本发明涉及医用材料领域，特别涉及齿科植入物、外伤后骨科固定、关节置换和人体组织缺损的填充材料及植入材料抗菌技术领域，特别涉及了一种骨植入用钙磷化合物-镁复合涂层及其制备方法
背景技术：
由于植入假体松动和磨蚀引发的不良细胞反应使人工关节等植入体只有10-15年的寿命，不能满足长期使用要求。同时，感染仍然是骨科植入物灾难性的术后并发症之一。植入体内的金属异物是导致此类感染发生的危险因素，所引发的一系列体内反应包括巨噬细胞功能的减弱，局部免疫系统的钝化等都为病原体的增殖创造了便利的条件。此外，植入物表面吸附的蛋白还能促进细菌黏附到植入物表面引发感染。过去人们大多关注对环境和个人污染的清除及手术期全身抗生素的应用，而新的方法是针对该类感染发病的特殊机制通过植入物表面修饰改性来降低感染的风险。
羟基磷灰石和磷酸三钙等钙磷化合物能够促进基体材料与骨组织的结合，随着成骨发生，钙磷化合物会逐渐降解，随后，钙离子和磷酸根离子释放到周围区域，增加了植入物表面生物磷灰石的沉积速率，并导致种植体周围的骨愈合。
金属材料一直以来被认为具有生物惰性，虽然人们对其表面进行了各种表面改性的工作来提高其活性，但是骨细胞的粘附生长仍不理想。而众多研究表明镁具有生物活性，如可诱导细胞分化、生长和血管的长入，其作为植入器件植入生物体后，骨细胞向随着镁逐步降解而减少的空间增殖、分化，由内到外逐步形成新的松质骨及皮质骨，并具备原有的强度及功能，，适用于骨折固定的骨钉骨板等，达到修复创伤和重建功能的目的。同时，金属材料中的镁(mg)，因为其具有较负的自腐蚀电位，很容易与体液发生化学反应而降解，被人体吸收及代谢。此外，由于镁降解而形成的碱性环境能达到抑制植入周围细菌生长的目的。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决植入材料的骨结合及感染问题，本发明提供了一种骨植入用钙磷化合物-镁复合涂层及其制备方法，采用仿生沉积法及蒸镀技术，在钛及钛合金、钴基合金、不锈钢上制备钙磷化合物-镁复合涂层，以解决现有植入材料骨活性及感染问题，该方法所得永久植入材料适合多种植入部位力学性能要求，且具极佳的生物相容性，同时具备杀菌功能。
本发明提供了一种骨植入用钙磷化合物-镁复合涂层，其特征在于：所述的钙磷化合物-镁复合涂层的厚度为6-220μm。其中钙磷化合物的涂层厚度范围是：5-20μm；镁涂层的厚度范围是：1-200μm。
一种骨植入用钙磷化合物-镁复合涂层的制备方法，其特征在于：对于钙磷化合物涂层，首先在通过naoh进行碱热预处理，然后将基体放置在具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液中仿生沉积，最后在一定温度下沉积钙磷化合物；对于镁涂层，采用蒸镀法将纯镁蒸发，镁蒸气会扩散至有钙磷化合物的基体所在位置，并且在其表面沉积而获得镁涂层。
所用基体为金属件，采用钛及钛合金、钴基合金、不锈钢材料制成。
所用实体基体为医用材料及器件。
具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液，含nacl100-300mm/l,cacl21-10mm/l,nh4h2po41-10mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)10-100mm/l，纯镁原料为纯度≧99.99％纯镁块体。
通过控制沉积时间控制钙磷涂层的厚度，或通过控制纯镁蒸发温度、沉积温度、工作气压和沉积时间来控制纯镁涂层的厚度。
仿生沉积法沉积温度为50-90℃；纯镁蒸发温度为600-800℃，沉积温度为150-300℃，沉积真空度为5-200pa。
具体制备步骤如下：
(1)、将基体依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为1-5mol/l的naoh溶液中，60-90℃保温12-24h；
(2)、配制含nacl100-300mm/l,cacl21-10mm/l,nh4h2po41-10mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)10-100mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；
(3)将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗0.5-1h，最后将清洗好的基体放在50-90℃温度下的上述沉积溶液中沉积6-12h；
(4)、将1-50g的纯镁块放入蒸发室目标位置，烘干的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源200-500mm的位置，抽真空至10-3pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境；
(5)、蒸发室升温至蒸发温度600-800℃，镁块体蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体表面，沉积完成后随炉冷却至室温。
本发明的优点：
本发明提出一种骨植入用钙磷化合物-镁复合涂层，利用钙磷化合物的成骨效应和镁降解后的碱性环境起到局部杀菌的作用，利用镁离子的生物功能性可以促进骨细胞的生长。
本发明所述金属镁具有良好的生物活性。利用镁特殊的骨诱导优势，骨组织逐步填充降解后镁的空缺，镁和钙磷化合物的降解引导骨组织及血管在基体表面生长，从而提高基体与组织的骨结合能力；镁涂层降解的碱性环境具有杀菌作用，使术后感染的发生率降低，手术的成功率得到提高。
本发明提出的制备涂层的方法，可在多种骨科植入材料表面涂覆一定厚度的钙磷化合物-镁复合涂层，适用于多种表面，不需要对材料表面进行特殊处理，适用范围广。
在不同基底表面进行镁涂层加工使种植体表面具有良好的生物活性。镁在体液中可腐蚀降解。钙磷化合物能够在不同程度上促进种植体与骨的结合。同时，镁在人体内属常量元素，其含量在体内所有元素中占第四位，对人体新陈代谢起到非常重要的作用。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为实施例1中沉积设备示意图。图中，1沉积室炉体；2蒸发室炉体；3、基体；4、蒸发源；5、尾气处理装置；6、真空系统；7、流量控制器。
图2a，b分别是实施例1的表面和截面电子显微镜照片。
图3a，b分别是实施例2的表面和截面电子显微镜照片。
图4a，b分别为实施例1和2沉积前后样品x射线衍射图。图中，横坐标为衍射角2θ(度)，纵坐标为强度(a.u.)。
图5a，b，c分别为实施例4用hanks’浸泡3,7,14天后材料表面宏观照片。
图6a，b，c分别为钛基体和实施例5金黄色葡萄球菌共培养3h后的菌落计数平板照片以及实例6植入新西兰大白兔下颌骨3个月后的骨结合情况。
具体实施方式
如图1所示，本发明方法所用的沉积设备包括：沉积室炉体1、蒸发室炉体2等，在沉积室炉体1中放置基体，在蒸发室炉体2中放置蒸发源4，蒸发源4的一端与流量控制器7的一端连通，流量控制器7的另一端分别连接h2和ar供应管路，蒸发源4的另一端与基体所在的沉积室相通，基体所在的沉积室分别与尾气处理装置5和真空系统6相通。
本发明采用物理气相沉积系统制备涂层，块状纯镁为蒸发源，控制沉积位置和蒸发源位置间的距离，设备图如图1所示。基体样品需经酸洗，水洗，酒精清洗后，干燥氮气吹干，再置入沉积室炉体1。
实施例1
将片状纯钛(ti)样品用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为3mol/l的naoh溶液中80℃保温24h；然后配制含nacl100mm/l,cacl23mm/l,nh4h2po42mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)50mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗1h，最后将清洗好的基体放在50℃温度下的上述沉积溶液中沉积12h。如图2所示，制备的钙磷涂层主要呈瓦片状并呈现出多孔表面，涂层的厚度为20μm左右。其x射线衍射谱如图4a所示，钙磷化合物的组成主要为羟基磷灰石(ha)和磷酸三钙(ocp)。
实施例2
将烘干的实例1制备的具有钙磷涂层的基体样品置入沉积室炉体1，将纯镁块放入蒸发室目标位置，将烘干的已经制备的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源300mm的位置，抽真空至10-4pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境。纯镁蒸发温度为600℃，工作真空度5pa，设定沉积温度150℃，沉积时间0.5h，镁块蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体表面，反应完成后随炉冷却至室温。如图3所示。沉积金属镁涂层的由大颗粒的纯镁组成，颗粒与颗粒之间有一定的间隙，镁涂层厚度为1μm左右，总的复合涂层的厚度为21μm左右。
实施例3
将片状纯钛(ti)样品用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为1mol/l的naoh溶液中80℃保温24h；然后配制含nacl120mm/l,cacl23mm/l,nh4h2po44mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)50mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗1h，最后将清洗好的基体放在50℃温度下的上述沉积溶液中沉积8h，制备的钙磷涂层厚度为10μm左右。将纯镁块放入蒸发室目标位置，将烘干的已经制备的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源300mm的位置，抽真空至10-4pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境。纯镁蒸发温度为750℃，工作真空度10pa，设定沉积温度300℃，沉积时间0.5h，镁块蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体表面，反应完成后随炉冷却至室温。镁涂层厚度为1μm左右，总的复合涂层的厚度为6μm左右。
实施例4
将片状纯钛(ti)样品用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为1mol/l的naoh溶液中80℃保温24h；然后配制含nacl120mm/l,cacl23mm/l,nh4h2po44mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)50mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗1h，最后将清洗好的基体放在50℃温度下的上述沉积溶液中沉积8h，制备的钙磷涂层厚度为10μm左右。将纯镁块放入蒸发室目标位置，将烘干的已经制备的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源300mm的位置，抽真空至10-4pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境。纯镁蒸发温度为750℃，工作真空度10pa，设定沉积温度300℃，沉积时间1.5h，镁块蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体表面，反应完成后随炉冷却至室温。如图3所示。沉积金属镁涂层的由大颗粒的纯镁组成，颗粒与颗粒之间有一定的间隙，镁涂层厚度为60μm左右，总的复合涂层的厚度为70μm左右。其x衍射谱如图4b所示，可见表面主要为纯镁，且厚度较厚，衍射谱中只有镁存在。为了确认在植入过程中涂层不从基体上脱落，进行了浸泡实验，其结果如图5所示，分别浸泡3天、7天和14天后涂层依旧未从基体脱落。为了确定涂层的抗菌性能，将带涂层样品按照“jisz2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、gb/t2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定进行定量的抗菌性能检测。结果得到样品对金黄色葡萄球菌作用后的杀菌率为99％，其效果图如图6b所示。
实施例5
将片状纯钛(ti)样品用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为1mol/l的naoh溶液中80℃保温24h；然后配制含nacl120mm/l,cacl23mm/l,nh4h2po44mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)50mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗1h，最后将清洗好的基体放在50℃温度下的上述沉积溶液中沉积8h，制备的钙磷涂层厚度为10μm左右。将纯镁块放入蒸发室目标位置，将烘干的已经制备的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源300mm的位置，抽真空至10-4pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境；纯镁蒸发温度为650℃，工作真空度20pa，设定沉积温度200℃，沉积时间1h，镁块体蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体最外面，反应完成后随炉冷却至室温，沉积金属镁涂层的厚度为50μm左右，总的复合涂层的厚度为60μm左右。为了验证涂层的生物相容性和促骨骼生长特性，将带复合涂层的棒状试样植入新西兰大白兔的下颌骨，3个月后植体与骨骼的结合界面如图6c所示。由图可见，镁涂层和钙磷化合物涂层都基本降解完全。
实施例6
将片状纯钛(ti)样品用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为3mol/l的naoh溶液中80℃保温24h；然后配制含nacl130mm/l,cacl23mm/l,nh4h2po43mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)40mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗1h，最后将清洗好的基体放在50℃温度下的上述沉积溶液中沉积6h，制备的钙磷涂层厚度为5μm左右。将纯镁块放入蒸发室目标位置，将烘干的已经制备的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源300mm的位置，抽真空至10-4pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境；纯镁蒸发温度为750℃，工作真空度110pa，设定沉积温度200℃，沉积时间1.5h，镁块蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体表面，反应完成后随炉冷却至室温，沉积金属镁涂层的厚度为100μm左右。得到的总的钙磷化合物-镁复合涂层的厚度为105μm。
实施例7
将片状纯钛(ti)样品用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为3mol/l的naoh溶液中70℃保温24h；然后配制含nacl150mm/l,cacl24mm/l,nh4h2po42mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)50mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗1h，最后将清洗好的基体放在60℃温度下的上述沉积溶液中沉积12h，制备的钙磷涂层厚度为20μm左右。将纯镁块放入蒸发室目标位置，将烘干的已经制备的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源300mm的位置，抽真空至10-4pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境；纯镁蒸发温度为800℃，工作真空度200pa，设定沉积温度250℃，沉积时间2h，镁块体蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体表面，反应完成后随炉冷却至室温，沉积金属镁涂层的厚度为150μm左右。总的涂层厚度为170μm。
实施例8
将片状纯钛(ti)样品用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为3mol/l的naoh溶液中80℃保温24h；然后配制含nacl120mm/l,cacl22.5mm/l,nh4h2po43mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)40mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗1h，最后将清洗好的基体放在50℃温度下的上述沉积溶液中沉积10h，制备的钙磷涂层厚度为15μm左右。将纯镁块放入蒸发室目标位置，将烘干的已经制备的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源300mm的位置，抽真空至10-4pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境；纯镁蒸发温度为800℃，工作真空度200pa，设定沉积温度300℃，沉积时间2h，镁块体蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体表面，反应完成后随炉冷却至室温，沉积金属镁涂层的厚度为200μm左右。总的复合涂层厚度为215μm左右。
实施例9
将片状纯钛(ti)样品用砂纸打磨至2000#，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后，放入浓度为3mol/l的naoh溶液中70℃保温24h；然后配制含nacl200mm/l,cacl24mm/l,nh4h2po42mm/l和三羟甲基氨基甲烷(tris)100mm/l的具有加速钙磷化合物沉积功能的溶液；将碱热完后基体用去离子水冲洗三次后用超声清洗仪再清洗1h，最后将清洗好的基体放在60℃温度下的上述沉积溶液中沉积12h，制备的钙磷涂层厚度为20μm左右。将纯镁块放入蒸发室目标位置，将烘干的已经制备的具有钙磷涂层的基体放置于离蒸发源300mm的位置，抽真空至10-4pa以下，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境；纯镁蒸发温度为800℃，工作真空度150pa，设定沉积温度200℃，沉积时间2.5h，镁块体蒸发为镁蒸气扩散并且沉积在基体最外面，反应完成后随炉冷却至室温，沉积金属镁涂层的厚度为200μm左右。总的涂层厚度为220μm。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。