专利名称：用生物相容性氟－羟基磷灰石涂敷的生物相容性植入物及其涂敷方法
背景技术：
发明领域本发明涉及用生物相容性氟-羟基磷灰石涂敷的生物相容性植入物及其涂敷方法，具体涉及涂敷羟基磷灰石(HA)和氟-羟基磷灰石到具有出色生物相容性和力学性能的生物相容性植入物钛(Ti)金属基质上的方法以及基于上述方法涂敷的生物相容性植入物。
背景技术：
人体可腐蚀其体内的某些金属。基于其接近人体骨环境的出色生物相容性、出色的力学性能和在与生物相容性组织反应中对人体无害，生物相容性植入物钛(Ti)广泛用作牙科领域及整形外科植入物的生物相容性材料。
近来，为增强骨整合在通过物理和化学方法提高材料表面性能上做了很多努力。在上述努力中，一般使用涂敷磷灰石的方法。用作涂层的羟基磷灰石与人体硬组织如骨、牙等有非常相似的结晶和化学特性。因此，当将其植入活体中时，不会有任何生物相容性组织问题和毒性反应，并与周围组织有出色的相容性。
用于本发明生物相容性植入物的陶瓷涂层的磷灰石的化学式可以表示为下式(1)。
Ca10(PO4)6Z2(1)其中Z代表OH、F、Cl或类似化合物。主要由OH和F组成的磷灰石在自然界存在。OH代表羟基磷灰石，而F代表氟磷灰石。在化学稳定性上有差别。
一般来说，已知氟磷灰石有比羟基磷灰石更好的化学稳定性。另外，已知基于工作基团OH和F互相取代形成氟-羟基磷灰石，氟磷灰石和羟基磷灰石在全部比例范围内形成固溶液。随着氟取代量增加，化学安全性增加。
具体而言，在牙科医学领域，有很多关于氟离子自身作用的报道。当它用作牙齿修复结构材料时，添加氟离子是为了去除牙垢和增强结晶，同时在形成骨方面具有重要作用。
在使用磷灰石的生物相容性和生物活化取代人体组织中损伤的牙或骨方面做了某些努力。然而，已知磷灰石具有机械强度和断裂韧性差的缺点。因此，磷灰石用作需要高机械强度和断裂韧性的人体硬组织材料如人工牙科植入物或髋关节时不好。磷灰石有限的用于不需要机械强度的部分，如内耳中的骨。
为了克服磷灰石的上述力学问题，在将磷灰石作为涂层涂敷到具有出色力学性能金属或陶瓷上做了很多努力。然而，在最广泛使用的方法中，使用了TPS(钛等离子体喷涂)方法。然而因为这种方法在非常高温度(6,000～15,000℃)下进行，磷灰石相容易分解，以至于不可能获得纯且均匀的组合物。此外，用钛基质通过形成50～200μm的薄涂层不可能增强粘附强度。因此，在相对于钛基质的界面发生脱落且表面粗糙度高。因此，对于在沟中形成有负作用。
此外，根据研究结果，已知随着表面粗糙程度增加，骨整合也增加。因此使用喷砂方法作为增加表面粗糙度的方法。最广泛使用的是用二氧化钛作介质的喷砂方法。
因为只基于使用二氧化钛的喷砂法无法获得理想粗糙度，建立了使用Al2O3的方法。然而，使用氧化铝的方法在增加表面粗糙度上有优势，但显然不知道植入物表面存在的氧化铝是否影响人生物相容性。因此以上方法实际上没用于临床用途。
另外使用酸蚀方法。因为仅基于酸蚀工艺该方法不能获得理想的表面粗糙度，优选以上方法与喷砂方法一起使用。然而，在此情况下工艺变复杂。
发明内容
因此，本发明的一个目的是为生物相容性提供用氟-羟基磷灰石涂敷的生物相容性植入物及其涂敷方法。
本发明的另一个目的是提供涂敷羟基磷灰石(HA)和氟-羟基磷灰石到具有出色生物相容性和力学性能的生物相容性植入物钛金属基质上的方法。
本发明中，用溶胶-凝胶法制备磷灰石溶胶以获得根据本发明的高质量涂层膜。
为达到以上目的，在生物相容性植入物的表面处理方法中，提供生物相容性植入物的氟-羟基磷灰石涂敷方法，其中包括制备羟基磷灰石溶胶的步骤、制备氟-羟基磷灰石溶胶的步骤、涂敷羟基磷灰石溶胶和氟-羟基磷灰石溶胶到钛植入物上的步骤，以及对于用二氧化钛涂敷的生物相容性植入物钛基质热处理的步骤。
优选实施方案的具体描述对于根据本发明的生物相容性植入物，钛表面处理方法的优选实施方案将参考
图1是说明根据本发明的涂敷工艺流程的图。
图2是描述对于根据本发明的生物相容性植入物而涂敷磷灰石到钛上的溶胶-凝胶旋转方法。如图所示，基于快速旋转方法磷灰石溶胶均匀涂敷到生物相容性植入物表面上。
图3是扫描电子显微镜(SEM)照片，说明使用根据本发明的溶胶-凝胶旋转方法制造的磷灰石涂敷到生物相容性植入物钛表面的形状。工艺以这种方式实施，即，使用0.5mol的羟基磷灰石溶胶在4,000rpm进行旋涂工艺60秒，然后进行热处理工艺。图3A是涂敷羟基磷灰石的形状的低放大倍数表面照片。如图所示，已知羟基磷灰石涂层以螺旋形状均匀涂敷到牙科植入物表面上。图3B是涂敷羟基磷灰石的形状的高放大倍数表面照片。如图所示，羟基磷灰石涂层是致密的薄层并具有植入物表面形状。图3C是涂敷羟基磷灰石的形状的高放大倍数cur表面的照片。如图所示，已知涂层厚度是约1μm。
图4是由X射线衍射分析获得的图，它是关于在根据本发明制造的钛表面形成的羟基磷灰石和氟-羟基磷灰石涂层在500℃温度下热处理1小时后形成的图像。在此情况下，显示已经形成典型磷灰石结晶。
图5是说明在根据本发明制造的钛表面形成的羟基磷灰石和氟-羟基磷灰石涂层的溶解度的图，并给出从涂层洗脱的钙离子量的分析结果。羟基磷灰石涂层的离子洗脱速度最快，75mol％氟-羟基磷灰石涂层最慢，25mol％和50mol％氟-羟基磷灰石涂层的速度位于二者之间。即，已知随着氟离子取代量增加，涂层的离子洗脱速度降低。用具有不同离子洗脱速度的磷灰石材料涂敷的植入物适合于实际生物相容性材料中需要特定生物相容性活化的部分，以至于不可能实现出色的生物相容性。
图6是说明MG63细胞培养5天后细胞的增值能力的图，以检测在根据本发明制造的钛表面形成的羟基磷灰石和氟-羟基磷灰石涂层的细胞反应特性。如图所示，已知细胞在所有磷灰石涂层上生长良好。
图7是说明生长于磷灰石涂层上细胞分化程度的测量结果的图。细胞生长10天后检测碱性磷酸酶(ALP)的活化程度。细胞分化代表细胞活化和作为形成骨中增殖后步骤的骨形成的功能特性。ALP活化是代表细胞分化的重要指标。纯钛用作对照组。在使用磷灰石涂敷的情况下，得到远高于纯钛的特定ALP活化程度。以上结果说明可以通过在钛上涂敷磷灰石来增加生物相容性。具体而言，在氟-羟基磷灰石的情况下，得到与羟基磷灰石涂层相似的细胞分化程度。因此，以上已表明作为植入物生物相容性材料用途的可能性。
将详细描述本发明的实施例。
<实施例1>
制造羟基磷灰石溶胶的步骤包括作为钙材料的Ca(NO3)2·4H2O溶于乙醇C2H5OH中并搅拌以制备钙溶液的步骤、作为磷材料的P(CH3CH2O)3和蒸馏水(H2O)溶于乙醇C2H5OH中并搅拌以制备磷溶液的步骤、钙溶液和磷溶液混合并搅拌的步骤，和陈化以上溶液的步骤。
钙溶液和磷溶液的特征在于钙和磷混合的摩尔比是1.67。以上溶液在室温下陈化60小时-80小时，然后再在35℃-45℃陈化20小时-30小时。
<实施例2>
制备氟-羟基磷灰石溶胶的步骤包括作为钙材料的Ca(NO3)2·4H2O溶于乙醇C2H5OH中并搅拌以制备钙溶液的步骤、作为磷材料的P(CH3CH2O)3和蒸馏水(H2O)溶于乙醇C2H5OH中并搅拌以制备磷溶液的步骤、NH4F加入磷溶液中的步骤、钙溶液和磷溶液混合并搅拌的步骤，和陈化以上溶液的步骤。
加入NH4F步骤的特征在于有关F-和OH-的比是25mol％、50mol％和75mol％。
<实施例3>
涂敷磷灰石溶胶到钛基质上的步骤包括向生物相容性植入物钛基质上涂磷灰石溶胶以润湿钛基质的步骤、用旋涂装置进行旋涂工艺的步骤、干燥涂敷磷灰石溶胶的钛基质的步骤，和热处理钛基质的步骤。
旋涂工艺以旋转操作于2,500-3,500rpm进行10秒-30秒的方式进行。在400℃-600℃实施以上热处理1-2小时。
如上所述，在本发明中，可以通过涂敷磷灰石到生物相容性植入物钛上来增强生物相容性，从而实现良好骨整合。
此外，因为使用溶胶-凝胶方法进行磷灰石涂敷，可以简化工艺并实现薄而均匀的膜。
溶胶凝胶磷灰石涂敷方法可以通过旋涂实现在复杂形状的牙根形植入物表面涂敷均匀薄膜。因此，本发明可以很好适用于具有复杂形状的其它生物相容性植入物的涂敷工艺。
此外，根据本发明的氟-羟基磷灰石和羟基磷灰石涂层在溶解速度上有某些差异，使得可以有效控制植入物的生物相容性活化。实现功能性梯度涂敷是有可能的，其中通过制造羟基磷灰石作为外层和氟-羟基磷灰石层作为内层而使生物相容性活化具有一致的差异。
氟离子被包含在生物相容性植入物表面，以此方式实现氟离子具有的有益生物相容性特性是有可能的。
预期根据本发明制造的生物相容性植入物的需求将增加，基于其大量生产特性可以实现充足供应。
因为在不偏离其实质或基本特征的条件下可以几种方式实施本发明，也应该理解除非另外说明，上述实施例不受前述的任何细节限制，而应该广义的解释为位于所附权利要求限定的实质和范围内，因此落在权利要求界限(meets and bounds)之内的所有改变和改动或这些界限的等价物都包括在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.生物相容性植入物的表面处理方法中，生物相容性植入物的氟-羟基磷灰石涂敷方法，包括以下步骤制备羟基磷灰石溶胶的步骤；制备氟-羟基磷灰石溶胶的步骤；涂敷羟基磷灰石溶胶和氟-羟基磷灰石溶胶到钛植入物上的步骤；和热处理涂敷二氧化钛的生物相容性植入物钛基质的步骤。
2.权利要求1的方法，其中所述制备羟基磷灰石溶胶的步骤包括以下步骤作为钙材料的Ca(NO3)2·4H2O溶于乙醇C2H5OH中并搅拌以制备钙溶液的步骤；作为磷材料的P(CH3CH2O)3和蒸馏水(H2O)溶于乙醇C2H5OH中并搅拌以制备磷溶液的步骤；钙溶液和磷溶液混合并搅拌的步骤；和陈化以上溶液的步骤。
3.权利要求2的方法，其中钙溶液和磷溶液的混合溶液的特征在于钙和磷混合的摩尔比是1.67。
4.权利要求2的方法，其中所述混合溶液在室温下陈化60小时-80小时，然后再在35℃-45℃陈化20小时-30小时。
5.权利要求1的方法，其中所述制备氟-羟基磷灰石溶胶的步骤包括以下步骤作为钙材料的Ca(NO3)2·4H2O溶于乙醇C2H5OH中并搅拌以制备钙溶液的步骤；作为磷材料的P(CH3CH2O)3和蒸馏水(H2O)溶于乙醇C2H5OH中并搅拌以制备磷溶液的步骤；NH4F加入磷溶液中的步骤；钙溶液和磷溶液混合并搅拌的步骤；和陈化以上溶液的步骤。
6.权利要求5的方法，其中所述添加NH4F步骤的特征在于有关F-和OH-的比是25mol％、50mol％和75mol％。
7.权利要求1的方法，其中所述涂敷磷灰石溶胶到钛基质上的步骤包括向生物相容性植入物钛基质上涂磷灰石溶胶以润湿钛基质的步骤，用旋涂装置进行旋涂工艺的步骤，干燥涂敷磷灰石溶胶的钛基质的步骤，和热处理钛基质的步骤。
8.权利要求7的方法，其中旋涂工艺以旋转操作于2,500-3,500rpm进行10秒-30秒的方式进行。
9.权利要求7的方法，其中所述干燥工艺在70℃-90℃温度下进行5-7小时。
10.权利要求7的方法，其中所述热处理在400℃-600℃进行1-2小时。
11.由权利要求1-10的方法制造的涂敷氟-羟基磷灰石的生物相容性植入物。
全文摘要
本发明涉及用生物相容性氟－羟基磷灰石涂敷的生物相容性植入物及其涂敷方法，具体涉及涂敷羟基磷灰石(HA)和氟－羟基磷灰石到具有出色生物相容性和力学性能的生物相容性植入物Ti金属基质上的方法以及基于上述方法涂敷的生物相容性植入物。以这样一种方式使用溶胶凝胶方法将磷灰石涂敷到具有高力学物理性能的钛基质上可以最大化磷灰石自身的力学性能和生物相容性以及基质的生物相容性活化特性。可以基于两种磷灰石的溶解度差异通过涂敷羟基磷灰石和氟－羟基磷灰石双层来调节生物相容件活化。
文档编号A61L27/32GK1771062SQ03826485
公开日2006年5月10日 申请日期2003年7月24日 优先权日2003年5月21日
发明者金铉二, 金海源, 郑性旻, 申相完, 朴准奉, 禹利炯, 李百洙 申请人:登腾株式会社