一种新型白硅钙石生物活性涂层的制备方法及用途
【专利摘要】本发明提供一种医用硬组织植入体，所述植入体包括：钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或钛合金基体；沉积在所述钛基体上的白硅钙石涂层。本发明还提供相应的制备方法以及用途。本发明提供了一种可满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层。
【专利说明】一种新型白硅钙石生物活性涂层的制备方法及用途
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新的硬组织植入体材料的制备方法，更确切的说涉及的是纯钛或钛合金基体上沉积白硅钙石生物活性涂层构成的白硅钙石涂层-钛(合金)硬组织植入体材料及制备方法，属于医用生物材料领域。
【背景技术】
[0002]创伤、感染、肿瘤和先天遗传等造成的骨损伤严重影响人们的工作和生活。移植替换受损的骨组织是一种有效而经济的治疗方法。在众多骨科移植材料中，等离子喷涂生物陶瓷涂层材料由于结合了金属(或合金)优良的机械性能和生物陶瓷良好的生物学性能，成为临床上广泛应用的承载骨植入材料之一。由于常用的生物陶瓷涂层不是生物活性较差，就是与基体钛合金的结合强度较低，或是体内稳定性较差。人们采用大量措施进行改善，但都未取得满意的结果。
[0003]因此，本领域技术人员致力于寻找满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层，同时还要满足涂层与金属基体之间热膨胀系数以形成良好结合。
[0004]综上所述，本领域缺乏一种可满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层。
[0005]因此，本领域迫切需要开发可满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层。
【发明内容】
[0006]本发明的第一目的在于获得一种具有满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层的医用硬组织植入体。
[0007]本发明的第二目的在于获得一种具有满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层的医用硬组织植入体的制备方法。
[0008]本发明的第三目的在于获得一种具有满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层的医用硬组织植入体的制备方法。
[0009]本发明的第四目的在于获得一种具有满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层的移植物。
[0010]在本发明的第一方面，提供了一种医用硬组织植入体，所述植入体包括:
[0011 ] 钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或钛合金基体；
[0012]沉积在所述钛基体上的白硅钙石涂层。
[0013]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述白硅钙石涂层的厚度是30~500 μ m。
[0014]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述白硅钙石涂层的主要晶相为白硅钙石相。
[0015]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述钛合金包括T1-6Al-4V，T1-5Al_2.5Fe, T1-6Al-7Nb, T1-13Nb-13Zr, T1-12Mo-6Zr-2Fe, T1-35Nb-7Zr-5Ta, Ti_29Nb-13Ta_7.1Zr, T1-29Nb-13Ta-4.6Zr, T1-35Nb-5Ta-7Zr-0.40，T1-15Mo-5Zr-3Al,或 T1-Mo。
[0016]在一个【具体实施方式】中，所述钛合金基体是T1-6A1_4V基体。所述“T1-6A1_4V基体”可以市售得到，例如上海艳钛金属材料有限公司。
[0017]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述涂层的结合强度采用ASTM C633-79方法测得为41.1-49.8MPa ;优选的，白硅钙石涂层的结合强度为46.1~49.8MPa。
[0018]具体的例如，白硅钙石涂层的结合强度为46.5±0.4MPa。(例如使用表3喷涂参数制备的白硅钙石涂层的结合强度46.5MPa)
[0019]更优选的，白硅钙石涂层的结合强度为49.5±0.3MPa。(例如使用表4喷涂参数制备的白硅钙石涂层的结合强度49.8MPa)。
[0020]本发明的第二方面提供一种本发明所述的医用硬组织植入体的制备方法，其包括如下步骤:
[0021]提供钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；
[0022]提供白硅钙石粉体；
[0023]采用大气等离子喷涂方法将所述白硅钙石粉体沉积于所述钛基体的表面，得到所述医用硬组织植入体。
[0024]优选的，所述钛基体经过表面处理，所述表面处理包括清洗、或喷砂。
[0025]在本发明的一个【具体实施方式】中，采用化学法合成白硅钙石粉体，
[0026]得到的白硅 钙石粉体通过造粒制成粒径为40-80 μ m的颗粒。
[0027]在一个优选实施方式中，所述的造粒工艺是将0.5-10 μ m白硅钙石粉体压制成陶瓷片，在1300-1400° C的高温下煅烧3-8个小时，破碎，过200目-400目筛，得到粒径为40-80 μ m的白硅钙石颗粒。
[0028]在本发明的一个【具体实施方式】中，
[0029]所述大气等离子喷涂技术的工艺参数是:
[0030]等尚子气体Ar流量为35_45标准升/分钟，
[0031]H2流量为5-15标准升/分钟，
[0032]喷涂距离为80-130_，
[0033]粉末载气流量为1.5-3.0标准升/分钟，
[0034]送粉速率为15_40g/min，
[0035]喷涂电流为550-650A，
[0036]电压为60-70V。
[0037]优选地，喷涂电流为600-650A。
[0038]本发明的第三方面提供一种白硅钙石涂层在所述的医用硬组织植入体的应用。
[0039]本发明的第四方面提供一种移植物，所述移植物含有曹凤梅所述的医用硬组织植入体和接种于所述医用硬组织植入体的干细胞，所述干细胞选自骨髓基质干细胞或脂肪干细胞，并且干细胞的接种量为2 X 10卜5 X IO7个细胞/cm2医用硬组织植入体。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]通过下面的结合附图对本发明所做的详细说明，可以更好的理解上文所述的内容。其中所给附图为实例2的结果[0041]图1为白硅钙石造粒后粉体和等离子喷涂涂层的XRD图(横轴为扫描角度，纵轴为强度)。图中的粉体晶相为纯的白硅钙石相，涂层的主晶相为白硅钙石相，同时含有部分的非晶相。
[0042]图2为白硅钙石涂层表面和截面的SEM图。
[0043](a)为白硅钙石涂层表面形貌图；
[0044](b)为白硅钙石涂层抛光截面形貌图，涂层的厚度为200-300 μ m，涂层与基体结合紧密，结合处没有裂纹。
[0045]图3为白硅钙石涂层在在模拟体液中浸泡2天后表面的SEM图，从图(a)可以看出涂层表面沉积了一层类骨磷灰石矿化物，从(b)图可以看出沉积物为蠕虫状结构。
[0046]图4为白硅钙石涂层在模拟体液中浸泡2天后的FTIR图(横坐标为波数，纵坐标为透过率)，与没有浸泡过的涂层相比,563,601和llOOcnT1处为PO广的吸收峰。1400-1550cm^处为⑶广的红外吸收峰。870cm-1处的吸收峰为⑶广和ΗΡ042_共同作用形成的。3700-2500(31^1处为0H_的吸收峰，1650cm^为水的吸收峰。结果表明白硅钙石涂层表面沉积物为类骨磷灰石。
[0047]图5为白硅钙石涂层在模拟体液中浸泡14天后截面抛光形貌图。可以看出浸泡后的涂层由类骨磷灰石层、富硅层和原始涂层三层构成。类骨磷灰石层的厚度约为10 μ m，显示涂层具有优异的磷灰石矿化能力。
[0048]图6兔子骨髓间充质干细胞在白硅钙石涂层表面培养I天(a)和3天(b)表面形貌的SEM图。(C)和⑷分别是(a)和(b)的局部放大图。(e)和(f)为白硅钙石涂层细胞培养I天和3天后表面的EDS图。从图中可以看出，白硅石涂层在培养基中培养I天和3天后，表面形成了一层棒状的`沉积物。从(f)图中可以看出，沉积物的Ca/P比为1.7，接近羟基磷灰石的Ca/P比(Ca/P=l.67)，再次证明白硅钙石涂层具有优异的磷灰石矿化能力。细胞在白硅钙石涂层表面经过I天培养后呈伸展状态(a)，高倍SEM照片显示细胞紧密贴附于涂层表面沉积的羟基磷灰石上，并可以观察到细小的伪足(C)。经过3天的培养后，细胞数量显著增多，相互连结形成网状(b)。
[0049]图7为兔子骨髓间充质干细胞在白硅钙石涂层和羟基磷灰石涂层表面培养1，3，7天后的MTT测试结果(横坐标为培养天数，纵坐标为相对细胞数量)。从图中可以看出，培养3天和7天后，细胞在白硅钙石涂层表面的增殖速度高于羟基磷灰石涂层。
【具体实施方式】
[0050]本发明人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，获得了一种适用于钛合金表面的生物陶瓷涂层满足生物活性、与基体钛合金的结合强度、体内稳定性各方面要求的生物陶瓷涂层。在此基础上完成了本发明。
[0051]本发明的技术构思如下:
[0052]本发明涉及一种新的硬组织植入体材料的制备方法，更确切的说涉及的是在纯钛或钛合金基体上沉积白硅钙石(Ca7MgSi4O16)生物活性涂层，即白硅钙石-钛合金硬组织植入体材料及其制备方法，属于医用生物材料领域。其特点是白硅钙石涂层的主要晶相为白硅钙石相，同时允许有部分无定形相存在。制备的方法为用化学法合成纯的白硅钙石粉体，然后将粉体造粒制成粒径为40-80 μ m的等离子喷涂颗粒。白硅钙石涂层与钛合金基体的结合强度可达49.8MPa，高于临床上使用的羟基磷灰石涂层和其它常见的等离子喷涂生物活性陶瓷涂层。同时其磷灰石矿化能力高于常见的钙硅基生物活性涂层(如硅酸钙、透辉石、榍石涂层等)。白硅钙石涂层具有良好的生物活性，相对于传统的羟基磷灰石具有促进成骨细胞增殖和分化的能力。综上，白硅钙石涂层是一种性能优良的新型硬组织植入体材料。
[0053]本发明中，术语“含有”或“包括”表示各种成分可一起应用于本发明的混合物或组合物中。因此，术语“主要由...组成”和“由...组成”包含在术语“含有”或“包括”中。
[0054]术语“纯化的或分离的”指纯化的或分离的物质基本上不含有其他细胞、蛋白质或多肽。
[0055]术语“异种移植”指将所需生物材料(如干细胞)从某一物种中取出并再施用于另一物种对象的方法。
[0056]术语“自体移植”指将所需生物材料(如干细胞)从某病人中取出并再施用于同一病人的方法。
[0057]术语“异体移植”指将所需生物材料(如干细胞)从同一物种的某个体中取出并再施用于另一不同病人的方法。
[0058]医用硬组织植入体
[0059]本发明的一种医用 硬组织植入体，所述植入体包括:
[0060]钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或钛合金基体；
[0061 ] 沉积在所述钛基体上的白硅钙石涂层。
[0062]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述涂层的结合强度采用ASTM C633-79方法测得为 41.1-49.8MPa。
[0063]优选的，白硅钙石涂层的结合强度为46.1~49.8MPa。
[0064]优选的，白硅钙石涂层的结合强度为46.5±3.0MPa0 (例如使用表3喷涂参数制备的白硅钙石涂层的结合强度46.5MPa)
[0065]更优选的，白硅钙石涂层的结合强度为49.5±4.0MPa。(例如使用表4喷涂参数制备的白硅钙石涂层的结合强度49.8MPa)。
[0066]本发明是基于白硅钙石陶瓷具有良好机械性能、磷灰石矿化能力和生物活性提出的。利用等离子喷涂技术，将白硅钙石粉体沉积于钛合金基体上，制备出一种与基体结合良好，具有优秀的磷灰石矿化能力和生物活性的硬组织植入材料。
[0067]白硅钙石陶瓷具有优异的机械性能、磷灰石矿化能力和生物活性。白硅钙石陶瓷的抗弯强度和杨氏模量分别为约156MPa和43GPa，与皮质骨相近(皮质骨的抗弯强度为50-150MPa，杨氏模量为7_30GPa);白硅钙石陶瓷的断裂韧性为1.57MPa.m1/2，高于煅烧后的羟基磷灰石陶瓷(羟基磷灰石陶瓷的断裂韧性为06-1.0MPa *m1/2)。白硅钙石粉体、陶瓷和支架在模拟体液中浸泡后能在其表面形成一层羟基磷灰石矿化层。成骨细胞在白硅钙石陶瓷和支架表面贴附和铺展良好，白硅钙石的溶出物在一定的浓度范围内能显著促进细胞生长。另外，白硅钙石支架材料在一定的剂量范围内具有抗菌作用。同时，白硅钙石作为涂层材料制备出具有生物活性和生物相容性的生物医用材料在国内外尚未见报导。因此，制备白硅钙石涂层-钛合金硬组织植入体材料具有很强的实用意义。
[0068]白硅钙石涂层-钛合金承载骨植入材料的结合强度是用ASTM C633-79方法测得的，涂层的结合强度为41.1-49.8MPa，高于羟基磷灰石涂层(一般15_20MPa)和其它常见的生物活性涂层。等离子喷涂白硅钙石涂层的主要晶相是白硅钙石相，同时含有部分无定形相存在(图1)。模拟体液浸泡实验表明，经过2天的浸泡，白硅钙石涂层表面覆盖了一层类骨磷灰石(图4)，这表明等离子喷涂白硅钙石涂层具有优秀的矿化能力，高于常见的钙硅基活性陶瓷涂层(如硅酸钙、透辉石、榍石涂层等)。兔子骨髓间充质干细胞培养实验表明，细胞能在白硅钙石涂层表面很好的粘附和增殖(图6)，同时MTT测试显示兔子骨髓间充质干细胞在白硅钙石涂层表面的增殖高于常用的羟基磷灰石涂层(图7)。
[0069]钛某体
[0070]优选的，所述钛基体经过表面处理，所述表面处理包括清洗、或喷砂。
[0071]钛合金基体的清洗和喷砂是一般等离子喷涂过程中常用的工艺，其工艺参数无需在此详述，本领域的一般技术人员均能掌握并熟知。
[0072]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述钛合金包括T1-6A1_4V，Ti_5Al_2.5Fe, T1-6Al-7Nb, T1-13Nb-13Zr, T1-12Mo-6Zr-2Fe, T1-35Nb-7Zr-5Ta, Ti_29Nb-13Ta_7.1Zr, T1-29Nb-13Ta-4.6Zr, T1-35Nb-5Ta-7Zr-0.40，T1-15Mo-5Zr-3Al,或 T1-Mo。
[0073]在一个【具体实施方式】中，所述钛合金基体是T1-6A1_4V基体。所述“Ti_6Al_4V基体”可以市售得到，例如上海艳钛金属材料有限公司。
[0074]白硅钙石涂层
[0075]白硅钙石涂层的厚度可以根据不同的需求改变，可以做到500-600 μ m甚至I毫米，或者50-60 μ m都可以。实验室一般喷涂的厚度可以为200-300 μ m。作为实际应用时，其厚度一般为50-60 μ m。
[0076]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述白硅钙石涂层的厚度是30~500 μ m。
[0077]所述白硅钙石可市售获得，或是通过本领域的常规方法制得。所述制备方法是已知的，只要获得本发明所需的粉体即可。例如采用化学法合成白硅钙石粉体。
[0078]在本发明的一个【具体实施方式】中，所述白硅钙石涂层的主要晶相为白硅钙石相。
[0079]本领域技术人员还可以对涂层的组成和结构进行进一步设计:
[0080]例如，如混合涂层、梯度涂层、存在致密中间过渡层的涂层。
[0081]还可以对涂层进行后处理，例如缓热或缓冷处理或后续水热处理。
[0082]医用硬组织植入体的制备方法
[0083]本发明提供所述的医用硬组织植入体的制备方法，其包括如下步骤:
[0084]提供钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体；
[0085]提供白硅钙石粉体；
[0086]采用大气等离子喷涂方法将所述白硅钙石粉体沉积于所述钛基体的表面，得到所述医用硬组织植入体。
[0087]优选的，所述钛基体经过表面处理，所述表面处理包括清洗、或喷砂。
[0088]在本发明的一个【具体实施方式】中， [0089]采用化学法合成白硅钙石粉体，
[0090]得到的白硅钙石粉体通过造粒制成粒径为40-80 μ m的颗粒。
[0091]在一个优选实施方式中，所述的造粒工艺是将0.5-10 μ m白硅钙石粉体压制成陶瓷片，在1300-1400° C的高温下煅烧3-8个小时，破碎，过200目-400目筛，得到粒径为40-80 μ m的白硅钙石颗粒。
[0092]在本发明的一个【具体实施方式】中，
[0093]所述大气等离子喷涂技术的工艺参数是:
[0094]等尚子气体Ar流量为35_45标准升/分钟，
[0095]H2流量为5-15标准升/分钟，
[0096]喷涂距离为80-130_，
[0097]粉末载气流量为1.5-3.0标准升/分钟，
[0098]送粉速率为15_40g/min，
[0099]喷涂电流为550-650A，
[0100]电压为60-70V。
[0101]本发明的具体工艺过程如下:选取白硅钙石粉体，同时为了提高原料的流动性和沉积效率，对粉体进行造粒。具体的说就是将白硅钙石粉体压片，然后在高温下煅烧，破碎，过筛，最后得到粒径为40-80 μ m的白硅石造粒后颗粒。之后在优化的工艺参数(见表1)下将白硅钙石粉体喷涂于已清洗和喷砂的钛合金基体上。表1喷涂参数
【权利要求】
1.一种医用硬组织植入体，其特征在于，所述植入体包括: 钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或钛合金基体； 沉积在所述钛基体上的白硅钙石涂层。
2.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述白硅钙石涂层的厚度是30~500 μ m0
3.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述白硅钙石涂层的主要晶相为白硅钙石相。
4.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述钛合金包括T1-6A1-4V，Τ?-5Α1-2.5Fe, T1-6Al-7Nb, T1-13Nb-13Zr, T1-12Mo-6Zr-2Fe, T1-35Nb-7Zr-5Ta, Ti_29Nb-13Ta_7.1Zr，T1-29Nb-13Ta-4.6Zr, T1-35Nb-5Ta-7Zr-0.40，T1-15Mo-5Zr-3Al,或 T1-Mo。
5.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述涂层的结合强度采用ASTMC633-79方法测得为41.1-49.8MPa ;优选的，白硅钙石涂层的结合强度为46.1~49.8MPa。
6.一种如权利要求1所述的医用硬组织植入体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 提供钛基体，所述钛基体包括纯钛基体或是钛合金基体； 提供白娃钙石粉体； 采用大气等离子喷涂方法将所述白硅钙石粉体沉积于所述钛基体的表面，得到所述医用硬组织植入体。`
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于， 采用化学法合成白硅钙石粉体， 得到的白硅钙石粉体通过造粒制成粒径为40-80 μ m的颗粒。 在一个优选实施方式中，所述的造粒工艺是将0.5-10 μ m白硅钙石粉体压制成陶瓷片，在1300-1400° C的高温下煅烧3-8个小时，破碎，过200目-400目筛，得到粒径为40-80 μ m的白硅钙石颗粒。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述大气等离子喷涂技术的工艺参数是: 等尚子气体Ar流量为35-45标准升/分钟， H2流量为5-15标准升/分钟， 喷涂距离为80-130mm, 粉末载气流量为1.5-3.0标准升/分钟， 送粉速率为15-40g/min， 喷涂电流为550-650A， 电压为60-70V。
9.一种白硅钙石涂层在医用硬组织植入体的应用。
10.一种移植物，其特征在于，所述移植物含有如权利要求1所述的医用硬组织植入体和接种于所述医用硬组织植入体的干细胞，所述干细胞选自骨髓基质干细胞或脂肪干细胞，并且干细胞的接种量为2 X IO3~5 X IO7个细胞/cm2医用硬组织植入体。
【文档编号】C23C4/12GK103861150SQ201210529149
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月10日 优先权日:2012年12月10日
【发明者】常江, 易德亮, 吴成铁, 黄利平, 郑学斌 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所