一种含Ag氟羟基磷灰石涂层及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种生物医用镁金属材料表面改性涂层，特别是一种可用于生物医用可吸收的镁金属植入器械，并具有抑菌功能的含Ag氟羟基磷灰石及其制备方法。
【背景技术】
[0002]镁金属材料由于具有良好的生物相容性、较高的综合力学性能以及可被人体降解吸收的特点，而受到非常广泛的关注。为了解决镁金属降解速率过快的问题，不少文献报道通过表面改性处理，制备涂层后控制其降解速率。在各种表面改性处理方法中，羟基磷灰石表面改性是最具前景的方法之一，这是因为羟基磷灰石能够除了能够有效减缓镁及其合金体内降解速率，也是人骨中的主要无机成分，具有良好的生物相容性和稳定性，能够有效促进成骨，增强植入物与骨的界面，提高内固定效果。
[0003]一般地，金属表面HA改性都是采用湿化学方法，即通过化学反应直接在金属表面生成HA前驱体，再通过后续水热处理转化为HA，例如钛合金表面的HA制备。然而当溶液中有镁离子存在时，前驱体向HA转化过程会受阻，会导致涂层不均匀、脆性大、易脱落。于是经过氟改性的羟基磷灰石(缩写为FHA)成为了解决方法之一。专利号为ZL200910310970.0的专利《生物医用镁或其合金表面的氟取代磷灰石涂层及制备方法》即公开了一种镁金属表面FHA的制备方法。
[0004]另外，对于骨科植入物来讲，由于术后手术部位血供较差、恢复期较长，植入体周围的局部感染是临床上一大难题。为了解决这一问题，有文献报道了掺杂抗菌金属离子的轻基磷灰石。Yanovska等报道在Ti_6Al_4V表面制备银掺杂的HA(Yanovska etal,Silver-doped hydroxyapatite coatings formed on Ti_6Al_4V substrates andtheir characterizat1n, Materials Science and Engineering C 2014(36)215 - 220)。Poon Nian Lim等则报道了 Ag和Si掺杂的HA对微生物的抑制作用。(Poon Nian Lim, etal.The effects of silver,silicon-containing apatite towards bacteria and cellresponses.B1med.Mater.9(2014)015010(9pp))。
[0005]F.B i r 等(F.B i r , e t al.Electrochemical deposit1ns offluorohydroxyapatite doped by Cu2+, Zn2+, Ag+on stainless steel substrates.AppliedSurface Science 258(2012)7021 - 7030.)则采用电沉积法，在316L不锈钢表面制备了含有Ag+、Cu2+、Zn2+离子的氟羟基磷灰石，得到了无定型结构涂层，并且能够有效抑制微生物，其结构和形貌如图1所示。
[0006]在生物医用镁合金表面制备具有抗菌效果的氟羟基磷灰石涂层则具有较大的意义，因为此类涂层如果能够应用，则既能够调节降解速率，又可以原位抑制植入部位微生物、降低术后感染，最终提高治疗效果。
[0007]在专利文献方面，具有抗菌作用的氟羟基磷灰石材料也有公开报道。公开号为CN200610135255.4的专利《牙釉质表面抗菌涂剂及其制备方法》公开了一种含有Cu、Zn元素的缺钙羟基磷灰石或含氟羟基磷灰石，方法是将掺锌或铜的缺钙羟基磷灰石或掺锌或铜的氟羟基磷灰石按配比混合研磨过目筛得到固体粉末。这种方法主要用于制备单独使用的固体粉末，而未提供如何将粉末涂敷在镁合金表面的方法。而公开号为CN02129370.8的专利《一种载银氟磷灰石抗菌剂及其制备方法》则公开了一种载银氟磷灰石的制备方法:首先共沉淀法制备无定形纳米载银氟磷灰石粉体，然后再通过高温煅烧增强其载银效果。该专利也未提供如何在镁合金表面涂覆的方法。其次，高温煅烧工艺(800?1000°C )并不适合镁合金，因为镁合金的熔点普遍低于700°C，在高温下会融化。第三，该公开专利中的分子式为AgxCa1(l_x(PO4)6F2，相当于氟取代了所有的氢氧根，具有非常高的稳定性，可能并不适合于调控医用镁及其合金的降解速率。
[0008]因此，为了改善现有技术的不足，开发一种降解速率可调控且符合临床需求、具有良好的生物安全性基础，同时又能够原位抑制植入体周围细菌生长，且制备方法简便、有效的新型医用镁金属表面含Ag的FHA涂层就具有重要价值。
【发明内容】
[0009]本发明针对现有医用镁金属表面氟羟基磷灰石涂层的不足，以及针对现有含Ag的氟羟基磷灰石在镁合金表面应用时的局限性，提供一种具有原位抑菌功能的Ag改性氟羟基磷灰石涂层及其制备方法。
[0010]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0011]根据本发明一方面，提供一种含Ag氟羟基磷灰石涂层，所述涂层的分子式如下式所示:
[0012]AgxCa10_x(P04)6(0H)2_yFy，其中 0<x 彡 10，0<y<2;
[0013]本发明涂层中包含OH基团，通过调节F含量及羟基含量，调整含Ag氟羟基磷灰石的稳定性，从而调控其降解周期和速率。
[0014]本发明涂层中包含Ag，能够有效抑制细菌增殖，使得涂层在调控镁合金降解速率的同时，起到了植入部位抑制细菌、降低术后感染率的效果。
[0015]本发明涂层的结构由针状或棒状结晶型形状的晶体在表面定向排列组成，且具有10?80%的孔隙率，该孔隙也能够增加骨细胞长入、增加物理结合和界面强度。
[0016]本发明涂层的厚度为0.1微米?500微米。采用这样厚度设计主要从两个方面:①涂层太厚可能容易剥落；②还是考虑到降解数量的问题。涂层太少没有保护作用，太厚的话长时间不降解或降解很慢。
[0017]本发明上述涂层，具有原位抑菌功能，抑菌率> 99%。
[0018]根据本发明第二方面，提供一种上述含Ag氟羟基磷灰石涂层的应用，该涂层应用于医用镁金属表面。
[0019]优选的，所述镁金属包括医用纯镁及镁合金。
[0020]本发明所述涂层，其XRD衍射的主峰(第一强峰)衍射角(2 Θ角)大于25°，而且在衍射角28°附近同样具有较强的FHA衍射峰，8卩:衍射谱上28°对应的(210)晶面具有优先取向的结构特征。由于镁的晶格结构和钛合金、不锈钢等都不一样，导致制备的涂层应用到这些金属后的微观结构不一样。
[0021]本发明上述涂层应用到医用镁金属表面，可以通过调整羟基和氟元素的比例成分、涂层的厚度、孔隙率的大小，从而有效调控医用镁金属降解速率，具有良好的生物相容性和骨整合性，而且能够在植入部位抑菌，降低植入后的感染率，提高治疗效果。
[0022]根据本发明第三方面，提供一种上述生物医用镁表面的含Ag氟羟基磷灰石涂层的制备方法，即电沉积制备法，包括如下步骤:
[0023]步骤一，制备电沉积液:其中，Ca2+离子浓度为0.001?lmol/L，Η2Ρ04_浓度为0.005?lmol/L，F离子浓度为0.0001mol/L?0.lmol/L。揽拌均勾后，加入1X10 5?0.5mol/L的AgNO3，并使用酸或碱(比如盐酸、硝酸、醋酸或氢氧化钠等)将pH值调节至
2.0 ?7.0 ;
[0024]优选的，本步骤中电沉积液可以采用0.03?0.05mol/L的Ca2+、0.01?0.03mol/L 的 H2PO4' I X 1(Γ3?3X10 _3mol/L 的 Γ以及 5 X 1(Γ4?8 X 10 Λιο?/L 的 AgNO3, pH 调节为4?5。这样的成分下，pH值比较适中，如果pH过低，酸性过强，则进行电沉积的镁片或镁器械很容易被腐蚀掉。PH过高、或者钙离子/磷酸根浓度过高，则电镀液本身在还没有使用的情况下，就可能会形成钙化物沉淀，溶液变得浑浊，这样沉积出来的涂层效果不太好。
[0025]步骤二，电沉积制备:将医用镁金属材料或器械接在恒流电源的负极，电源正极接铂电极或石墨电极中的一种，共同浸入(将正负极、镁金属材料或器械共同浸入)步骤一的电沉积液中，保持电流密度为0.01?50mA/cm2，温度为10?80°C，电沉积时间为I分钟?120分钟，电沉积得到含Ag的氟羟基磷灰石涂层。
[0026]优选的，本步骤中可以选用如下较优参数:0.3?6mA/cm2的电流密度，温度可选用50?70°C，时间可选用20?40分钟。这些参数能使得表面涂层的组成单元(棒状结晶)长的比较均匀、结合力更高，而且在电沉积过程中，如果电流密度太大，则容易形成很大的氢气泡，导致涂层非常不均匀，而电流过小，则镁片容易被腐蚀、涂层沉积不上、基体被腐蚀。
[0027]本发明所述方法进一步包括步骤三，即后处理步骤:为了进一步稳定氟羟基磷灰石中的Ag元素，将步骤二中电沉积得到的涂层纯镁或其合金，浸泡在I X l(T4mol/L?2mol/L的AgNOjK溶液中，浸泡时间为I分钟?60分钟，最终得到含Ag的氟羟基磷灰石涂层。
[0028]本发明制备方法:首先在电沉积液中，加入了含有银离子的成分后，在镁金属表面电沉积涂层；其次经过硝酸盐溶液浸泡，进一步加强其稳定性，保证Ag含量的均匀性。
[0029]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0030](I)该涂层能够有效抑制细菌增殖，使得涂层在调控镁合金降解速率的同时，起到了植入部位抑制细菌、降低术后感染率的效果。
[0031](2)该涂层采用较低温度(10?80°C )下的电沉积法，无任何高温煅烧等工序，适合在镁金属表面进行涂层处理，表面结合力高，工序简便，具有较高的现实价值。且进一步的，通过后处理使得含Ag的结构更加稳定，Ag元素能够长期持续释放，具有较长周期抗菌效果。
[0032](3)本发明通过调节F含量及羟基含量，调整含Ag氟羟基磷灰石的稳定性，从而调控其降解周期和速率，使涂层适用于不同的使用部位和要求；且表面具有一定的孔隙率，利于骨长入、提高植入物的结合力。
【附图说明】
[0033]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0034]图1为现有技术的不锈钢表面氟羟基磷灰石涂层结构和形貌图；
[0035]图2为本发明实施例1中扫描电镜拍摄的含Ag FHA微观组织照片。
[0036]图3为本发明实施例1中制备的涂层照片。
【具体实施方式】
[0037]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0038]实施例1
[0039]在高纯镁螺钉表面电沉积含Ag的FHA涂层。
[0040]第一步，配制电沉积液，使其离子浓度为:0.04mol/L的Ca2+、0.02mol/L的H2PO4'2X l(T3mol/L 的氟离子 F_以及 6 X 10 Λιο?/L 的 AgNO3, pH 调节为 4.4。
[0041]第二步，在电流密度4mA/cm2、温度60°C条件下，对高纯镁接骨螺钉电沉积30min。
[0042]第三步，将电沉积取得的带涂层骨钉浸泡在0.05mol/L的AgN03水溶液中，浸泡时间为20分钟，最终得到含Ag的氟羟基磷灰石涂层。