一种兼具良好生物相容性和光热转换效果的氧化钽涂层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种兼具良好生物相容性和光热转换效果的氧化钽涂层及其制备方法和应用。具体而言，是涉及一种采用等离子喷涂技术喷涂而成的氧化钽涂层及其制备方法，属于医用生物涂层技术领域。

背景技术：

由于人口老龄化、骨肿瘤、骨畸形以及交通事故等原因，金属骨植入材料在临床上得到了广泛应用，如钛全关节替代材料等。钽具有良好的抗蚀性以及促进骨再生功能，作为骨植入材料受到人们的广泛关注。

钽具有良好的生物相容性，钽金属表面致密的自然氧化层扮演着重要的角色。这层自然氧化层相对氧化钛更稳定，氧化钽层的存在阻止了电子的转移，进而阻止了化学反应的发生。这层稳定的氧化层对其生物学性能起决定性作用。氧化钽的结构非常复杂，存在多种相结构。其结构和成分的改变，极大的影响其性能。

中国专利申请201380017403.0公开了在纳米结构或纳米架构表面形成ta2o5涂层以增强成骨能力。但是该涂层并不具备光热转换效果。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种促体外成骨性能和光热性能良好的氧化钽涂层及其制备方法和应用。

第一方面，本发明提供一种促体外成骨和光热性能良好的氧化钽涂层，所述氧化钽涂层是由ta2o5粉末采用等离子喷涂方法喷涂而成。

上述氧化钽涂层具有较强的促成骨分化能力、良好的生物相容性和光热转换性能。具体而言，ta2o5在等离子喷涂过程中容易产生缺氧结构，导致富余电子向ta⁵⁺转移，生成低价态的ta离子，并发生晶格弛豫和晶格扭曲，同时氧空位在禁带中生成了缺陷能级，导致涂层禁带宽度降低，吸光度增加。一方面，等离子喷涂的氧化钽表面具有优良的化学惰性，且其特有的微米结构可以促进成骨细胞的粘附、分化，可以促进其在生物体内的快速骨键合。另一方面，等离子喷涂的氧化钽中氧空位产生的缺陷能级会导致禁带宽度降低，能够更加有效地实现光生载流子的分离输运，光吸收能力明显较强，因此可以作为光热试剂用于肿瘤的光热治疗。

较佳地，所述涂层形成于基材上，所述基材为医用金属材料，优选为钛、不锈钢、或钴铬钼合金。

较佳地，所述等离子喷涂方法为大气等离子喷涂或真空等离子喷涂。

较佳地，所述氧化钽涂层的厚度为20～300μm。

如上所述，ta2o5在等离子喷涂过程中容易产生缺氧结构，导致富余电子向ta⁵⁺转移，生成低价态的ta离子，并发生晶格弛豫和晶格扭曲，同时氧空位在禁带中生成了缺陷能级，导致涂层禁带宽度降低，吸光度增加，因此所述氧化钽涂层可呈黑色。

第二方面，本发明提供一种上述氧化钽涂层的制备方法，由ta2o5粉末采用大气等离子喷涂方法在基材上喷涂而制得所述氧化钽涂层，其中，大气等离子喷涂的工艺条件如下：等离子体气体ar流量为30～50slpm；等离子体气体h2流量为6～18slpm；喷涂距离为80～200mm；喷涂功率为30～55kw；送粉速率为8.0～30g/min。

第三方面，本发明提供另一种上述氧化钽涂层的制备方法，由ta2o5粉末采用真空等离子喷涂方法在基材上喷涂而制得所述氧化钽涂层，其中，真空等离子喷涂的工艺条件如下：真空度为80～100mbar，等离子体气体ar流量为30～50slpm；等离子体气体h2流量为6～18slpm；喷涂距离为80～330mm；喷涂功率为30～55kw；送粉速率为8.0～30g/min。

较佳地，所述ta2o5粉末由粒径为1～100μm的原始ta2o5粉末经过喷雾造粒技术球化而得。

较佳地，将所述原始ta2o5粉末制备成固含量为30％～60％的浆料，喷入喷雾造粒机中，通过喷雾造粒得到球化粉料。

第四方面，本发明提供上述氧化钽涂层在制备硬组织的修复与替换材料中的应用，尤其是在制备骨肿瘤光热治疗剂中的应用。

附图说明

图1是喷雾造粒ta2o5粉的扫描电镜照片。

图2是大气喷涂ta2o5涂层(ato)、真空喷涂ta2o5涂层(vto)及ato、vto在450℃热处理分别的到hato，hvto的宏观照片。

图3是大气喷涂ta2o5涂层(ato)、真空喷涂ta2o5涂层(vto)及ato、vto在450℃热处理分别的到hato，hvto的xrd图。

图4是人骨髓间充质干细胞(hbmscs)在ato和vto涂层表面的细胞增殖、alp定量检测和成骨基因表达比较。

图5是ato,hato,vto,hvto样品的光热转换实验温度随时间变化曲线(a)空气中0.3w/cm²光照300s，(b)空气中0.5w/cm²光照300s，(c)pbs溶液中0.5w/cm²光照600s，(d)pbs溶液中0.75w/cm²光照600s。

图6是ato和vto在808nm激光诱导下的光热曲线(a),(c)，线性拟合图(b),(d)中是ato和vto冷却过程中的热驱动力的自然对数对时间的曲线获得相应的系统时间常数(τs)。

图7是激光照射涂层中肿瘤细胞在不同光热治疗时间的共聚焦lsm图像。

图8是ato,hato,vto,hvto涂层的电子自旋共振测试(esr)结果。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明一实施方式中，由ta2o5粉末采用等离子喷涂方法喷涂而得到氧化钽涂层。

该氧化钽涂层中存在氧空位。该涂层中可含有亚稳相的钽的氧化物，另外还可含有ta2o5相。

该氧化钽涂层由于含有氧空位，因此可呈黑色。

该氧化钽涂层可具有粗糙多孔的微米结构，可以促进成骨细胞的粘附、分化，可以促进其在生物体内的快速骨键合。因此，该氧化钽涂层具有较强的促成骨分化能力。

该氧化钽涂层中的氧空位可使光吸收能力明显较强，因此该氧化钽涂层可作为光热治疗剂。

也就是说，该氧化钽涂层兼具较强的促成骨分化能力和良好的光热转换效果，可以在硬组织的修复与替换材料中应用，特别地，可以在骨肿瘤光热治疗中作为光热治疗剂应用。

该氧化钽涂层的厚度没有特别限定，可根据需要选择，例如20～300μm。

该氧化钽涂层可形成于基材上。本发明中，对基材没有特别限定，但尤其适用于医用金属基材，例如金属骨植入材料，具体可举出：钛或不锈钢、钴铬钼合金等。

在基材上喷涂氧化钽涂层之前，可先将基材进行表面处理，例如除油-除锈-喷砂-超声清洗-烘干处理。喷砂处理的压强可为0.2～0.3mpa。通过喷砂处理，可以使基材的表面产生一定的粗糙度。这样有利于提高涂层结合力，不容易掉落。超声清洗可以是在无水乙醇溶液中超声1～2次，每次3～5分钟。烘干可以是100～120℃烘干1～2小时。

所采用的ta2o5粉体可为白色。ta2o5粉体可为球形颗粒状，其粒径范围可集中分布于10～100μm，在该粒径范围内，可以用于加强颗粒的流动性，便于后续喷涂过程。

一个示例中，将粒径为1～50μm的原始ta2o5粉末经过喷雾造粒球化得到上述ta2o5粉体。选择该粒径范围的原始ta2o5粉末，可以增加喷雾造粒所用粉浆的固含量，使得喷雾造粒所得粉末更加致密。采用喷雾造粒，可使所得的ta2o5粉末尺寸均一，具有很有的流动性。

优选地，原始ta2o5粉末的纯度w(ta2o5)>99.99％。

一个示例中，将原始ta2o5粉末配制成固含量为30％～60％的浆料。浆料中的分散介质可为水。将浆料喷入喷雾造粒机中，通过控制喷雾造粒工艺参数得到造粒粉料。例如，喷雾造粒工艺参数可为：固含量：20～60％，雾化器转速：2～3万转/分，进料速度：600～800ml/分。

在可选的实施方式中，采用大气等离子喷涂方法，以ta2o5粉体为原料，制备氧化钽涂层。大气等离子喷涂中，工作气体可为氩气和氢气。等离子体气体ar流量可为30～50slpm。等离子体气体h2流量可为6～18slpm。喷涂距离可为80～200mm，优选为100～150mm。喷涂功率可为30～55kw。送粉速率可为8.0～30g/min，优选为22～28g/min。所述的slpm是指标准升/分钟。在上述工艺条件下，可以制备出灰黑色的涂层。通过调节喷涂功率、喷涂速率和/或喷涂距离，可以调节氧化钽涂层的氧空位的含量，进而调控氧化钽涂层的生物性能和光热性能。

在可选的实施方式中，采用真空等离子喷涂方法，以ta2o5粉体为原料，制备氧化钽涂层。真空等离子喷涂中，真空度可为80～100mbar。工作气体可为氩气和氢气。等离子体气体ar流量可为30～50slpm。等离子体气体h2流量可为6～18slpm。喷涂距离可为80～330mm，优选为250～300。喷涂功率可为30～55kw。送粉速率可为8.0～30g/min，优选为22～28g/min。所述的slpm是指标准升/分钟。通过调节喷涂功率、喷涂速率和/或喷涂距离，可以调节氧化钽涂层的氧空位的含量，进而调控氧化钽涂层的生物性能和光热性能。

所制得的氧化钽涂层表现出了高光热转化性能和体外促成骨性能。

所制得的氧化钽涂层具有较高的体外成骨分化能力，特别地，由于等离子喷涂过程中氧空位的产生，材料禁带宽度降低，在近红外光区域有着较高的光吸收度，相比于热处理之后的白色ta2o5涂层，具有优异的促成骨分化性能。所制得的氧化钽涂层(黑色ta2o5涂层)表现出较强的光热转换性能，能够作为光热治疗剂应用于骨肿瘤等疾病的光热治疗中。

在此利用等离子喷涂技术，制备具有氧空位的氧化钽涂层，能够较好提高其骨整合性能，其优异的光热转换性能使之兼具肿瘤光热治疗效果，特别适用于骨肿瘤切除后的替换材料。

经实验证明，在此提供的氧化钽涂层表现出了优异的体外生物学性能。例如，大气等离子喷涂ta2o5涂层和真空等离子喷涂ta2o5涂层均表现出了较高的光热转换效率，经计算分别能够达到27.8％，30.2％，且体外细胞实验表现出良好的光热治疗效果。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明提供的生物涂层(氧化钽涂层)，不仅具有优良的生物活性和生物相容性，而且具有良好光热治疗效果；

2)本发明的制备方法具有操作简单、效率高、可重复性好、适合规模化生产等优点。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

选用粒径为10μm左右的ta2o5粉(w(ta2o5)＝99.99％)为原料(购自九江丰福新材料有限公司)，制成40％固含量的浆料进行喷雾造粒，雾化器转速：2.2万转/分，进料速度：770ml/分，制得的粉末形貌如图1所示。由图1可见，粉末大部分呈球形颗粒状，尺寸均一，约为20～80μm，具有很好的流动性。将粉体于110℃烘干1小时，冷却备用。

基体材料选用钛片，加工成φ10mm×2mm的小圆片。将钛片表面喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声清洗1次，时间3分钟，然后在100℃下干燥1小时，冷却备用；喷砂处理的压强为0.3mpa。

分别采用大气等离子真空等离子体喷涂工艺，将粉体喷涂到处理后的钛片表面。

大气等离子体喷涂工艺的条件如下：等离子体气体ar流量为40slpm，等离子体气体h2流量为10slpm，喷涂距离为120mm，喷涂功率40kw，送粉速率为24g/min。大气等离子体喷涂得到的ta2o5涂层简称为(ato)。

真空等离子体喷涂工艺的条件如下：等离子体气体ar流量为40slpm，等离子体气体h2流量为10slpm，真空度为100mbar，喷涂距离为280mm，喷涂功率40kw，送粉速率为24g/min。真空等离子体喷涂得到的ta2o5涂层简称为(vto)。

为了便于比较分析，将大气等离子喷ta2o5涂层(ato)、真空喷涂ta2o5涂层(vto)在450℃下进行热处理分别得到hato，hvto，这两种涂层均为白色，四种涂层的宏观照片如图2所示，在等离子喷涂过程中由于高温还原等离子气体的作用，涂层产生了氧空位，导致富余电子向ta⁵⁺转移，生成低价态的ta离子，并发生晶格弛豫，晶格进一步扭曲，同时氧空位在禁带中生成了缺陷能级，导致涂层禁带宽度降低，吸光度随之增加，导致涂层变黑。经过450℃热处理之后，由于热氧化过程中，氧含量的增加，氧空位的减少，涂层逐渐恢复了白色。

图3是大气喷涂ta2o5涂层(ato)、真空喷涂ta2o5涂层(vto)及ato、vto在450℃热处理分别得到hato，hvto的xrd图。由图可见，大气和真空等离子喷涂的ta2o5涂层中除了ta2o5相，还存在大量的其他亚稳相的钽的氧化物，这进一步说明了在粉末喷涂的过程中存在氧空位的产生。经过450℃热处理之后，涂层中的氧含量得到提高，亚稳的钽的氧化物得到进一步氧化，ta2o5相增多。这也是涂层进一步变白的原因。

alp活性定量检测：将细胞按5×10⁴/孔的密度接种于置放有各组样品的48孔培养板内，使用成骨诱导液培养7天。到达时间点后，使用alp定量试剂盒(南京建成生物工程研究所)对alp活性进行检测，具体操作如下：弃培养液，将样品小心清洗后转移至新的孔板内。使用0.2％tritonx-100(inpbs)溶液在冰上裂解细胞，将裂解后获得的悬液离心(4℃，10000rpm，5min)。吸取适量离心后的上层清液至96孔培养板内，按照说明书依次操作，最后在520nm波长下测量其od值。除检测alp活性外，实验中还需利用bca试剂盒测量上层清液中的总蛋白浓度，样品alp活性以其对应的总蛋白含量作标准化处理，单位为金氏单位/gprot。

图4示出了人骨髓间充质干细胞(hbmscs)在ato和vto涂层表面的细胞增殖、alp定量检测和成骨基因表达比较。可以看出，ato和vto两种黑色涂层在体内均表现出了较好的生物相容性，其中vto涂层中在喷涂过程中由于产生的氧空位更多，人骨髓间充质干细胞在涂层表面碱性磷酸酶(alp)表达更高，表明其更有利于促细胞成骨分化。

图5示出ato,hato,vto,hvto样品的光热转换实验温度随时间变化曲线，其中(a)空气中0.3w/cm²光照300s，(b)空气中0.5w/cm²光照300s，(c)pbs溶液中0.5w/cm²光照600s，(d)pbs溶液中0.75w/cm²光照600s。从图中可以看出不论在空气还是pbs溶液中ato和vto均表现出较强的光热转换效率。

在初始温度为25℃，对ato和vto在功率为0.5w/cm²的808nm激光照射下进行了温度变化曲线的测试，激光照射之后，这两个样品的温度能够从环境温度25℃升高到49℃和52℃，温差分别达到24℃和27℃(参见图6中的(a),(c))。通过公式(1)计算得到两种涂层的光热转换效率分别为27.89％与30.24％。两种样品的光热转换效率的区别与他们含有氧空位的浓度有关。

η为光热转换效率(×100％)，tmax为样品的最高温度(单位：℃)，tsurr为环境温度(单位：℃)，i为所使用的激光功率(单位：w)，aλ为样品在激发波长(λ)下的吸光度值(无量纲)，qdis为试剂空白时的热量变化(单位：j×s^-1)，h为系统热转换效率，s为容器的表面积。

图6是ato和vto在808nm激光诱导下的光热曲线(a),(c)，线性拟合图(b),(d)是分别为线性拟合ato和vto冷却过程中的热驱动力的自然对数对时间的曲线。从图6可以看出ato与vto均表现出较高的热转换率，其中vto显示出了比ato更高的转换效率。

mg-63细胞光热治疗实验：将生长状态良好处于对数期的mg-63细胞接种到直径为35mm的细胞培养皿中，细胞密度为3×10⁵/皿，37℃5％co2条件下培养24h，使细胞贴壁，然后将培养基倒掉，将细胞放置于有测试涂层样品的培养基溶液，孵育24h，用功率密度为0.5w/cm-2的880nm激光分别照射0，10min，用pbs洗2次，加200μl染料(pi和钙黄绿素)孵育20min，钙黄绿素可以将活细胞染成绿色，pi可以将死细胞染成红色，在荧光显微镜下观察并记录图片。观察细胞的死活。

图7为在有无光照的情况下四种涂层对mg-63细胞的光热治疗实验结果，绿色表示活细胞；红色表示死细胞。(a)-(d)，(i)-(l)为绿色活细胞染色图片，(e)-(h)，(m)-(p)为红色死细胞染色。在激光照射之后ato和vto涂层表面的mg-63细胞活细胞很少，表现出很好的光热治疗效果。

以上实验结果表明，利用等离子喷涂制备的ta2o5涂层，能够在表现出较高体外促成骨分化性能的同时，具有良好的光热转换性能，能够作为光热治疗剂应用于光热治疗的研究中。

对四种氧化钽涂层进行的电子自旋共振测试(esr)，esr信号与涂层中有未配对电子自旋的结构缺陷形成有关。氧空位是最常见的缺陷，喷涂五氧化二钽粒子与等离子射流交互过程中，容易造成晶格脱氧，产生氧空位，并引入中间能带，并与导带重合形成导带拖尾，使带隙大幅度减少，可见光的吸收能力显著提高，从而使得样品呈现黑色，如图8所示，vto的esr信号得到了相对最强的值，ato次之。此外，随着处理温度的升高，氧含量得到补充，450℃热处理hato和hvto的esr光谱中的信号强度随之减小，涂层也恢复白色。