一种制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生溶液及仿生方法

专利名称：一种制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生溶液及仿生方法
技术领域：
本发明涉及一 种在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸,丐涂层的仿生溶液和仿 生方法，它适合对,狄钛合金表面进行表面生物活化处理，应用于骨植入体。
技术背景-
f狄钛合金因其优良的生物相容性在医用骨修复材料领域得到广泛的应用。 但是由于其生物惰性，与骨组织的界面结合处往往存在纤维结缔组织，界面的结 合弓雖不足。因此，必须对f狄钛合金的表面进行表面生物修饰，以提高其表面 骨诱导性。
对钛及钛合錢行表面羟基磷酸牵丐涂层处理可以显著地提高钛及钛合金表面 的骨组织诱导性，提高与骨组织的界面结合强度。因此，在商业钛及钛合金骨植 入体表面大多要进行表面羟基磷酸转涂层处理。但是，在实际的骨组织中并不存
在等化学比的羟基磷酸转，而是不同程度i也缺乏Ca、 P和—OH。并且大量的其 它元素和基团存在于骨组织中，例如碳酸根含駄到8 wt.%，微量元素(含量小 于lwt.%)有Na、 Mg、 K、 Zn、 Sr、 Ba、 Cu、 Al、 Fe、 F、 Cl禾卩Si等。类骨磷 酸韩结构中的替代物影响其溶解性、表面化学性质和晶体生长的形态及表面的生 物活性，特别是Si。结构中含有Si的羟基磷酸药较等化学比羟基磷酸转表现出 更好的生物活性。
Si广泛i也存在于哺乳动物体内。血清中大约含Si lppm，肝脏、肺、肾、和 肌肉中约含有2-10ppm的Si。在骨和韧带中含有100ppm的Si，在软骨和其它 结缔系统中含200-600ppm的Si。在软骨和脐带束结缔系统中的类似于透明质酸、 硫酸软骨素、硫酸真皮素和硫酸乙酰肝素这样的细胞外基质中的含量高达 200-550ppm。
硅可以促进造骨细胞的增殖、分化和胶原质产生。人骨细胞培养时补充硅， 骨生成增加。例如，硅补充水平在0-50mM(0-1.4ppm)，胶原I型合成增加1.8倍， 同时碱性磷酸酶和骨钙活性增加1.5禾卩L2倍。采用来自含硅磷酸钙(Si-TCP)的水合硅i咅养老鼠骨细胞，结果表明Si剂量影响造骨细胞和破骨细胞的响应。 Si的水平为0-100ppm可刺激造骨细胞，而破骨细胞则显示出更复杂的响应。在 低于30ppm时，Si刺激破骨细胞的发展，而高于30ppm时阻碍破骨细胞发展和 再吸收。采用生物玻璃的离子产物培养老鼠头骨细胞，表明可以显著促进老鼠头 骨细胞体外环境培养的细胞的增殖、分化、胶原分泌以及提高发育能力。
硅含量X寸软骨合成有刺激性作用，并且对生理学再吸收过程也有影响。小牛 在持续23周接受充足的正硅酸后血浆中硅水平增加70%，并且相应地软骨中胶 原质含硅量增加。硅影响生物体重变化和健康发育。硅缺乏可以导致小鸡体重增 加缓慢，硅缺乏还有可能导致小鸡的鸡冠、皮肤和骨头的畸形。小鸡血清中硅含 量低，这些会引起胫骨、骨节和跖骨端部变形。
硅对骨骼的形成和矿化有重要的作用。当钙磷重量比低时(0.7)，在钙化的 早期阶段，硅的水平在0.5^/。，矿itit—步发展，钙磷比接近于羟基磷酸转的水 平(1.67)时，硅的水平降低。水化硅的存在矿化过程中直接起作用，在阻碍羟 基磷酸转沉淀的蛋白质存在的情况下，Si(OH)4形式的水合硅可诱导电解质溶液 中的羟基磷酸转沉淀。硅影响骨的重建过程。硅缺乏的老鼠体内小梁骨体积减少 48%,而接正硅酸溶液或雌二醇治疗的老鼠在破骨细胞面积方面降低20%。与缺 乏硅的老鼠比较，硅充足的老鼠的骨生长率增加38.3%。硅缺乏的老鼠还观察到 了头骨和牙齿珐琅质的畸形以及骨的水和甘油缺乏。
介于Si对生物体特别魏骨形成和生长的影响，研究者将含Si羟基磷, 作为一种生物材料。已经有文献报道了含硅羟基磷酸钙(Si-HA)和含硅磷酸转 (Si-TCP)出众的生物学性能。体内试验研究比较了 Si-HA和羟基磷酸鈣(HA) 颗粒的生物活性，表明在Si-HA颗粒中比HA颗粒对照样中骨内长入增加14.5%。 在Si-HA和HA与骨界面磷灰石形态和事件的顺序不一样。6周后在骨/Si-HA 界面形成组织化的胶原小纤维，而对于HA这些结构在12周才形成。骨的粘附、 内长入和调整重建很明显受到Si-HA中Si含量的影响。长期的研究结果表明 初始的Si-TCP基支架1年以后仅有10-20%保留，支架在2年后完全被吸收被 新形成的片状骨组织代替。与之对比有相同孔隙度等化学比的HA支架5年后仍 非常完整。Si-HA和Si-TCP两者都支持造骨细胞从单核先躯体发展，并且桐刺-可以被破骨细胞吸收。Si-HA和Si-TCP还表现出随着体内形成新基体的增加类 似破骨细胞的骨生成。
4因此，采用含硅的羟基磷酸鈣对钛及钛合錢行表面处理已经成为提高钛及 钛合金表面骨细胞相容性的有效途径。研究者发展了多种在钛及钛合金表面形成 含硅羟基磷酸钙的工艺和方法。

发明内容
本发明的目的就是提供一种可应用于钛及钛合金表面制备含硅羟基磷酸药涂 层的仿生溶液和含硅羟基磷酸转涂层的仿生制备方法，解决钛及lt合金表面骨细 胞相容性等问题。
本发明的技术方案是
本发明在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷,涂层的仿生溶液，在常规的模
拟人体〗械(SBF)中，通过添加一定比例的含SiO/'溶液。溶液中的各离子浓度 为(毫摩尔/升，mM) :HP042-, 1.0; Ca2+,2.5; Na+, 142; HC03 4.2; CI-, 147; Si032—, 0.5-20.0; SO42-,0.5; Mg2+,1.5; IC,5.0。其中，SiO/的浓度最佳为(毫摩尔/升， mM): 1.0-10.0。
本发明的采用所述的仿生溶液制备含硅羟基磷酸转涂层的仿生方法，主要包 括以下几步组成Ca(OH)2+Na(OH)混合碱处理、热处理、仿生溶液中浸泡和后续 热处理。
Ca(OH)2+Na(OH)混合碱处理的目的就是在钛或钛合金表面产生三维的空隙 结构，同时在表面形成含Ca离子的预处理层。表面三维空隙结构的形成可以吸 附含Si羟基磷酸拷的沉积，而Ca离子预处理层的形成可以与表面吸附的羟基磷 酸牵丐层形成化学健合。因此，在钛或钛合金表面形成三维的空隙结构和含Ca离 子预处理层可以促进后续仿生含Si羟基磷酸钙涂层的形成。混合碱溶液中的 Ca(OH)2含量影响表面预处理层中Ca离子在含量，也影响含Si羟基磷酸钙的沉 积速度。本发明Ca(OH)2+Na(OH)混合碱水溶液中饱和Ca(OHM本积浓度在0-140 mL/L (优选范围为1-80 mL/L)， Na(OH)的浓度为1-6 mol/L (优选范围为3-5 mol/L)，混合溶液温度在60-90°(:，处理时间6-48小时。
热处理的目的就是使钛及钛合金表面的物理形貌和化合物发生改变。钛或钛 合金在不同的温度热处理，可以在表面形成不同结构的氧化钛，例如金红石结构 氧化钛、锐钛矿结构氧化钛或者两者的混合物。而经过混合碱处理后的钛或钛合 金表面含有Ca离子预处理层，因此也可能在钛及钛合金表面形成钛酸转。表面 氧化钛的结构以及混合比例、钛酸钙的形成都将影响表面含Si羟基磷酸钙涂层的形成及形成速度。在本发明中，钛及钛合金热处理温度在400-800 °C，最佳处理 ^Jt550-750。C，处理时间在0.5-3.0小时。
本发明所涉及的仿生制备工艺中最为关键的一步就是将经过混合碱处理和热 处理后的钛或钛合金放入到本发明所涉及的仿生溶液中浸泡，该仿生溶液即是前 述的在常规的模拟人体体液中添加一定比例含SiOf的仿生溶液。由于仿生溶液 中存在多种离子，因此可能形成多种反应产物，例如Si03—2可能与其它的阳离子 形成硅酸盐，而不是取代羟基磷酸转中的磷酸根，形成含Si的羟基磷酸l丐。影响 溶液中反应析出产物的不仅有离子的种类、浓度，还有溶液的温度和酸碱度。本 发明在常规模拟條的基础上，以SiCV-的形式在溶液中引入Si离子。S3i调节 溶液中SiO/'离子的浓度，控制溶液的酸碱度和Mit，抑制硅酸盐的形成，确保
含硅羟基磷酸钙的形成。本发明涉及的仿生溶液浸泡的温度在37士rc，溶液酸
碱度(pH值)不大于9.0，最佳为7.4-9.0，浸泡时间在l-7天。
本发明所涉及的仿生制备工艺中后续热处理主要是通过热处理调节表面含硅
羟基磷酸转涂层的晶化程度，表面结合强度。后续的热处理温度在200-1000 °C，
处理时间在0.5-48小时。
采用本发明的仿生溶液，在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸鈣涂层，获得
含硅羟基磷酸钙涂层厚度为5-15■，涂层中的Si含量在0.1-2.0wt%范围内。 本发明的有益效果是
1 、采用本发明可以在纯钛或钛合金表面形成一定厚度的含硅羟基磷酸转涂 层，该涂层可以诱导骨细胞的生长，可以应用于钛或钛合金骨植入材料的表面生 物改性。
2、本发明仿生溶液和仿生方法可以在钛或钛合金表面形成含不同Si含量的 羟基磷酸转涂层，提高钛及钛合金表面的骨组织相容性。该方法特别适合X寸钛或 钛合金表面进行生物活化处理，应用于钛或钛合金骨植入体。


图1是实施实例]中钛表面含硅羟基磷酸钙涂层微观形貌。 图2是实施实例2中钛表面含硅羟基磷酸钙涂层微观形貌。 图3是实施实例3中钛表面含硅羟基磷酸转涂层微观形貌。
具体实施例方式
通过下述实施例可以更好地理解本发明，但这些实例并不用来限制本发明。本发明在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸f丐涂层的仿生溶液，在常规的模
拟人体体液(SBF)中，通过添加一定比例的含SiC^溶液。溶液中的各离子浓度 为(毫摩尔/升，mM) :HP042-, 1.0; Ca2+,2.5; Na+, 142; HCO/,4.2; CT, 147; Si032-, 0.5-20.0; SO42-,0.5; Mg2+，1.5; K—， 5.0。其中，硅酸根(SiO^)以可溶性硅酸盐 的形式加入，如硅酸钾、硅酸钠等。
涂层结合强度的测定仿生含Si羟基磷酸f丐涂层与基体钛或钛合金的结合强
度按照国家标准GB5210-85。测i^^it为25。C，测试仪器为美国Instron5500R 万能材料试验机。测试条件应变速率为0.5 mm/min，试验环;1M度为50%。载 荷采用匀变加载方式。
表面涂层Si含量的分析经过仿生处理的试样表面干燥，真空镀膜，然后在 Mtachi S—4700型(带能谱仪EDS)扫描电子显微镜对喷金后试样表面进行观察。 利用能谱仪EDS对合金平面进行微区成分分析。
表面涂层结构分析表面涂层的物相分析采用小角X射线衍射方法。实验仪 器为日本理学电机(Rigaku) D/max_ Y B型旋转阳极X射线衍射仪。测试条 件是采用Cu靶Ka射线衍射(XM).15418nm)，加速电压45KV，电流50mA。 掠射角2°，扫描范围20: 20°-100°，扫描速度5。/min。同时，将表面涂层从钛 及钛合金表面刮下，与KBr混合后压片(2mg样品/100mgKBr)。然后进行傅 里叶红外光谱仪(FTIR， Nicolet5DX)分析。其分辨率为4 cm"，波数范围4004600 cm隱1。
将商业纯钛(TA2) i式样，尺寸在15xl5x2mm，在Ca(OH)2+Na(OH)混 合碱水溶液中处理12小时，其中饱和Ca(OH)2的体积浓度在10 mL/L， Na(OH) 浓度为5mol/L，溶液温度在90。C。然后将处理后试样在400。C热处理2.0小时。 随后在仿生溶液中37 °C浸泡3天，仿生溶液中Si032—的浓度为1 mM， SiO '以 硅酸钠的形式加入，酸石戯为7.5。最后，将处理后的试样在300 °C处理24小 时。本实施例中，含硅羟基磷酸钙涂层厚度为10拜，钛表面含硅羟基磷酸f丐涂 层微观形貌见图1 。
经小角X射线衍射分析得知，表面涂层以羟基磷酸药为主，同时检测到二氧 化钛和基体钛。傅里叶红外光谱仪分析，可见-OH， P04和Si04功能团的谱峰。 扫描电镜能谱分析得知表面涂层的81含量在0.25%重量百分数。分析结果表明钛表面确实形成了 Si04功能团部分取代的羟基磷酸钙层。结合强度测得涂层与基
体的界面剪切强度为17MPa。
实施例2:
将商业纯钛(TA2)试样，尺寸在15xl5x2mm，在Ca(OH)2+Na(OH)混 合碱水溶液中处理48小时，其中饱和Ca(OH)2的体积浓度为20 mL/L， Na(OH) 浓度为4mol/L，溶液^lt在80。C。然后将处理后试样在800°C热处理1.0小时。 随后在仿生溶液中37。C浸泡5天，仿生溶液中8 332'的浓度为5 mM， SiO,以 硅酸钾的形式加入，酸碱度为8.0。最后，将处理后的试样在800 °C处理0.5 小时。本实施例中，含硅羟基磷酸f丐涂层厚度为7 ,，钛表面含硅羟基磷,涂 层微观形貌见图2。
经小角X射线衍射分析得知，表面涂层以羟基磷酸锌为主，同时检观倒二氧 化钛和基体钛。傅里叶红外光谱仪分析，可见-OH， P04和Si04功能团的谱峰。 扫描电镜能谱分析得知表面涂层的Si含量在0，/。重量百分数。分析结果表明 钛表面确实形成了 Si04功能团部分取代的羟基磷酸转层。结合强度测得涂层与基 体的界面剪切强度为16MPa。
实施例3:
将商业纯钛(TA2)试样，尺寸在15xl5x2mm，在Ca(OH)2+Na(OH)混 合碱水溶液中处理24小时，其中饱和Ca(OH)2的体积浓度在100mL/L， Na(OH) 浓度为5 mol/L，溶液温度在90。C。然后将处理后试样在600 。C热处理1.0小 时。随后在仿生溶液中37。C浸泡7天，仿生溶液中Si032—的浓度为10 mM， Si032— 以硅酸钠的形式加入，酸碱度为8.5。最后，将处理后的试样在600 °C处理5 小时。本实施例中，含硅羟基磷酸韩涂层厚度为5 ,，钛表面含硅羟基磷酸牵丐 涂层微观形貌见图3。
经小角X射线衍射分析得知，表面涂层以羟基磷酸转为主，同时检测到二氧 化钛和基体钛。傅里叶红外光谱仪分析，可见-OH， P04和Si04功能团的谱峰。 扫描电镜能谱分析得知表面涂层的Si含量在1，。重量百分数。分析结果表明 钛表面确实形成了 Si04功能团部分取代的羟基磷酸转层。结合强度测得涂层与基 体的界面剪切强度为15MPa。
权利要求
1、一种制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生溶液，其特征在于，在常规的模拟体液中添加SiO32-；按毫摩尔每升计，溶液中的各离子浓度为HPO42-，1.0；Ca2+，2.5；Na+，142；HCO3-4.2；Cl-，147；SiO32-，0.5-20.0；SO42-，0.5；Mg2+，1.5；K-，5.0。
2、 按照权利要求1所述的制备含硅羟基磷酸鈣涂层的仿生溶液，其特征在于，si032'的浓度iK为i.o-io.o毫摩尔/升。
3、 一种利用权利要求书1所述的仿生溶液制备含硅羟基磷酸转涂层的仿生方法，其特征在于，在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸鈣涂层，该工艺由以下几步组成Ca(OH)2+Na(OH)混合碱处理、热处理、仿生溶液中浸泡和后续热处理。
4、 按照权利要求3所述的仿生方法，其特征在于Ca(OH)2+Na(OH)混合碱 处理中，饱禾卩Ca(OH)2的体积浓度在0-140 mL/L，溶液温度在60-90 。C，处理时 间648小时。
5、 按照权利要求3所述的仿生方法，其特征在于热处理中，温度在400-800 °C，处理气氛为空气，处理时间在0.5-3.0小时。
6、 按照权禾腰求3所述的仿生方法，其特征在于仿生溶液浸泡中，Mit在 37±1°C，溶液酸石戯pH值《9.0，浸泡时间在l-7天。
7、 按照权利要求3所述的仿生方法，其特征在于后续热处理中，温度在 200-1000 °C，处理气氛为空气，处理时间在0.5-48小时。
全文摘要
本发明涉及一种在钛及钛合金表面采用仿生方法制备含硅羟基磷酸钙的仿生溶液和仿生制备方法。仿生溶液中，各离子浓度为(毫摩尔/升，mM)HPO₄^2-，1.0；Ca²⁺，2.5；Na⁺，142；HCO₃^-4.2；Cl^-，147；SiO₃^2-，0.5-20.0；SO₄^2-，0.5；Mg²⁺，1.5；K^-，5.0。仿生制备方法Ca(OH)₂+Na(OH)混合碱处理、热处理、仿生处理和后续热处理。其中，Ca(OH)₂+Na(OH)混合碱处理中，饱和Ca(OH)₂的体积浓度在0-140ml/l，溶液温度为40-90℃，处理时间6-48小时。热处理温度在400-800℃，处理时间为0.5-3.0小时。仿生处理为在上述的仿生溶液中37℃浸泡1-7天。后续热处理是200-1000℃，处理时间在0.5-48小时。本发明通过该工艺可以在纯钛或钛合金表面形成一定厚度的含硅羟基磷酸钙涂层，该涂层可以诱导骨细胞的生长，可以应用于钛或钛合金骨植入材料的表面生物改性。
文档编号A61L27/32GK101642586SQ20081001266
公开日2010年2月10日 申请日期2008年8月6日 优先权日2008年8月6日
发明者张二林, 柯 杨, 邹鹑鸣 申请人:中国科学院金属研究所