掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的制备方法

专利名称：掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的制备方法
技术领域：
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种制备掺杂微量微量元素的羟基磷灰 石涂层的方法。
背景技术：
羟基磷灰石(Caltl(PO4)6(OH)2)，是骨骼和牙齿最主要的无机成分，具有良好的生物 活性和生物相容性，广泛应用于骨等硬组织修复等方面。传统羟基磷灰石陶瓷通过烧结制 备，得到的块体脆性大、韧性低，不足以满足临床应用要求。以生物医用金属作为基底，利用 粉末等离子喷涂制备的羟基磷灰石涂层将羟基磷灰石良好的生物活性和生物医用金属优 良的机械性能很好的结合起来，提高了羟基磷灰石在临床上的应用。这种羟基磷灰石涂层 虽有良好的生物相容性，能与骨组织形成化学键合，但涂层的生物活性仍有待于提高，因此 制备高生物活性羟基磷灰石涂层是现在主要的研究方向。解决上述问题有效途径之一是采取仿生设计手段制备含硅、镁等微量元素的羟基 磷灰石涂层。人骨中主要无机成分除了按照化学计量比的羟基磷灰石(Ca/P= 1.67)，还 含有硅、镁、锌、铁、镧、锶、氟、碳酸根等微量元素。羟基磷灰石中不同位置的离子均可能 被取代；钙离子容易被镁、镧、铁、锶、锌等金属离子取代；磷酸根离子容易被碳酸根、硅酸 根等离子取代；氢氧根离子易被少量的碳酸根、氟等其他离子取代。因此，在制备羟基磷 灰石的同时有选择性的掺杂一些离子从而形成结构上更接近人骨的仿生结构，性能上具 有更好生物活性的羟基磷灰石。Carlisle最早在科学(Science)期刊上报道了硅在骨的 形成和矿化过程中的关键性作用Carlisle E Μ. Silicon :a possible factor in bone calcifcation. Science 167，279-280，1970。Patel等对纯羟基磷灰石和含硅羟基磷灰 石的体内对比研究进一步表明在在植入体表面形成含硅羟基磷灰石会显著提高骨的粘附 和生长速率Patel，N.，Gibson, I. R.，Hing, K. A.，Best, S. Μ.，Revell, P. Α.，Bonfield, W. ， A comparative study on the in vivo behavior ofhydroxyapatite and silicon substituted hydroxyapatite granules, J.Mater. Sci. :Mater. Med. 13,1199-1206, 2002.。在成骨过程中镁的缺失会影响到骨新陈代谢的各个阶段，包括导致骨生长的 停止、减少造骨细胞和破骨细胞的活性、导致骨的脆性变大Percival Μ, Bone health &osteoporosis.Appl.Nutr. Sci. Rep.，1999，5 (4)，1.。所以在羟基磷灰石制备过程中加入 硅、镁等微量元素使其进入晶格对提高羟基磷灰石生物活性具有重要意义。现制备含硅、镁等微量元素的羟基磷灰石涂层的主要方法为溶胶-凝胶法和磁 控溅射法。溶胶_凝胶法中，首先将有机磷源水解，然后加入硅源、镁源等微量元素，最后 加入钙源，在一定温度下熟化一段时间后，将凝胶涂覆到预先处理好的钛或钛合金基底表 面，再将表面已涂覆凝胶的钛或钛合金在一定温度下烘干，重复涂覆_烘干这一过程，最后将其在一定温度下烧结得到含硅、镁等微量元素的羟基磷灰石涂层Natalia Hijon, Μ.Victoria Cabanas，Juan Pena，Maria Vallet—Regi，Dip coated silicon-substituted hydroxyapatite films. Acta Biomaterialia2 (2006) 567-574。溶胶-凝胶法优点在于能保证羟基磷灰石中添加的微量元素在分子尺度化学均勻性，添加的微量元素能够顺利的进入晶格。但溶胶-凝胶法得到的涂层往往比较薄，多在1微米左右，涂层表面不均勻，且在 烘干过程中涂层易开裂，涂层与基底的结合强度也较差，不适合商业化生产，也不能满足临 床需要。磁控溅射法同样是以预先处理好的钛或钛合金作为衬底，分别以羟基磷灰石 和硅、镁等作为靶材，在一定条件下利用磁控溅射装置沉积出涂层。然后在一定温度下 烧结得到结晶度较好的微量元素进入晶格的涂层E. S. THIAN, J. HUANG, Μ. Ε. VICKERS， S. Μ. BEST, Ζ. H. BARBER, W. BONFIELD, Silicon-substituted hydroxyapatite(SiHA) A novel calciumphosphate coating for biomedical applications, J MATER SCI 41(2006)709-717。磁控溅射法同样也有涂层较薄(1微米左右)，且制备方法较复杂等缺 点ο在临床应用中，羟基磷灰石涂层的厚度一股需要在100微米左右，上述几种方法 远不能满足临床需要。粉末等离子喷涂制备羟基磷灰石涂层，具有较高的沉积效率，被广泛 应用于临床。但其工艺往往用于纯相羟基磷灰石涂层的制备，对添加硅、镁等微量元素极少 涉及，因其粉末原料的制备过程繁琐，需先经过湿化学法(共沉淀法)制备含硅、镁等微量 元素的羟基磷灰石先驱液，再经过陈化、过滤、干燥、煅烧、粉末造粒球化等一系列过程才能 制得原料粉末，如此繁琐的制备工艺带来高昂的时间和经济成本。

发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的含微量元素羟基磷灰石生物活性涂层制备原 料制备过程繁琐，周期较长，涂层厚度薄，生产效率低，不适合用于工业生产等缺点。解决该技术问题的技术方案是提供一种含微量元素羟基磷灰石生物活性涂层制 备的新方法。该方法包括以下步骤a、制备含微量元素的羟基磷灰石先驱液；b、使用上述含微量元素的羟基磷灰石先驱液作为喷涂原料在生物医用金属材料 上进行等离子喷涂成含掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层；其中，步骤a中所述微量元素为硅、镁、铁、锌、镧或锶中的至少一种；其中，步骤a中所述的含微量元素羟基磷灰石的化学式为CaXM1Q_x(PO4)6_y (SiO4) y_2-y，M为除硅以外的微量元素，10 > χ ^ 0,2 > y ^ 0, χ, y不同为零。其中，上述方法步骤a中所述的含微量元素羟基磷灰石先驱液中各元素的摩尔比 应满足以下条件(钙+M)/(磷+硅)=1.67，其中除硅以外的微量元素(M)与硅的含量不 同为零。其中，上述方法步骤a中所述的除硅以外的微量元素(M)的含量之和不超过M与 羟基磷灰石中各元素质量比10. Owt%。其中，上述方法步骤a中所述的硅的含量不超过硅与羟基磷灰石中各元素质量比 5. Owt %。进一步的，上述方法步骤a中所述含微量元素的羟基磷灰石先驱液按以下步骤制 备
(1)将量取好的钙源溶于去离子水，形成含钙的水溶液，需要时边搅拌边加入硅 源；(2)将量取好的磷源溶于去离子水，形成含磷的水溶液，需要时边搅拌边加入除硅 之外的微量元素源；(3)在不断搅拌下将添加了微量元素的步骤(2)所述含磷的水溶液滴加到步骤 (1)所述含钙的水溶液中，继续搅动0. 5-2小时，然后陈化24-48小时，即得含微量元素羟基 磷灰石先驱液备用。整个过程中PH为8-12，整个过程中保持反应液的温度为50-80°C。其中，上述钙源为氢氧化钙、硝酸钙、氯化钙、硫酸钙、硫酸氢钙中的至少一种；所 述磷源为磷酸、磷酸氢二铵、磷酸铵中的至少一种；所述硅源为正硅酸乙酯、四醋酸硅、三甲 基硅醇、四乙酰氧基硅烷、四氯化硅中的至少一种；当所述微量元素含镁时，镁源为氢氧化 镁、硝酸镁、氯化镁、硫酸镁、硫酸氢镁、碳酸镁、碳酸氢镁中的至少一种。优选的，上述钙源为硝酸钙；上述磷源为磷酸氢二铵；上述硅源为正硅酸乙酯；上 述镁源为硝酸镁。其中，上述方法步骤b中的等离子喷涂是采用小角度雾化喷嘴或小直径导管将等 离子喷涂原料直接径向注入等离子火焰中心的高温区域进行的；其中所述的小角度雾化喷 嘴雾滴的发散角度为10-20度；其中所述的小直径导管的内径为50-350微米。其中，上述方法步骤b中的等离子喷涂的喷涂功率为25-70千瓦，喷涂过程中喷嘴 与生物医用金属材料的距离为5-15厘米，其中，上述所述生物医用金属材料为生物医用钛、生物医用钛合金、生物医用不锈 钢或生物医用钴基合金。本发明方法是以等离子喷涂为基础，等离子喷涂具有高沉积效率，方便易行，并具 有一定的结合强度等优点。利用含微量元素羟基磷灰石先驱液作为喷涂原料，在制备羟基 磷灰石先驱液时直接加入要添加的微量元素，方便易行，并能保证其分子尺度的化学均勻 性。通过将液体先驱液原料直接注入等离子火焰高温区域，在极短时间(小于1微秒)完 成与火焰的热交换过程，随后经过原料中液滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后直接喷 射在生物医用金属基底上形成涂层。因采用纳米尺度的先驱液原料，而热交换过程十分短 暂，晶粒来不及长大，可得到纳米结构的涂层。该方法综合了溶胶-凝胶等湿化学法在掺杂 微量元素分子尺度的化学均勻性的优势，并且等离子体中的高温可保证含微量元素羟基磷 灰石烧结过程的充分进行，而金属基体不受影响。具有工艺简单、高效的突出优点。制备得 到的含硅、镁等微量元素羟基磷灰石涂层为纳米结构，厚度可达100-200微米，将大大提高 涂层的生物活性。本发明方法中制备先驱液所使用的钙源应不限于硝酸钙，而应包括氢氧化钙，氯 化钙，硫酸钙，硫酸氢钙等其它含钙无机物；磷源应不限于磷酸氢二铵，而应包括磷酸、磷酸 铵等其它含磷无机物；硅源应不限于正硅酸乙酯，而应包括四醋酸硅，三甲基硅醇，四乙酰氧基硅烷，四氯化硅等其它含硅有机物或无机物；镁源应不限于硝酸镁，而应包括氢氧化 镁，氯化镁，硫酸镁，硫酸氢镁，碳酸镁，碳酸氢镁等其它含镁无机物。本发明中调节PH值所 用的碱不应限于氨水，可用氢氧化钠，氢氧化钾等其它碱。本发明的步骤具体可为以下几步(1)含硅、镁等微量元素羟基磷灰石先驱液的制备
a)、将量取好的钙源溶于去离子水，形成含钙的水溶液，需要时边搅拌边加入硅 源；b)、将量取好的磷源溶于去离子水，形成含磷的水溶液，需要时边搅拌边加入除硅之外的微量元素源；C)、在不断搅拌下将添加了微量元素的步骤(2)所述含磷的水溶液滴加到步骤 (1)所述含钙的水溶液中，继续搅动0. 5-2小时，然后陈化24-48小时，即得含微量元素羟基 磷灰石先驱液备用，整个过程中PH为8-12，整个过程中保持反应液的温度为50-80°C。其中，本发明方法中微量元素源一股需溶于去离子水，形成含其它微量元素的水 溶液备用，且除硅以外的微量元素(M)的含量之和不超过M与羟基磷灰石中各元素质量比 10. Owt%，硅的含量不超过硅与羟基磷灰石中各元素质量比5. Owt%。(2)先驱液的传送和注入本发明采用电子蠕动泵作为传输的动力装置，传输过程中泵速为5-15转/分，通 过直径为2-10mm的导管将先驱液传输到注入装置中。注入装置可采用小角度雾化喷嘴或 者小直径导管将等离子喷涂原料直接径向注入等离子火焰中心的高温区域。小角度雾化喷 嘴雾滴的发散角度为10-20度，雾化气体为压缩空气，雾化气压为0. 09-0. 6MPa。小直径导 管的内径为50-350微米。(3)等离子喷涂等离子喷涂其喷涂功率为25-70千瓦，喷涂过程中喷嘴与作为基底的生物医用金 属材料的距离为5-15厘米，喷涂次数为5-20次，其中作为基底的生物医用金属材料应为生 物医用钛，或生物医用钛合金、或生物医用不锈钢，或生物医用钴基合金，或其它生物医用 金属材料。经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后直接喷射在生物医用金 属基底上形成涂层。通过本发明方法制备得到的涂层的X射线衍射(XRD)检测图(见图1、图2，图 3)可看出，含硅羟基磷灰石和含镁羟基磷灰石和含硅、镁羟基磷灰石与纯的羟基磷灰石具 有相同的晶体结构，硅和镁的掺入没有导致一些含硅的或含镁的杂相产生。通过图中可看 出含硅的羟基磷灰石，含镁的羟基磷灰石和含硅、镁羟基磷灰石的衍射峰比纯的羟基磷灰 石的衍射峰强度低，并且衍射峰宽度增大，这是硅、镁等元素融入羟基磷灰石晶格的一个证 明；涂层的红外光谱(FTIR)检测图(见图4、图5、图6)可看出，含硅的羟基磷灰石，含镁的 羟基磷灰石和含硅、镁的羟基磷灰石与纯的羟基磷灰石的吸收峰相比，羟基峰和磷酸根峰 有明显的减弱趋势，这是因为硅酸根和镁离子代替了羟基磷灰石中的一些离子，从而导致 羟基磷灰石中基团峰的强弱变化，这些都是硅、镁等微量元素融入羟基磷灰石晶格的现象。本发明方法与现有技术相比具有以下有益技术效果1、本发明采用液相等离子喷涂技术，直接将得到的悬浮液利用等离子火焰通过液 滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后直接喷射在生物医用金属基底上形成涂层。与其它 方法相比缩短了悬浮液一系列后处理过程，包括对粉末的清洗，干燥，烧结等一系列繁琐的 工艺。极大的提高了生产效率。2、本发明通过液相等离子喷涂制备得到的涂层，其厚度较厚。通常可达到100-200 微米，而其它方法制备得到的涂层一股为1-10微米，提高了生产效率，适合工业化生产。3、本发明制备得到的含微量元素羟基磷灰石涂层，与单一羟基磷灰石涂层相比，有更好的生物活性。4、意想不到的是本发明方法通过液相等离子喷涂制备得到的涂层，经XRD图和 FTIR图等检测结果表明，意外地使微量元素进入了羟基磷灰石的晶格，更接近人体骨的仿 生成分，会具有更好的骨生成能力，使其生物活性得到了极大的提高。


图1纯羟基磷灰石和不同含硅量的羟基磷灰石的X射线衍射(XRD)图，a、HA ；b、 0. 7wt% Si-HA ；c、l. 4wt% Si-HA ；d、5. Owt% Si_HA。图2纯羟基磷灰石和含镁0. 72wt %的羟基磷灰石的X射线衍射(XRD)图，a、HA ； b、0. 72wt% Mg-HA。图3纯羟基磷灰石和含硅2. Iwt %、含镁0. 73wt%的羟基磷灰石的X射线衍射 (XRD)图，a、HA ；b、2. Iwt% Si，0. 73wt% Mg-HA0图4纯羟基磷灰石和不同含硅量的羟基磷灰石的红外光谱(FTIR)图，a、HA ；b、 0. 7wt% Si-HA ；c、l. 4wt% Si-HA ；d、5. Owt% Si_HA。图5纯羟基磷灰石和含镁0. 72wt%的羟基磷灰石的红外光谱(FTIR)图，a、HA ；b、 0. 72wt% Mg-HA。图6纯羟基磷灰石和含硅2. Iwt %、含镁0. 73wt %的羟基磷灰石的红外光谱 (FTIR)图，a、HA ；b、2. Iwt% Si，0. 73wt% Mg-HA0图7含硅0. 7wt%的羟基磷灰石涂层扫描电镜图片，左边是50000倍，右边是2000倍。图8含镁0. 72wt %的羟基磷灰石涂层扫描电镜图片，左边是50000倍，右边是 2000 倍。图9含硅2. Iwt %的羟基磷灰石涂层扫描电镜图片，左边是50000倍，右边是2000倍。图10含硅5. Owt %的羟基磷灰石涂层扫描电镜图片，左边是50000倍，右边是 2000 倍。
具体实施例方式本发明方法的路为以等离子喷涂为基础，在制备羟基磷灰石先驱液时直接加入要添加的微量元素的先驱液。具体操作步骤为(1)制备含硅、镁等微量元素羟基磷灰石先驱液a)、将量取好的钙源溶于去离子水，形成含钙的水溶液，需要时边搅拌边加入硅 源；b)、将量取好的磷源溶于去离子水，形成含磷的水溶液，需要时边搅拌边加入除硅 之外的微量元素源；C)、在不断搅拌下将添加了微量元素的步骤(2)所述含磷的水溶液滴加到步骤 (1)所述含钙的水溶液中，继续搅动0. 5-2小时，然后陈化24-48小时，即得含微量元素羟基 磷灰石先驱液备用。整个过程中PH为8-12，整个过程中保持反应液的温度为50-80°C。其中，本发明方法中微量元素源一股需溶于去离子水，形成含其它微量元素的水溶液备用，且除硅以外的微量元素(M)的含量之和不超过M与羟基磷灰石中各元素质量比 10. Owt%，硅的含量不超过硅与羟基磷灰石中各元素质量比5. Owt%。(2)先驱液的传送和注入本发明采用电子蠕动泵作为传输的动力装置，传输过程中泵速为5-15转/分，通过直径为2-10mm的导管将先驱液传输到注入装置中。注入装置可采用小角度雾化喷嘴或 者小直径导管将等离子喷涂原料直接径向注入等离子火焰中心的高温区域。小角度雾化喷嘴雾滴的发散角度为10-20度，雾化气体为压缩空气，雾化气压为 0. 09-0. 6MPa。小直径导管的内径为50-350微米。(3)溶液等离子喷涂等离子喷涂其喷涂功率为25-70千瓦，喷涂过程中喷嘴与作为基底的生物医用金 属材料的距离为5-15厘米，喷涂次数为5-20次，其中作为基底的生物医用金属材料应为生 物医用钛，或生物医用钛合金、或生物医用不锈钢，或生物医用钴基合金，或其它生物医用 金属材料。经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后直接喷射在生物医用金 属基底上形成涂层。以下通过具体实施例的方式对本发明做进一步详述，但不应理解为是对本发明的 限制。凡基于本发明上述思想做出的修改、替换、变更均属于本发明。实施例1含硅羟基磷灰石涂层的制备按含硅羟基磷灰石中Ca/(P+Si)摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1. 67)， 计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的119. 3g硝酸钙溶于250ml去离子水中，保持硝酸 钙水溶液60°C，不断搅拌下向硝酸钙水溶液中加入2. 8ml正硅酸乙酯，再将38. 5g磷酸氢二 铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液逐渐滴加到含有硝酸钙和正硅酸乙酯的溶液中， 以质量百分比浓度30%的氨水控制反应液pH值为8。滴加完后继续保持搅拌1小时，陈化 24小时，即得硅含量为0. 7wt%的含硅羟基磷灰石先驱液。利用电子蠕动泵，调节转速为7转/分，通过直径为5mm的导管将先驱液传输到发 散角度为15度，雾化气压为空气的小角度雾化喷嘴。调节雾化气压为0. IMpa，先驱液经过 雾化以小角度发散，小粒径液滴进入等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为30千 瓦，喷嘴与基底之间的距离为8厘米，喷涂次数为8次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸 发、烧结、熔融，最后在生物医用金属基底上形成涂层。涂层的XRD图见图1的b，FTIR图见 图4的b，涂层的扫描电镜图片见图7。实施例2含硅羟基磷灰石涂层的制备按含硅羟基磷灰石中Ca/(P+Si)摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1. 67)， 计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的119. 3g硝酸钙溶于250ml去离子水中，保持硝酸 钙水溶液70°C，不断搅拌下向硝酸钙水溶液中加入8. 4ml正硅酸乙酯，再将35. 2g磷酸氢二 铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液逐渐滴加到含有硝酸钙和正硅酸乙酯的溶液中， 以质量百分比浓度25%的氨水控制反应液pH值为9。滴加完后继续保持搅拌1. 5小时，陈 化24小时，即得硅含量为2. 的含硅羟基磷灰石先驱液。 利用电子蠕动泵，调节转速为9转/分，通过直径为8mm的导管将先驱液传输到发 散角度为20度，雾化气压为空气的小角度雾化喷嘴。调节雾化气压为0. 15Mpa，先驱液经过 雾化以小角度发散，小粒径液滴进入等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为34千瓦，喷嘴与基底之间的距离为9厘米，喷涂次数为10次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸 发、烧结、熔融，最后在生物医用金属基底上形成涂层，涂层的扫描电镜图片见图9。实施例3含硅羟基磷灰石涂层的制备按含硅羟基磷灰石中Ca/(P+Si)摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1. 67)， 计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的119. 3g硝酸钙溶于250ml去离子水中，保持硝酸 钙水溶液80°C，不断搅拌下向硝酸钙水溶液中加入5. 6ml正硅酸乙酯，再将36. 9g磷酸氢二 铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液逐渐滴加到含有硝酸钙和正硅酸乙酯的溶液中， 以质量百分比浓度20%的氨水控制反应液pH值为10。滴加完后继续保持搅拌0.5小时， 陈化48小时，即得硅含量为1. 4wt%的含硅羟基磷灰石先驱液。利用电子蠕动泵，调节转速为10转/分，通过直径为IOmm的导管将先驱液传输到 等离子喷枪口的注入装置中。注入装置采用70微米小直径导管以直线型射流的方式，将先 驱液注入到等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为40千瓦，喷嘴与基底之间的距 离为10厘米，喷涂次数为12次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后在 生物医用金属基底上形成涂层。涂层的XRD图见图1的c，FTIR图见图4的c。实施例4含硅羟基磷灰石涂层的制备按含硅羟基磷灰石中Ca/(P+Si)摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1. 67)， 计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的119. 3g硝酸钙溶于250ml去离子水中，保持硝酸 钙水溶液75°C，不断搅拌下向硝酸钙水溶液中加入19. 3ml正硅酸乙酯，再将28. 7g磷酸 氢二铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液逐渐滴加到含有硝酸钙和正硅酸乙酯的溶液 中，以质量百分比浓度35%的氨水控制反应液pH值为9. 5。滴加完后继续保持搅拌2小时， 陈化48小时，即得硅含量为5. 0wt%的含硅羟基磷灰石先驱液。利用电子蠕动泵，调节转速为8转/分，通过直径为7mm的导管将先驱液传输到等 离子喷枪口的注入装置中。注入装置采用100微米小直径导管以直线型射流的方式，将先 驱液注入到等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为50千瓦，喷嘴与基底之间的距 离为13厘米，喷涂次数为5次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后在生 物医用金属基底上形成涂层。涂层的XRD图见图1的d，FTIR图见图4的d，涂层的扫描电 镜图片见图10。实施例5含镁羟基磷灰石涂层的制备按含镁羟基磷灰石中(Ca+Mg)/P摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1.67)， 计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的硝酸钙231. 4g和硝酸镁7. Sg溶于500ml去离子 水中，保持混合水溶液65°C，再将80. 4g磷酸氢二铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液 逐渐滴加到含有硝酸钙和硝酸镁的溶液中，以质量百分比浓度20%的氨水控制反应液pH 值为8. 5。滴加完后继续保持搅拌0. 5小时，陈化24小时，即得镁含量为0. 72wt%的含镁 羟基磷灰石先驱液。利用电子蠕动泵，调节转速为6转/分，通过直径为6mm的导管将先驱液传输到发 散角度为17度，雾化气压为空气的小角度雾化喷嘴。调节雾化气压为0. 2Mpa，先驱液经过 雾化以小角度发散，小粒径液滴进入等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为36千瓦，喷嘴与基底之间的距离为10厘米，喷涂次数为9次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸 发、烧结、熔融，最后在生物医用金属基底上形成涂层。涂层的XRD图见图2的b，FTIR图见图5的b，涂层的扫描电镜图片见图8。实施例6含镁羟基磷灰石涂层的制备 按含镁羟基磷灰石中(Ca+Mg)/P摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1.67)， 计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的硝酸钙232. 6g和硝酸镁6. 5g溶于500ml去离子 水中，保持混合水溶液50°C，再将80. 4g磷酸氢二铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液 逐渐滴加到含有硝酸钙和硝酸镁的溶液中，以质量百分比浓度30%的氨水控制反应液pH 值为10. 5。滴加完后继续保持搅拌1小时，陈化24小时，即得镁含量为0. 6衬％的含镁羟 基磷灰石先驱液。利用电子蠕动泵，调节转速为11转/分，通过直径为9mm的导管将先驱液传输到 发散角度为12度，雾化气压为空气的小角度雾化喷嘴。调节雾化气压为0. 25Mpa，先驱液经 过雾化以小角度发散，小粒径液滴进入等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为25 千瓦，喷嘴与基底之间的距离为11厘米，喷涂次数为7次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、 蒸发、烧结、熔融，最后在生物医用金属基底上形成涂层。实施例7含镁羟基磷灰石涂层的制备按含镁羟基磷灰石中(Ca+Mg)/P摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1.67)， 计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的硝酸钙226. 6g和硝酸镁13. Og溶于500ml去离子 水中，保持混合水溶液55°C，再将80. 4g磷酸氢二铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液 逐渐滴加到含有硝酸钙和硝酸镁的溶液中，以质量百分比浓度35%的氨水控制反应液pH 值为11。滴加完后继续保持搅拌1. 5小时，陈化48小时，即得镁含量为1. 2wt%的含镁羟 基磷灰石先驱液。利用电子蠕动泵，调节转速为12转/分，通过直径为4mm的导管将先驱液传输到 等离子喷枪口的注入装置中。注入装置采用150微米小直径导管以直线型射流的方式，将 先驱液注入到等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为45千瓦，喷嘴与基底之间的 距离为14厘米，喷涂次数为6次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后在 生物医用金属基底上形成涂层。实施例8含镁羟基磷灰石涂层的制备按含镁羟基磷灰石中(Ca+Mg)/P摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1.67)， 计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的硝酸钙214. 7g和硝酸镁25. 9g溶于500ml去离子 水中，保持混合水溶液60°C，再将80. 4g磷酸氢二铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液 逐渐滴加到含有硝酸钙和硝酸镁的溶液中，以质量百分比浓度30%的氨水控制反应液pH 值为10。滴加完后继续保持搅拌2小时，陈化48小时，即得镁含量为2. 4wt%的含镁羟基 磷灰石先驱液。利用电子蠕动泵，调节转速为7转/分，通过直径为IOmm的导管将先驱液传输到 等离子喷枪口的注入装置中。注入装置采用200微米小直径导管以直线型射流的方式，将 先驱液注入到等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为32千瓦，喷嘴与基底之间的 距离为15厘米，喷涂次数为7次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后在 生物医用金属基底上形成涂层。实施例9含硅、镁羟基磷灰石涂层的制备按含硅、镁羟基磷灰石中(Ca+Mg)/(P+Si)摩尔比与羟基磷灰石中Ca/P摩尔比相等(1. 67)，计算原料用量，在不断搅拌下将量取好的硝酸钙115. 7g和硝酸镁3. 9g溶 于250ml去离子水中，保持混合水溶液65°C，不断搅拌下向硝酸钙、硝酸镁水溶液中加入 8. 4ml正硅酸乙酯，再将35. Og磷酸氢二铵溶于去离子水，并将磷酸氢二铵水溶液逐渐滴加 到含有硝酸钙、硝酸镁和正硅酸乙酯的溶液中，以质量百分比浓度30%的氨水控制反应液 pH值为10.5。滴加完后继续保持搅拌2小时，陈化48小时，即得镁含量为0.73wt%，硅含 量为2. Iwt %的含硅、镁羟基磷灰石先驱液。利用电子蠕动泵，调节转速为7转/分，通过直径为IOmm的导管将先驱液传输到 等离子喷枪口的注入装置中。注入装置采用200微米小直径导管以直线型射流的方式，将 先驱液注入到等离子火焰的高温区域，调节等离子喷涂功率为33千瓦，喷嘴与基底之间的 距离为8. 5厘米，喷涂次数为8次，经过先驱液中液滴的破碎、细化、蒸发、烧结、熔融，最后 在生物医用金属基底上形成涂层。涂层的XRD图见图3的b，FTIR图见图6的b。实验例1本发明中硅、镁融入羟基磷灰石晶格的证明
目前本领域验证微量元素是否融入羟基磷灰石晶格主要通过X射线衍射和红外 图谱来证明。本发明中对 0. 7wt% Si-HA, 1. 4wt% Si-HA,5. Owt% Si-HA,0. 72wt% Mg-HA 和 2. Iwt% Si，0. 73wt% Mg-HA 分别做了 XRD 和 FTIR 测试，见图 1-图 6。从涂层的XRD图可看出硅、镁的掺入或硅，镁同时掺入没有导致含硅或含镁的杂 质相产生，主相与羟基磷灰石相同。硅、镁的融入会导致衍射峰强度的减弱，衍射峰宽度的 增加和羟基磷灰石晶粒尺寸的减小，通过(211)晶面衍射峰的半峰宽分别计算样品的晶粒 尺寸。具体的数据见下表1表 1 由上表结果显示，本发明方法所制备得到的含硅或含镁羟基磷灰石，峰的强弱是 随着硅含量或镁含量的增加而减弱，晶粒尺寸也逐渐减小。这也符合关于现有的融入晶格 的文献报道，可作为硅、镁等微量元素融入羟基磷灰石晶格的一个证明。从涂层的FTIR图可看出含硅、含镁或同时含硅、镁的羟基磷灰石与纯的羟基磷灰 石的吸收峰相比，羟基峰和磷酸根峰有明显的减弱趋势。硅酸根、镁离子分别取代羟基磷灰 石中的磷酸根、钙离子，从而导致羟基峰和磷酸根峰的强弱随着硅、镁添加量增加而逐渐减 弱。并且在5. Owt% Si-HA的图谱中(见图4d)出现Si-0。这是硅融入羟基磷灰石晶格的 一个重要标志。所以从这两个测试结果可以得出本发明方法制备得到的含硅或含镁羟基磷 灰石成功的使硅、镁融入了羟基磷灰石晶格，更接近人体骨的仿生成分，会具有更好的骨生 成能力，达到了意想不到的技术效果，其生物活性会有明显提高，具有广阔的应用前景。将实施例1、2、4、5制备的含硅羟基磷灰石和含镁羟基磷灰石在扫描电镜(SEM)下 观察，结果表明涂层均勻，含有明显孔结构。硅、镁的加入对涂层的颗粒形态有影响，但是没 有影响涂层的表面结构。
权利要求
制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤a、制备含微量元素的羟基磷灰石先驱液；b、使用上述含微量元素的羟基磷灰石先驱液作为喷涂原料在生物医用金属材料上进行等离子喷涂成含掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层；其中，步骤a中所述微量元素为硅、镁、铁、锌、镧或锶中的至少一种；其中，步骤a中所述的含微量元素羟基磷灰石的化学式为Ca10-xMx(PO4)6-y(SiO4)y(OH)2-y，M为除硅以外的微量元素，10＞x≥0，2＞y≥0，x，y不同为零。
2.根据权利要求2所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其特 征在于步骤a中的所述的含微量元素的羟基磷灰石先驱液中微量元素的摩尔含量满足以 下条件(Ca+M)/(P+Si) = 1. 67。
3.根据权利要求1所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其特 征在于步骤a中所述除M以外的微量元素的含量之和不超过羟基磷灰石先驱液中各元素 总和的10. Owt %。
4.根据权利要求1所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其特 征在于步骤a中所述硅的含量不超过羟基磷灰石先驱液中各元素总和的5. 0wt%。
5.根据权利要求1所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其特 征在于步骤a中所述含微量元素的羟基磷灰石先驱液按以下步骤制备(1)将量取好的钙源溶于去离子水，形成含钙的水溶液，需要时边搅拌边加入硅源；(2)将量取好的磷源溶于去离子水，形成含磷的水溶液，需要时边搅拌边加入除硅之外 的微量元素源；(3)在不断搅拌下将添加了微量元素的步骤(2)所述含磷的水溶液滴加到步骤(1)所 述含钙的水溶液中，继续搅动0. 5-2小时，然后陈化24-48小时，即得含微量元素羟基磷灰 石先驱液备用。整个过程中PH为8-12，整个过程中保持反应液的温度为50-80°C。
6.根据权利要求5所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其 特征在于所述钙源为氢氧化钙、硝酸钙、氯化钙、硫酸钙、硫酸氢钙中的至少一种；所述磷 源为磷酸、磷酸氢二铵、磷酸铵中的至少一种；所述硅源为正硅酸乙酯、四醋酸硅、三甲基硅 醇、四乙酰氧基硅烷、四氯化硅中的至少一种；当所述微量元素含镁时，镁源为氢氧化镁、硝 酸镁、氯化镁、硫酸镁、硫酸氢镁、碳酸镁、碳酸氢镁中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其特 征在于所述钙源为硝酸钙；磷源为磷酸氢二铵；硅源为正硅酸乙酯；镁源为硝酸镁。
8.根据权利要求1所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其特 征在于步骤b中的等离子喷涂是采用小角度雾化喷嘴或小直径导管将等离子喷涂原料直 接径向注入等离子火焰中心的高温区域进行的；其中所述的小角度雾化喷嘴雾滴的发散角 度为10-20度；其中所述的小直径导管的内径为50-350微米。
9.根据权利要求1所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其特 征在于步骤b中所述的等离子喷涂的喷涂功率为25-70千瓦，喷涂过程中喷嘴与生物医用 金属材料的距离为5-15厘米。
10.根据权利要求1所述的制备掺杂微量元素的羟基磷灰石生物活性涂层的方法，其 特征在于所述生物医用金属材料为生物医用钛、生物医用钛合金、生物医用不锈钢或生物 医用钴基合金。
全文摘要
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种含微量元素的羟基磷灰石仿生生物活性涂层的制备方法。本发明方法首先将制备含微量元素羟基磷灰石的原料按比例在一定温度下反应成悬浮液；然后以此悬浮液作为先驱液传输到等离子火焰的高温区域，直接喷射在生物医用金属基底上形成含微量元素的羟基磷灰石涂层。本发明工艺简单、生产成本低，得到的含硅、镁等微量元素的羟基磷灰石涂层更接近人体骨的仿生成分，具有更好的骨生成能力，有重要的应用价值。
文档编号A61L27/32GK101837147SQ201010171780
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者刘晓光, 吴方, 甘露, 肖严峰, 顾忠伟, 黄毅, 黄涛 申请人:四川大学