-100nm或10-100nm的磷酸锆颗粒。该涂层还可以包含磷酸锆颗粒的附聚物，该附聚物的尺寸为1μm或更大，优选1-25μm。

kr-10-2012-0137710a公开了包含抗菌化合物和多孔材料的抗菌涂料组合物。多孔材料可以选自沸石、磷酸钾、磷酸锆和硅胶。

wo2014/048555描述了一种程序，其中使氧化锆表面与酸性磷酸钠溶液反应以在表面上形成小于1.0nm厚的磷酸根离子单层。在该实施方案中，发现所得的磷酸根离子层很好地粘附于zro2基材。但是，该层不是多孔的zrp或tip涂层。

us2003/0157349公开了一种骨传导材料，其由金属氢氧化物与在金属表面上的诸如-zroh或-tioh的表面物质的复合涂层组成。将涂层浸入磷酸盐缓冲液中并进行热处理，这会在金属氢氧化物的顶部形成磷酸盐层。该涂层由置于金属氢氧化物顶部的磷酸盐组成，不包含纳米级zrp或tip。

x.bai等人(j.environ.monit.,2009,11,326-329)描述了相似的方法，其中传感器是通过首先在玻璃表面上产生zro2涂层，然后施加磷酸溶液到zro2涂层，在zro2涂层上产生磷酸盐的层形成的。注意，作者将此描述为“zrp涂层”，但像wo2014/048555一样，它是zro2层上的磷酸根离子涂层。该zro2/磷酸盐涂层的厚度被描述为0.9μm。

wo2005/123579描述了以涂层形式或粉末形式生产纳米级磷酸钙。这种涂覆方法能够产生非常薄的(<150nm)纳米磷酸钙层。通过将前体溶解在酸性液晶相中来完成颗粒的合成，并通过用氨缓慢升高ph来引发结晶。液晶相用作结构导向系统，其以产生纳米级晶体的方式限制磷酸钙的生长。此方法不适用于zrp或tip的生产，因为这些材料在低ph值下会沉淀，并且将前体添加到液晶相中会引发前体之间的立即反应，从而导致晶体生长不受控制。

在文献中，还描述了由嵌入聚合物基体中的zrp晶体薄膜组成的产品，例如m.wong等人(naturecomm.doi：10.1038/ncomms4589)，其描述了环氧/α-zrp复合材料，或t-chuang等人(rscadv.,2017,7,9908–9913)，其描述了聚氨酯/α-zrp复合材料。尽管这些材料可以作为薄涂层施加在表面上，但是涂层将由被聚合物基体包围的zrp晶体组成，而不是纯zrp。

仍然需要包括加速组织整合的涂层的替代植入物。

技术实现要素：

本发明提供了一种在其表面上包括涂层的基材，该涂层包括磷酸钛、磷酸锆或其混合物，其中该基材是适合在体内使用的植入物。

优选地，涂层是多孔涂层，优选地具有最长尺寸为1至100nm的孔。同样优选地，涂层由磷酸钛、磷酸锆或其混合物组成。

涂层优选是无定形的或具有低结晶度。同样优选地，涂层是连续的。

涂层通常具有约1至约1000nm的厚度。涂层中的zrp和/或tip优选具有约5至约400m²/g的比表面积，如通过氮吸附测量的。

在另一个实施方案中，本发明提供了一种在其表面上包含多孔涂层的基材，该涂层包含磷酸钛、磷酸锆或其混合物，其中该涂层的厚度为1至99nm。优选地，涂层由磷酸钛、磷酸锆或其混合物组成。该涂层是多孔涂层，优选具有最长尺寸为1至100nm的孔。

涂层通常具有约1至约1000nm的厚度。涂层中的zrp和/或tip优选具有约5至约400m²/g的比表面积，如通过氮吸附测量的。

优选地，涂层是无定形的或具有低结晶度。同样优选地，涂层是连续的。

本发明还提供了在基材表面上形成包含磷酸锆或由磷酸锆组成的涂层的第一方法，该方法包括：

a)将包含锆前体的第一油包水乳液与包含磷酸盐前体的第二油包水乳液混合，并使锆前体和磷酸盐前体一起反应以形成纳米级磷酸锆颗粒的分散体；

b)将所述分散体施加到基材的表面上；

c)任选地在基材表面上形成均匀的分散体层；和

d)除去分散体的任何其他成分，以便在基材表面上形成磷酸锆涂层。

作为上述方法的替代方法，可以将上述步骤a)替换为步骤a1)：

a1)将磷酸盐前体添加到包含锆前体的油包水乳液中，或将锆前体添加到包含磷酸盐前体的油包水乳液中，并使锆前体和磷酸盐前体一起反应以形成纳米级磷酸锆颗粒的分散体。

本发明进一步提供了在基材表面上形成包含磷酸钛或由磷酸钛组成的涂层的第二方法，该方法包括：

e)将钛前体添加到包含磷酸盐前体的油包水乳液中，并使钛前体和磷酸盐前体一起反应以形成纳米级磷酸钛颗粒的分散体；

f)将所述分散体施加到基材的表面上；

g)任选地在基材表面上形成均匀的分散体层；和

h)除去分散体的任何其他成分，以便在基材表面上形成磷酸钛涂层。

本发明进一步提供了在基材表面上形成包含磷酸钛和/或磷酸锆或由磷酸钛和/或磷酸锆组成的涂层的第三方法，该方法包括：

a)将包含锆前体和/或钛前体的溶液在有机(非水)溶剂中与包含磷酸盐前体的油包水乳液混合，并使锆前体和/或钛前体以及磷酸盐前体一起反应，形成纳米级磷酸锆和/或磷酸钛颗粒的分散体；

b)将所述分散体施加到基材的表面上；

c)任选地在基材上形成均匀的分散体层；和

d)除去分散体的任何其他成分，以便在基材上形成磷酸锆和/或磷酸钛涂层。

本发明进一步提供了用于增加基材表面的亲水性的方法，该方法包括使用上述本发明的任何方法在基材表面上形成涂层。优选地，基材是聚合物基材，更优选地是peek。

本发明还提供可通过本发明的任何方法获得的涂覆的基材。

基材可以是植入物，例如牙螺钉、髋关节、脊柱融合笼、造口术袋口、骨锚式助听器、牙植入物基台和外部固定装置。基材也可以是期望亲水表面的结构，例如传感器或医疗设备的组件。

附图说明

图1a.使用pluronicl64/对二甲苯/水系统，在钛圆片上的本发明的zrp涂层的sem图像。比例尺＝200nm。

图1b.使用tritonx-100/1-己醇/环己烷/水系统，在钛圆片上的本发明zrp涂层的sem图像。比例尺＝200nm。

图2.在钛圆片上的本发明的tip涂层的sem图像。比例尺＝100nm。

图3.根据本发明的涂覆有zrp的喷砂peek螺钉在低和高放大倍数下的sem图像，比例尺＝200μm和200nm。

图4.对于浸入乙酸或用水超声处理的zrp圆片，用xps测量的zrp总量(计算为zr和p原子％的总和)。

图5.用xps测量的浸没在模拟体液(sbf)中的未涂层和zrp涂层的peek和钛圆片的钙含量。

图6.在模拟盐水溶液中放置1周和2周后，测量未涂覆和zrp涂覆的peek的接触角。

图7.首先用zrp涂层、然后再用纳米ha涂层的peek圆片的sem图像。比例尺＝500nm。

图8.兔胫骨植入后6周，未涂层和zrp涂层的喷砂peek植入物的去除扭矩值。

图9.在不同储存时间后的水在牙植入物螺钉上的液态吸附。●＝热处理的，■＝zrp涂层的，▲＝ha涂层的。

具体实施方式

除非另有说明，否则以下讨论适用于任何类型的基材以及本发明的所有实施方案。

本发明的涂层由磷酸钛(tip)和/或磷酸锆(zrp)形成。优选地，它们直接形成在基材的表面上，而没有中间层或涂层。诸如zrp或tip的酸性磷酸盐基材料会与能够与磷酸盐基团形成键的表面强烈相互作用。因此，涂层对金属如钛和锆，但也对陶瓷如zro2和al2o3以及对聚合物如peek具有高粘合强度。像ha一样，zrp强烈吸附蛋白质和氨基酸，但是ha和zrp之间的一个显著差异是在不同ph下的稳定性。ha在碱性条件下稳定并在低ph值下开始溶解，而zrp的行为却相反，因为它在低ph值下稳定但在碱性条件下开始溶解。这使得zrp对人体自然溶解过程中产生的酸性环境具有高度抵抗力。就酸性条件下蛋白质的吸附和稳定性而言，tip具有与zrp相似的特性，但在碱性ph值下具有更高的溶解度。因此，zrp和tip的涂层在体内将是持久的，例如基本上是永久的。

zrp或tip的植入物涂层将抵抗酸性条件，并且也具有很高的蛋白质吸附趋势。此外，具有纳米范围特征的涂层将增加下层基材的表面能和比表面积，这改善了蛋白质的粘附性。这样的涂层还将增加所讨论的基材的亲水性，无论它是诸如peek的聚合物还是诸如钛的金属。亲水性表面对于骨整合和软组织整合是期望的，但是亲水性表面在其他应用中也很有吸引力，例如，有助于防止传感器中形成气泡并增加导管的润湿性。由于涂层可以做得非常薄且连续，因此它将遵循植入物的底层结构，从而可以保留植入物表面的形貌。由于许多商用植入物被处理为表面粗糙度在微米范围内(表面的算术平均高度(sa)通常为0.5-2μm)，因此，如果要保留微米级的粗糙度，则这些表面顶部的涂层必须薄。

zrp或tip之类的材料比聚合物或金属更脆，如果涂层太厚，这种机械性能差异会导致问题。例如，如果涂覆的聚合物材料受到弯曲力，则涂层和聚合物基材中的尺寸变形将完全不同。因为对于给定的几何形状，任何材料的柔韧性在厚度减小时都会增加，所以薄涂层比厚涂层具有更好的弯曲弹性。因此，当基材是聚合物或金属基材时，具有较薄的zrp或tip涂层是有利的。

基材该涂层可以施涂到任何合适的基材上，包括但不限于由金属如钛及其合金、锆及其合金、不锈钢、钽、niti合金和钴铬合金制成的基材；陶瓷，例如氧化铝、氧化锆、氧化铝增韧氧化锆和si3n4；石墨材料，例如石墨烯和热解碳；硅；以及聚合物，例如聚丙烯、聚乙烯、聚砜(psu)、聚醚酮酮(pekk)、聚(苯乙烯)、聚(碳酸酯)、聚(对苯二甲酸乙二酯)和peek。优选的基材包括钛及其合金、锆及其合金、不锈钢、钽、niti合金、钴铬合金、氧化铝、氧化锆、氧化铝增韧氧化锆、热解碳、聚砜(psu)、聚醚酮酮(pekk)、聚(苯乙烯)、聚(碳酸酯)和peek。更优选的基材包括钛及其合金、不锈钢、氧化锆、氧化铝增韧的氧化锆、热解碳和peek，最优选peek。

优选的基材是用于体内的植入物形式。对于植入物，基材优选是生物相容的。合适的植入物包括牙螺钉、髋关节、脊柱融合笼、造口术袋口、骨锚式助听器、牙植入物基台和外部固定装置。优选的是具有粗糙表面的植入物，以在植入人体或动物体内后加速整合。用于植入物的优选基材包括钛及其合金、不锈钢、钴铬合金、氧化锆、氧化铝增韧氧化锆、热解碳和peek，最优选peek。

本发明的zrp和tip涂层是亲水的。因此，基材也可以是有益于该装置或组件的表面为亲水性的任何装置或其组件。被赋予亲水性的优选基材包括聚合物基材，特别是peek基材。例如，气泡的形成有时会使使用传感器的测量失真。气泡倾向于粘附在疏水表面上，因此根据本发明通过用zrp和/或tip涂覆传感器表面使其具有亲水性可以帮助防止气泡的形成。亲水性表面优选的其他基材包括导管、管材、喷嘴和电缆，例如由聚合材料(例如peek)制成的电缆。因此，进一步优选的基材是传感器或传感器组件、导管和管道。

本发明的涂覆的基材还可用于膜分离、光学器件、包括膜电极组件的电子器件和燃料电池中。

涂层涂层可以存在于基材的整个表面上或仅表面的一部分上。对于植入物，优选地对植入物的面向身体的表面的至少25％(按面积计)进行涂覆，更优选地，至少40％、至少50％或至少70％。

为了保持下面的表面形态，期望薄涂层。厚涂层可能会开裂或显示出基材分层的趋势。优选地，当基材是植入物时，涂层的厚度因此不大于1000nm，例如约1至约1000nm或约5至约1000nm。厚度的下限优选至少约1nm，更优选至少约3nm，甚至更优选至少约5nm，例如至少约10nm。厚度的上限优选不超过约500nm，更优选不超过约300nm，甚至更优选不超过约250nm，例如不超过约200nm。更优选地，涂层的厚度在约5至约150nm或约5至约100nm的范围内。最优选地，涂层的厚度为约10至约40nm。通过将任何上述下限与任何上述上限组合而获得的范围也包括在本发明中。

对于其他类型的基材，涂层的厚度低于100nm，优选约1至约99nm。厚度的下限优选至少约1nm，更优选至少约3nm，甚至更优选至少约5nm，例如至少约10nm。厚度的上限优选不大于约95nm，更优选不大于约80nm，甚至更优选不大于约40nm。更优选地，涂层的厚度在约5至约95nm或约5至约80nm的范围内。最优选地，涂层的厚度为约10至约40nm。通过将任何上述下限与任何上述上限组合而获得的范围也包括在本发明中。

优选地，通过氮气吸附并使用brunauer-emmett-teller(bet)模型测量的涂层中zrp和/或tip的比表面积为约5至约400m²/g。比表面积更优选在约50-350m²/g的范围内。甚至更优选地，比表面积在约100-250m²/g的范围内。无法直接测量涂层中zrp和/或tip的比表面积。而是可以通过煅烧(燃烧)一部分涂料分散体并分析获得的粉末来测量。

本发明的涂层优选是多孔的。多孔的是指涂层能够吸收气体或液体。优选地，涂层具有最长尺寸为约1至约100nm的孔。如本文中所使用的，如果在涂层中的相邻颗粒之间存在允许吸收气体或液体的空间，则由zrp或tip的颗粒形成的涂层也被认为是多孔的。孔径可以使用sem和图像分析来测量。比表面积还可以间接测量涂层的孔隙率。较高的比表面积通常将对应于较多孔的涂层。如上所述，许多植入物具有粗糙化的表面，以加速体内整合。本发明使得可以生产出非常薄的涂层，该涂层保持了基材的下面的表面形态，从而可以在不显著改变粗糙度的情况下涂覆微米范围的特征。

涂层厚度的测量可以通过几种方式进行。对于厚度为1-10nm的极薄涂层，可以使用x射线光电子能谱(xps)粗略估算厚度。由于xps测量的是基材最上层10nm的原子含量，因此返回来自下层基材的信号的xps测量表明该涂层的厚度在1-10nm范围内，前提是该涂层均匀且分布均匀。对于较厚的涂层(例如>10nm至<100nm)，可以例如通过以下方式测量厚度：将涂层溶解在强碱性介质中，并使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp-aes)测量萃取介质的原子含量。在此厚度范围内测量涂层的另一种方法是通过铣削和提起程序，然后进行透射电子显微镜(tem)分析。更厚的涂层(>100nm)可以通过使用扫描电子显微镜(sem)检查涂层基材的横截面来测量。

优选地，涂层由无定形或低结晶度的zrp和/或tip形成。可以通过适当的处理将无定形或低结晶度的zrp或tip转变为高度结晶的zrp或tip，但这是可选的。用于将无定形或低结晶度的zrp或tip转化为高度结晶的材料的方法是本领域已知的。然而，转化为高度结晶的zrp或tip通常需要用沸腾的磷酸或氢氟酸处理或热处理。因此除非基材对处理条件有抵抗力，否则不适合。

方法：

本发明还提供了在基材上形成zrp和/或tip涂层的方法，以及改善或增加基材亲水性的方法。

本发明提供了在基材表面上形成包含磷酸锆或由磷酸锆组成的涂层的第一方法，该方法包括：

a)将包含锆前体和任选的表面活性剂的第一油包水乳液与包含磷酸盐前体和任选的表面活性剂的第二油包水乳液混合，并使锆前体和磷酸盐前体一起反应以形成纳米级磷酸锆颗粒的分散体；

b)优选通过逐滴添加、喷涂或通过将基材浸入分散体中将所述分散体施用于基材的表面；

c)任选地，优选地通过旋转基材、毛细管提取、通过使用重力或通过将压缩气体流施加到基材上，在基材的表面上形成均匀的分散体层；和

d)优选通过热处理、等离子体处理、液体提取或通过这些的组合除去分散体的任何其他组分，以在基材表面上形成磷酸锆涂层。

作为上述方法的替代方法，可以将上述步骤a)替换为步骤a1)：

a1)将磷酸盐前体添加到包含锆前体和任选的表面活性剂的油包水乳液中，或将锆前体添加到包含磷酸盐前体和任选的表面活性剂的油包水乳液中，并使锆前体和磷酸盐前体一起反应以形成纳米级磷酸锆颗粒的分散体。

本发明进一步提供了在基材表面上形成包含磷酸钛或由磷酸钛组成的涂层的第二方法，该方法包括：

e)将钛前体加入到包含磷酸盐前体和任选的表面活性剂的油包水乳液中，并使钛前体和磷酸盐前体一起反应，形成纳米级磷酸钛颗粒的分散体；

f)优选通过逐滴添加、喷涂或通过将基材浸入分散体中将所述分散体施用于基材的表面；

g)任选地，优选地通过旋转基材、毛细管提取、通过使用重力或通过将压缩气体流施加到基材上，在基材的表面上形成均匀的分散体层；和

h)优选通过热处理、等离子体处理、液体萃取或通过这些的组合除去分散体的任何其他组分，以在基材表面上形成磷酸钛涂层。

本发明进一步提供了在基材表面上形成包含磷酸钛和/或磷酸锆或由磷酸钛和/或磷酸锆组成的涂层的第三方法，该方法包括：

a)将包含锆前体和/或钛前体以及可选的表面活性剂的溶液在有机(非水)溶剂中与包含磷酸盐前体和可选的表面活性剂的油包水乳液混合，并使锆前体和/或钛前体以及磷酸盐前体一起反应，形成纳米级磷酸锆和/或磷酸钛颗粒的分散体；

b)将所述分散体施加到固体表面上，优选通过滴加、喷涂或将基材浸入分散体中；

c)任选地，优选通过旋转、毛细管萃取、通过使用重力或通过将压缩气流施加到基材上，在基材上形成均匀的分散体层；和

d)除去分散体的任何其他组分，优选通过热处理、等离子处理、液体萃取或通过这些的组合，以在基材上形成磷酸锆和/或磷酸钛涂层。

本发明进一步提供了用于增加基材表面的亲水性的方法，该方法包括使用上述本发明的任何方法在基材表面上形成涂层。

在本发明的方法中，纳米级是指最长尺寸为1至100nm的颗粒。

优选地，用于本发明方法的每种起始乳液和溶液还包含一种或多种表面活性剂。

钛前体可以是任何合适的钛盐或可以溶解在合适的有机溶剂中的化合物，包括四氯化钛(ticl4)、乙醇钛、异丙醇钛和双(乙酰丙酮)二异丙醇钛。与水接触时，包括ticl4和异丙醇钛在内的许多钛化合物都会水解形成二氧化钛。因此，对于合成磷酸钛涂层，重要的是避免钛前体与水过早接触。因此，优选的钛前体是可溶于有机溶剂的化合物。不溶于水的钛盐或化合物，例如二氧化钛、硫酸钛、碳化钛或磷酸钛不适合用作前体。

锆前体可以是任何合适的锆盐或化合物，包括四氯化锆(zrcl4)、氯氧化锆、硝酸锆、乙醇锆、异丙醇锆和双(乙酰丙酮)二异丙醇锆。为了在第一方法中使用，锆前体应溶于水，以使其存在于油包水乳液的水相中。合适的水溶性前体包括四氯化锆、氧氯化锆和硝酸氧锆。为了用于第三种方法，锆前体应可溶于有机溶剂。合适的有机可溶性前体包括乙醇锆、异丙醇锆和双(乙酰丙酮)二异丙醇锆。

磷前体可以是磷酸(h3po4)、na3po4、na2hpo4、nah2po4、k3po4、k2hpo4、kh2po4,，亚磷酸(h3po3)，次磷酸(h3po2)，或例如亚磷酸三乙酯的亚磷酸酯。优选地，磷前体可溶于水，使得其存在于油包水乳液的水相中。

金属前体和磷酸盐前体可以以任何合适的摩尔比使用，例如以提供zr与磷酸盐的摩尔比为约1：1至约1：3或钛与磷酸盐的摩尔比为约1：2。

在本发明的方法中使用的油包水型乳液优选是微乳液。乳液通常包含表面活性剂，但是潜在地可以使用具有纳米尺寸水性结构域的任何表面活性剂稳定的体系。微乳液一般包含分散相，其以直径约1-100nm，例如直径约10-50nm的液滴或结构域存在，分散在连续相内。在油包水型微乳液中，水形成分散相，而与水不混溶或基本不混溶的有机溶剂(油)形成连续相。为了帮助稳定乳液，表面活性剂通常存在于分散相和连续相之间的界面上(k.holmberg等人surfactantsandpolymersinaqueoussolutions,wiley,isbn0-471-49883-1)。微乳液的一个有益特性是能够润湿并扩散到几乎任何表面上，无论是极性和亲水性表面(例如钛)还是非极性和疏水性表面(例如peek)。

不受理论的束缚，据信在初始油包水乳液中优选表面活性剂衬里的分散水结构域起纳米级(例如，直径在约1至约100nm的范围内)反应容器的作用，其防止正在生长的zrp或tip颗粒碰撞并生长为较大的聚集体。结果是其中水结构域包含分散的纳米级zrp或tip颗粒的分散体。

可以使用各种表面活性剂/溶剂/水的组合来形成用于本发明方法的乳液。适用于本文方法的表面活性剂包括但不限于：非离子表面活性剂，例如(聚环氧丙烷)(ppo)-聚(环氧乙烷)(peo)表面活性剂，例如peo-ppo-peo和ppo-peo-ppo表面活性剂、乙醇乙氧基化物(c-eo)、聚山梨酯、直链醇、脂肪酸酰胺、烷基酚乙氧基化物和聚甘油烷基醚，阴离子表面活性剂，例如烷基磷酸酯、烷基磺酸盐和烷基硫酸盐，和阳离子表面活性剂，例如季铵盐。优选的表面活性剂包括聚(环氧乙烷)-聚(环氧丙烷)-聚(环氧乙烷)(peo-ppo-peo)嵌段共聚物pluronicl64和pluronicp84以及烷基酚乙氧基化物。合适的烷基酚乙氧基化物包括以triton商标购自thedowchemicalcompany的那些，例如tritonx-100，其cas登记号为：9002-93-1，并具有以下通式：

其中n是9-10。

适用于制备起始乳液或溶液的有机溶剂包括与水不混溶或基本不混溶的任何溶剂，例如脂族、芳族和环状烃、醇、酯、醚、酮及其混合物。优选的有机溶剂包括对二甲苯、环己烷和十六烷及其组合。

如果在本文公开的方法中使用两种不同的乳液或乳液和有机溶液，则优选在两者中使用相同的有机溶剂。类似地，优选在两者中使用相同的表面活性剂。在本发明方法的混合步骤中，混合应持续足够的时间，以使金属前体和磷酸盐前体在一起反应，形成tip或zrp。通常，混合应持续约5至24小时，优选约6小时，以确保反应完成。由于zrp和tip不溶于水和所用的有机溶剂，因此它们会沉淀出来，形成zrp和/或tip的胶态分散体。如本文所用，胶态分散体是指分散在液体中的尺寸为约1至约1000nm的颗粒。

可以使用本领域已知的任何技术将分散体施加至基材的表面，包括喷涂、浸涂或通过逐滴添加。可以使用诸如旋涂机之类的装置通过除去过量的涂料分散体来控制涂料液层的厚度，并散布液体以在基材的所有期望表面上形成均匀的层。

将涂料分散体施涂到基材上后，除tip或zrp以外的分散体组分(包括水、有机溶剂和任何表面活性剂)必须除去，仅留下一层磷酸锆或一层磷酸钛。这导致zrp和/或tip的纳米级颗粒附聚或融合在一起，形成连续的多孔涂层。干燥可用于去除水和任何有机溶剂，但是可能需要其他方法来去除存在的任何表面活性剂。去除所有其他成分的一种方便方法是在足够高的温度下进行热处理，以燃烧表面活性剂并蒸发水和有机溶剂。热处理还可以增加磷酸盐化合物与基材之间的粘附力，并且具有提供无菌涂覆的基材的额外好处，这对于能够在工业环境中实施涂覆过程具有吸引力。由于涂层分散体的层太薄，可以在不超过约5-10分钟的短时间内进行热处理。这种短暂的热处理不会影响基材的机械性能。

热处理的合适温度对于钛等金属约为300-550℃，对于聚合物例如peek大约300-350℃。

去除涂料分散体中有机和水性成分的另一种方法是使用适当的溶剂(如异丙醇或对二甲苯)进行萃取，以去除表面活性剂和溶剂。该方法特别适用于不能承受高温处理的材料，例如低熔点聚合物。

除去涂料分散体中有机和水性组分的另一种方法是使用等离子体清洁剂。通过在真空室中用离子化气体(等离子)处理植入物表面，可以将分散体中的任何有机成分(例如表面活性剂)充分氧化并除去，同时水分和有机溶剂将蒸发掉。

本发明方法的一个优点是，它们可用于在包括具有复杂几何形状的基材的所有暴露表面上形成涂层，优选连续涂层。这对于由聚合物制成的植入物特别有利，因为这些植入物通常具有复杂的几何形状并且可能难以使用常规技术在所有表面上涂覆。由于本发明的方法是湿化学技术，因此与诸如化学气相沉积、物理气相沉积或等离子喷涂等视线技术相反，它们非常适合用于涂覆已进行3d打印(增材制造)的复杂结构或涂覆诸如金属泡沫之类的结构。

如前所述，许多植入物具有粗糙化的表面，以加速整合。本发明的方法使得可以生产非常薄的涂层，这使得可以涂覆微米范围的特征而不会显著改变粗糙度。涂层的厚度可以通过例如改变起始乳液或溶液中前体的浓度，通过在旋涂过程中改变转速和/或在旋涂过程中施加压缩空气来改变。控制多孔结构(例如3d打印结构或金属泡沫)上厚度的另一种方法是在干燥步骤之前通过毛细管萃取从结构上除去一定量的涂层微乳液。在这种方法中，将涂覆的基材放置在多孔材料上，该材料具有从涂覆的基材中提取涂覆液的能力。取决于材料、多孔材料的孔径和厚度，提取的涂布液的量可以变化，这继而影响干燥后的涂层的厚度。

tip和/或zrp涂层使它们所施涂的基材表面具有亲水性(对于聚合物)或超亲水性(水接触角<10°)(对于金属)。因此本发明进一步提供了用于增加基材表面的亲水性的方法，该方法包括使用上述本发明的任何方法在基材表面上形成涂层。

尽管多孔涂层优选用于植入物，但是也可以使用无孔涂层。可以使用化学气相沉积、物理气相沉积或等离子喷涂技术在基材上形成无孔涂层。但是，这些技术是视线技术，可能不适合涂覆复杂的结构，例如粗糙的表面、3d打印的结构或金属泡沫。

一旦形成，就可以例如通过添加另外的涂层和/或活性化合物来对tip和zrp涂层进行功能化。活性化合物可被涂层吸附或附着在涂层上。合适的活性化合物包括刺激骨生长或防止细菌生长的物质。能够刺激骨骼组织生长的物质包括但不限于：骨形态发生蛋白(bmp)、双膦酸盐、磷酸钙、钙离子和镁离子。也可能通过防止细菌生长的物质的粘附作用使涂层功能化，这些物质包括但不限于：抗生素，例如庆大霉素或氯己定；内源性物质，例如防御素；或无机抗生素，例如银或锌。

可以通过将涂覆的基材浸入所需活性化合物或活性化合物的混合物的溶液或分散液中来进行功能化。

使用已知的用于涂覆基材的技术，可以在tip或zrp涂层上沉积其他涂层。例如，可以使用wo2005/123579的方法沉积羟基磷灰石或其他磷酸钙层。优选的附加涂层包括无定形磷酸钙、磷酸一钙、磷酸二钙、磷酸三钙、磷酸四钙、羟基磷灰石，磷酸八钙或其混合物，更优选羟基磷灰石。以这种方式，可以在植入物上产生复合涂层，其中顶层可以在几个月内被吸收并刺激骨骼生长，而tip或zrp底层可以作为稳定的基材，不会随着时间的推移而被吸收。

本发明包括本文公开的优选特征的任何和所有组合。特别地，涂覆基材的所有优选特征也是通过本发明的方法可获得的涂覆基材的优选特征。

实施例

以下是本发明的非限制性实施例。

缩略语：

pbs–磷酸盐缓冲盐水

sa-表面的算术平均高度

sbf–模拟体液

实施例1a.zrp涂料分散体的生产。

在烧杯1中，将以下成分混合以形成微乳液：

17.5克pluronicl64(basf)

53.75g对二甲苯(sigma-aldrich)

3.75克h2o

0.500克zrcl4(sigma-aldrich)

在烧杯2中，将以下成分混合以形成微乳液：

17.5克pluronicl64(basf)

53.75g对二甲苯(sigma-aldrich)

3.75克h2o

0.495gh3po485％(fluka)

将烧杯2的内容物倒入烧杯1中，并将所得混合物在磁力搅拌器上放置24小时。

所得的分散体是半透明的，具有轻微的雾度。

实施例1b.另一种zrp涂料分散体的生产。

在烧杯1中，将以下成分混合以形成微乳液：

12.5克tritonx-100(sigma-aldrich)

3.1克1-己醇(sigma-aldrich)

23.5克环己烷

3.40毫升h2o

0.626克zrocl2*8h2o

在烧杯2中，将以下成分混合以形成微乳液：

12.5克tritonx-100(sigma-aldrich)

3.1克1-己醇(sigma-aldrich)

23.5克环己烷

3.40毫升h2o

0.448gh3po485％(fluka)

将烧杯2的内容物倒入烧杯1中，并将所得混合物在磁力搅拌器上放置24小时。

所得的分散体是半透明的并且稍微混浊。

实施例2.tip涂料分散体的生产。

在烧杯1中，将以下成分混合以形成溶液：

17.5克pluronicl64(basf)

53.75g对二甲苯(sigma-aldrich)

0.500克异丙醇钛(sigma-aldrich)

在烧杯2中，将以下成分混合以形成微乳液：

17.55克pluronicl64(basf)

53.75g对二甲苯(sigma-aldrich)

7.5克h2o

0.406gh3po485％(fluka)

将烧杯2的内容物倒入烧杯1中，并将所得混合物在磁力搅拌器上放置24小时。

所得的分散体是半透明的，具有轻微的雾度。

实施例3a.在钛圆片上施加纳米级zrp涂层。

将直径6毫米、厚2毫米的钛圆片用400级砂纸打磨，然后用异丙醇、1mhno3和水清洗。将该圆片放置在旋涂设备上，然后添加实施例1a中制备的85μl涂料分散体。然后使用旋涂设备，将圆片以2200rpm的转速旋转3秒钟。将该圆片在室温下干燥，然后将其放置在炉中5分钟，该炉在富氧气氛中设定为450℃。热处理后，将圆片冷却至室温并通过sem和xps分析。涂层的圆片的sem图像如图1a所示(比例尺＝200nm)。从此高倍放大图像可以看出，涂层具有多孔外观，孔径为10-30nm。

实施例3b.在钛圆片上施加纳米级zrp涂层。

为了检查具有不同组成的涂料分散体的外观，将直径6毫米、厚2毫米的钛圆片用400级砂纸打磨，然后用异丙醇、1mhno3和水清洗。将该圆片放置在旋涂设备上，然后添加实施例1b中制备的85μl涂料分散体。然后使用旋涂设备，将圆片以2200rpm的转速旋转3秒钟。将该圆片在室温下干燥，然后将其放置在炉中5分钟，该炉在富氧气氛中设定为450℃。热处理后，将圆片冷却至室温并通过sem和xps分析。涂层的圆片的sem图像如图1b所示(比例尺＝200nm)。从该图像可以看出，涂层具有与实施例1a中所述的涂料分散体相似的外观。

实施例4.在钛圆片上施加纳米级tip涂层。

根据实施例3，对直径为6mm、厚度为2mm的钛圆片进行粗糙化和清洁。将该圆片放置在旋涂设备上，然后添加实施例2中制备的85μl涂料分散体。然后使用旋涂设备，将圆片以3000rpm旋转10秒。根据实施例3a对圆片进行热处理。将圆片冷却至室温，并通过sem和xps分析。涂层的圆片的sem图像如图2所示(比例尺＝100nm)。可见，该涂层具有类似于zrp涂层的外观，具有多孔的泡沫状结构。孔径在与zrp涂层相同的范围内。在该图像的上部可以看到加工的条纹，有趣的是，这些图案在涂层部分上继续存在，这表明涂层遵循下面的形貌。

实施例5.在peek螺钉上施加纳米级zrp涂层。

用可吸收的喷砂介质(羟基磷灰石，rbmwas180-300，法国medicalgroupcorp)对直径3.5毫米、长4毫米的peek螺钉(由peek-optima，invibioltd.制造)进行喷砂，使其粗糙度(sa)为1.1μm。喷砂前的粗糙度为0.55μm(sa)。溶解rbm介质，并通过将85μl实施例1a中制备的涂层分散体涂覆到植入物上，并在旋涂设备上以2500rpm旋转5秒，涂覆植入物。将植入物螺钉在室温下干燥，然后将其放置在炉中5分钟，该炉在富氧气氛中设定为340℃。热处理后，将螺钉冷却至室温并通过sem和xps分析。低(40x)和高放大倍数(40000x)下涂覆螺钉的sem图像如图3所示。在低放大倍率下(上部图像，比例尺为200μm)，涂层是不可见的，并且可以看出，在该尺寸水平下，涂层不会改变其形貌。在高放大倍率下(下部图像，比例尺为200nm)，可以看见涂层，为基材顶部的多孔层。

实施例6.研究zrp涂层的附着力和耐酸性。

根据实施例5中使用的参数涂覆直径为3.5mm和4mm的机加工peek螺钉。将一组螺钉浸入200ml水的烧杯中，并超声处理5分钟。将另一组浸入ph为4的200毫升乙酸烧杯中。清洁、干燥并通过xps分析螺钉。测量结果如图4所示(用xps测得的zrp总量，计算为zr和p的原子％的总和)。如该图所示，zrp涂层不受超声处理或暴露于酸性ph的影响。

实施例7.zrp涂层的矿化特性研究。

如实施例3a所述，将直径为6mm、厚度为2mm的钛和peek圆片粗糙化并清洗。使用实施例3a中所述的参数涂覆钛圆片。将peek圆片在2500rpm下旋转3秒、在325℃的温度下5分钟并在氧气气氛下涂覆。然后将圆片浸入paacellculturecompany的具有ca和mg的dulbeccopbs(1x)中(模拟体液)。24小时后，将圆片从sbf浴中取出，并用1型(超纯水)水彻底冲洗。使圆片干燥，然后通过xps分析。用xps测量的不同样品上的钙含量如图5所示。从该图可见，在未处理的peek上未检测到钙。对于zrp涂覆的圆片，检测到2.8％的钙。作为比较，该测试中还包括了钛圆片，这些圆片上的钙含量大约是zrp涂覆的peek圆片上检测到的钙含量的两倍(5.6％)。这表明，peek基材上的zrp涂层产生了一个表面，该表面引起矿化作用，这是对骨骼细胞的生长非常重要的特性。

实施例8.研究放在模拟盐水中的peek圆片上zrp涂层的涂层稳定性和亲水性。

根据实施例3a，将直径为6mm、厚度为2mm的peek圆片粗糙化并清洗。如实施例3a中所述，将圆片的一半用zrp涂覆，而另一半不涂覆，用作对照样品。将圆片浸渍在设计成模拟天然海水组成的盐溶液中，其具有24.615g/lnacl、4.105g/lna2so4、11.06g/lmgcl2·6h2o和1.558g/lcacl2·2h2o。用0.2mnaoh溶液将溶液的ph调节至8。圆片的一半涂有zrp，另一半未涂膜，用作对照样品。1和2周后从盐水溶液中取出圆片。将圆片在1型水中清洗，干燥并分析水接触角。分析结果如图6所示。如图所示，在浸入盐溶液之前，zrp涂覆的圆片是亲水的，接触角约为45°，而未涂层的圆片则是疏水的，接触角约为110°。1周和2周后，涂覆圆片和未涂覆圆片的接触角差异大致相同；涂覆的圆片保持亲水性，接触角在45-50°之间，而未涂覆的圆片是疏水的，接触角在90-100°之间。这表明对于zrp涂覆的样品保留了亲水性。

实施例9.zrp和ha的复合涂层的制备。

如实施例3a所述，将直径为6mm、厚度为2mm的peek圆片粗糙化并清洗。将peek圆片放置在旋涂设备上，然后加入75μl实施例1a中所述的涂料分散体。使用旋涂设备，将圆片以1300rpm旋转3秒。将圆片在120℃下干燥10分钟，然后在室温下冷却5分钟。随后将圆片放在空气气氛中设定在325℃的炉中5分钟。热处理后，将圆片冷却至室温。

将涂覆的peek再次置于旋涂设备上，并重复上述过程，不同之处在于所使用的涂料分散体是wo2005/123579的实施例2中所述的分散体。热处理后，将圆片冷却至室温，并通过xps进行分析。该分析显示出8.8％的ca和5.5％的p和痕量的zr，这表明cap涂层的行为与直接在钛基材顶部形成的行为相同。圆片的sem图像如图7所示(比例尺＝500nm)。如图所示，ha层遵循zrp层的底层结构，在zrp涂层的顶部形成均匀的针状ha晶体的薄层。

实施例10.zrp涂覆的peek植入物骨整合特性的体内研究。

根据实施例5对peek螺钉进行喷砂和涂覆。随后将机加工的peek植入物、经喷砂处理的peek和zrp涂覆的植入物(均具有相同的螺钉形状宏观几何形状)植入7只兔子的胫骨中。使植入物愈合6周，然后处死动物，并用tohnichi扭矩计测量植入物的去除扭矩。不同组的去除扭矩值(ncm)如图8所示。可以看出，喷砂处理增加了植入物的锚固强度，从扭转的6.9ncm增大到喷砂的9.1ncm。zrp涂层将锚固强度提高到13.5ncm。zrp涂层与喷砂螺钉的统计显著性(mann-whitneyu)为p(0.05)。这表明zrp涂层将生物惰性peek表面转变为骨整合的表面。

实施例11.储存期间的亲水性研究。

使用实施例1a中所述的涂料分散体，用zrp将粗糙度约为1.0μm(sa)的酸蚀刻后的牙科植入物用zrp涂覆，并在富氧气氛中使用450℃的温度进行热处理。在第二测试组中，根据wo2005/123579，将相同类型的植入物用ha涂覆。在第三个测试组中，使用与zrp和ha处理的植入物相同的温度对相同类型的植入物进行热处理。将所有植入物置于玻璃小瓶中，并保存1、2、4、8和12周。在每个时间段之后，测量液体吸附。每个植入物和每次使用单独的玻璃瓶，即在液体吸附测量之后，将植入物丢弃。通过将植入物放低到装有1型水的烧杯中，直到下部3个螺纹位于水面以下，测量液体的吸附。然后使植入物吸收水30秒，然后将植入物抬起，以使植入物的任何部分都不会接触水表面。然后将植入物放在分析天平上并记录重量。通过比较浸液前后的植入物重量，可以计算出吸附水的重量。这些测量的结果如图9所示(●＝热处理(ht)的，■＝zrp涂覆的，▲＝ha涂覆的)。从图9可以看出，zrp和ha处理的螺钉都随时间保持了亲水性。热处理后的螺钉最初是亲水性的，但是这种亲水性在储存期间会降低。