专利名称：碘抗菌羟基磷灰石涂层钛和钛合金内植物的设计和制备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种碘抗菌羟基磷灰石复合涂层金属内植物的设计、制备及应用，属于医学生物材料制备技术领域。
背景技术：
羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA)是一种典型的生物活性材料，当其植入人体时不仅能引导成骨，而且能与新骨形成骨性结合，而不产生炎症或刺激反应。因此，常被用作人工骨、人工关节、人工齿根及骨填充材料等。羟基磷灰石虽具有良好的生物活性和相容性，但力学性能尚有不足，难以满足医学要求。钛及钛合金的抗蚀性、生物相容性、骨骼融合性、力学性能、可加工性等都符合生物材料的要求，并解决了羟基磷灰石强度低，韧性及力学性能差等缺陷。但钛合金本身并不具有引导成骨的特性，因此，钛及钛合金表面生成羟基磷灰石、使植入物兼具金属基材料优良力学性能和羟基磷灰石良好生物活性成为研究热点并获得突破性进展。目前，带有羟基磷灰石涂层的钛和钛合金材料作为人工关节、牙齿种植体、骨折及脊柱矫形和融合等内固定材料等已广泛用于临床，造福广大患者，但同时由植入物引起的相关性感染已成为其使用的最严重、甚至灾难性并发症，尤其在开放骨折、关节返修时更易发生感染，而且羟基磷灰石涂层也是细菌附着的便利场所，金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌等骨科常见致病菌在内植物表面黏附、繁殖并形成细菌生物被膜，导致急、慢性感染，使手术失败甚至危及患者生命。全身应用抗生素是治疗感染的有效方法， 但内植物相关感染时由于表面细菌生物膜的形成以及局部血液循环的破坏，全身应用抗生素很难达到局部所需血药浓度、根治感染，且长期大量全身应用抗生素会对肝肾脑等重要脏器产生严重的毒副作用及二重感染等。目前认为，对生物材料进行表面处理使之兼具防治感染的作用是避免此类并发症的理想方法。新近，有研究报道将抗菌素引入羟基磷灰石涂层制备具有抗菌性能的生物活性涂层，但局部应用抗生素易使机体产生细菌耐药性，故应慎重使用，而且在抗生素控释及其载体稳定性等多方面尚存在问题。由于银离子具有高效抗菌作用近来引起研究者的广泛兴趣，并成功制备了含银的羟基磷灰石涂层，但已有研究显示银对人体具有细胞毒性，使其临床使用亦受到限制。故此，探索和制备安全有效、切实可行、新型抗菌羟基磷灰石涂层生物材料为临床迫切所需，具有重要的临床应用价值。碘的抗菌、杀菌作用早已被共识。碘通过氧化细菌细胞浆的活性基团，与蛋白质的氨基结合使之变性而发挥灭菌作用。碘伏是碘与聚乙烯吡咯酮的有机复合物，通过慢慢释放游离碘而发挥持久的消毒作用，既可以用于皮肤也可以用于黏膜和创口，甚至可用于体腔(胸腔、腹腔、关节腔)消毒灭菌，具有广泛的抗菌谱，不仅对普通细菌，而且对真菌、结核菌和病毒等均有良好的杀灭作用。而且，碘是机体所必需的元素、甲状腺素的重要成分，每天须有一定量的摄入。如果将碘结合在植入物及羟基磷灰石涂层使用，不失为高效、安全的防治植入物及其手术相关感染的手段。研究显示，制备羟基磷灰石等涂层的方法包括等离子体喷涂、磁共溅射法、生物仿生法、电化学沉积法及溶胶-凝胶法等。但目前唯一适于产业化生产羟基磷灰石涂层的仅有等离子体喷涂工艺，其他方法制作的涂层理化性能相对较差，且生产过程复杂，增加了生产成本及生产周期，限制了临床研究与使用。本发明采用真空等离子体喷涂技术，以钛和钛合金为基体制备含碘抗菌剂的羟基磷灰石涂层材料，所制备材料具有良好的生物学性能、力学性能及抗菌性能。
发明内容
基于羟基磷灰石良好的生物活性和碘的高效、安全、广谱抗菌等优点，本发明以钛和钛合金为基体，采用干料混合方法制备羟基磷灰石和聚维酮碘的混合粉料，利用真空等离子体喷涂技术，将混合材料沉积于基体上，从而制备出具有抗菌作用的羟基磷灰石生物活性涂层。本发明具体工艺过程如下按一定比例称取粒径为85-125um的羟基磷灰石粉末和粒径为80-150um聚维酮碘粉末，混和后制成碘含量为l-3wt%的混合粉末。采用真空等离子喷涂工艺，按照如下参数(表1)将混合粉末沉积于以清洗和喷砂的钛合金基体(如关节假体等)上。所制备的羟基磷灰石-聚维酮碘复合涂层呈黄绿色(图1，含碘2wt%的羟基磷灰石复合涂层的钛合金股骨柄关节假体)，涂层厚度为35-150um。具有良好的生物活性和抗菌性能。体外抗菌实验显示，复合涂层的抗菌率随碘含量的增加而增加，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及铜绿假单胞菌有明显抗菌作用(图幻。含碘l-3wt%的羟基磷灰石复合涂层无明显细胞毒性。MTT法细胞毒性检测显示，3%碘含量的复合涂层毒性为0级。急性溶血实验显示，3%碘含量复合涂层溶血率为0. 11 %。可用于骨科钛和钛合金金属植入材料表面处理提高其骨整合及抗菌性能。表1喷涂参数范围
等离子气体Ar40-45 slpm
等离子气体H2 粉末载气Ar 喷涂距离送粉速率真空度电流
8~16 slpm 2. 0 slpm 200-300 mm 10-30g/min 100-300 mbar 500—650 A
涂层厚度
slpm:标准升/分钟
150um
图1含碘2wt%的羟基磷灰石复合涂层的钛合金股骨柄关节假体图2不同碘含量的羟基磷灰石涂层对大肠杆菌、绿脓假单胞菌和金黄色葡萄球菌的抑制率
具体实施例方式1.钛和钛合金基体内植物的表面预处理清洗和喷砂预处理。2.羟基磷灰石和聚维酮碘混合粉的制备按一定比例称取羟基磷灰石粉和聚维酮碘粉，球磨干混2小时制成含碘量l-3wt%的混合粉末。3.采用真空等离子体喷涂工艺，按照如下参数(表1)将混合粉末沉积于钛和钛合金金属基体上。表1喷涂参数
等离子气体Ar 等离子气体H2 粉末载气Ar 喷涂距离送粉速率
真空度电流
涂层厚度
slpm 标准升/分钟
40-45 slpm 8-16 slpm 2. 0 slpm 200-300 mm 10-30g/min 100-300 mbar 500-650 A 150um
权利要求
1.一种以钛和钛合金(Ti-6A1-4V)为基体的碘抗菌型羟基磷灰石复合涂层，其特征在于所述复合涂层由羟基磷灰石和聚维酮碘组成；碘作为抗菌添加成分，其在复合涂层中的质量百分比为1_3%。
2.按权利要求1所述涂层，其特征在于所述羟基磷灰石粉末的颗粒直径为85-125um， 聚维酮碘颗粒直径为80-150um。
3.按权利要求1所述碘抗菌型羟基磷灰石复合涂层，其特征在于涂层厚度为 ;35-150um，孔隙为 100_400um。
4.制备如权利要求1-3任一项所述的碘抗菌型羟基磷灰石复合涂层的方法，其特征在于制备步骤是(1)钛和钛合金金属基体的表面预处理清洗和喷砂预处理。(2)将羟基磷灰石和聚维酮碘混合制成含碘量为l-3wt%的混合粉末。(3)采用真空等离子体喷涂工艺，按照如下参数将混合粉末沉积于钛和钛合金金属基体上。等离子气体Ar流量为40-4klpm，等离子气体吐流量为8-16slpm，粉末载气Ar流量为2. Oslpm，喷涂距离为200-300mm，送粉速率为10_30g/min，真空度为100_300mbar，电流为 500-650A。
5.按权利要求1-3所述的碘抗菌型羟基磷灰石复合涂层的应用，其特征在于复合涂层具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌、绿脓假单胞菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率大于95%。
6.按权利要求5所述的碘抗菌型羟基磷灰石复合涂层的应用，其特征在于复合涂层具有良好的骨传导性能和生物相容性，无细胞毒性。
全文摘要
本发明涉及一种碘抗菌羟基磷灰石复合涂层金属内植物的设计、制备及应用。这种金属内植物由纯钛或钛合金基体和碘抗菌羟基磷灰石复合涂层组成，复合涂层的成分为羟基磷灰石和聚维酮碘颗粒，其中碘作为抗菌添加成分，其在复合涂层中的质量百分比1-3％。基体经过预处理后，采用真空等离子喷涂工艺制成。此复合体既具有假体表面羟基磷灰石的骨长入特征又附加了碘的抗菌性能，具有良好的生物相容性能、生物力学性能和抗菌性能，能够防治假体等内植物相关性感染和松动，同时避免了全身应用抗菌素的毒副作用及局部应用抗菌素可能产生的耐药性等不良事件。图1含碘2wt％的羟基磷灰石复合涂层的钛合金股骨柄关节假体实例。图2不同碘含量的羟基磷灰石涂层对大肠杆菌、绿脓假单胞菌和金黄色葡萄球菌的抑制率。
文档编号C23C4/12GK102417741SQ20111013497
公开日2012年4月18日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者周君琳 申请人:周君琳