在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙-磷涂层的方法与流程

本发明属于生物材料表面涂层技术领域，具体为一种在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙-磷涂层的方法。

背景技术：

锌合金作为新型的可降解医用金属材料，展现出良好的应用前景。首先，锌作为人体必需的微量元素，参与了人体内多种细胞代谢过程，对人体的正常生长发育、伤口愈合、免疫功能、以及味觉感官等都起到了重要的调节作用。锌的每日膳食推荐量在2-10mg，最高摄入量为40mg，但高于此值时仍不会导致明显毒性。因此，锌合金作为可降解医用植入材料具有良好的生物安全性。其次，锌的腐蚀电位介于镁和铁之间，使其拥有更为适中的降解速率，能够更好地与组织愈合速度相匹配。现有动物体内研究结果还发现，锌合金在体内呈现“先慢后快”的降解模式，能够更好地满足临床治疗的使用要求。另外，锌合金的熔点较低，且其熔体在空气中相对稳定，使得锌合金的熔炼和后续加工更加简单经济。

可降解锌合金用于骨内植物材料，不仅能避免患者二次取出手术的痛苦，而且相比于可降解镁合金而言，其降解速率适中，不会在植入部位产生明显气泡阻碍患处愈合，展现出良好的应用优势。目前研究结果发现，锌合金植入肌体内不但不会引发周围组织的炎性发应，甚至有利于骨组织的修复愈合，显示了良好的生物相容性。但是，锌合金降解所释放的锌离子对成骨细胞会产生双效作用。低浓度的锌离子能够促进细胞的成骨分化、增强骨组织再生以及提高骨界面的结合强度，而过高浓度的锌离子则显示出较高的细胞毒性，不仅会降低细胞的增殖速度，还可能引起细胞的迅速凋亡。因此，为了保证植入前期种子细胞在锌合金表面正常的粘附与增殖活动，必须要实现医用锌合金的可控降解，将锌离子的释放速率控制在一定的范围内，以保证锌合金表面的生物相容性。

表面改性是一种能够有效改善材料表面功能特性的技术手段，其中钙-磷盐类涂层拥有与骨组织相近的结构，具备良好的生物相容性和生物活性，常被用于骨内植物的表面改性，以提高材料表面的生物相容性。对于可降解的金属材料，钙-磷涂层还能够有效调控金属离子的释放速率，实现材料的可控降解。然而，尽管现如今锌合金作为新型可降解医用金属材料的研究日趋火热，且大量研究结果已证明锌离子的过快释放会给细胞带来明显毒害作用，但是到目前为止，仍旧没有可降解医用锌合金表面钙-磷涂层制备技术的相关报道。原因是常规钛合金植入器械表面的钙-磷盐类涂层均是通过高温热喷涂的工艺获得结合力较高的涂层，而锌合金熔点较低(纯锌熔点420℃)，无法在锌合金材料表面采用常规热喷涂工艺获得钙-磷盐类涂层。常规的镁合金植入器械表面的钙-磷盐类涂层是通过电化学沉积、仿生矿化等工艺获得，而锌合金的腐蚀降解机理和速率与镁合金差异较大，不太适用于上述常规工艺方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种在可降解锌合金表面制备生物活性钙-磷涂层的工艺方法，本发明通过化学沉积法所制备的钙-磷涂层与基体结合力高，能够有效降低锌合金表面的锌离子释放速率，从而显著提高锌合金表面的细胞相容性。同时，该处理工艺还拥有操作简单易行，无需特殊设备的优点,所制备的钙-磷涂层厚度可调控。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种在可降解锌合金表面制备生物活性钙-磷涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、对可降解锌合金表面进行预处理；所述预处理包括碱溶液预处理和紫外臭氧清洗的步骤；

b、将步骤a处理后的可降解锌合金置于混合磷酸盐溶液中恒温浸泡，即得所述生物活性钙-磷涂层。

优选地，所述碱溶液预处理的温度为20-80℃，预处理时间为1-120s；所述碱溶液为包括碳酸钠和/或氢氧化钠的混合溶液；若采用其他盐或碱，如镁盐、氢氧化镁等，制备的涂层致密度较差，生物相容性提高效果不佳。

所述紫外臭氧清洗锌合金表面的时间为1-20min。可以进一步去除锌合金表面的有机物残留，避免其对后续钙-磷涂层生长产生不利影响。

更优选地，所述碱溶液中，碳酸钠的浓度为0.2-2mol/l，氢氧化钠的浓度为0.1-1mol/l。所述碳酸钠和/或氢氧化钠的浓度过低时，做出的涂层不够致密；浓度太高，则溶液碱性太强，迅速产生大量沉淀无机盐颗粒，也会影响制备出的涂层微结构。

所述的预处理能够去除锌合金表面油脂和氧化皮，利于钙磷涂层在锌合金表面的均匀生长和紧密结合。

优选地，步骤b中，所述混合磷酸盐溶液包括磷酸盐和/或硝酸盐、h2o2。

优选地，所述磷酸盐选自ca3(po4)2、ca(h2po4)2·h2o、cahpo4·2h2o、na2hpo4·12h2o、nah2po4·2h2o中的一种或几种的组合；所述硝酸盐选自ca(no3)2、kno3、nano3中的一种或几种的组合。

优选地，所述混合磷酸盐溶液包括质量比为3-11：0-10：2-7的磷酸盐、硝酸盐和h2o2。各组分的质量比在此范围内可形成致密完整的钙磷盐涂层。

优选地，所述混合磷酸盐溶液选自以下任一质量比混合形成的溶液：

a)ca(h2po4)2·h2o:h2o2＝3:2；

b)ca(h2po4)2·h2o:nah2po4·2h2o:h2o2＝6:5:4；

c)ca3(po4)2:na2hpo4·12h2o:ca(no3)2:h2o2＝6:4:10:7；

d)ca(h2po4)2·h2o:cahpo4·2h2o:kno3:h2o2＝3:1:2:2；

e)cahpo4·2h2o:nano3：h2o2＝5:5:3。

采用上述特定质量比混合形成的溶液，可获得最佳性能的钙磷盐涂层。

优选地，步骤b中，所述恒温浸泡的温度为4-80℃，浸泡时间为1-96小时。所述的恒温浸泡过程中，混合磷酸盐溶液可以为静置或搅拌状态。温度过低时，水溶液本身接近冰点，不利于反应进行；温度过高，腐蚀反应占主导，不利于结晶层沉积。浸泡时间太短，涂层太薄起不到提高生物相容性作用；而浸泡时间太长，反应已达到平衡，涂层厚度已很难增加。

优选地，步骤b中，所述制得的生物活性钙-磷涂层的厚度为1-100μm。若厚度大于100μm，则对材料的性能将不再具有改善作用。

优选地，所述可降解锌合金选自zn-cu系、zn-mg系、zn-sr系、zn-mn系、zn-li系、zn-ag系或zn-re系锌合金；

所述步骤a还包括在预处理前，将可降解锌合金制成骨内植物器械的步骤。

优选地，所述骨内植物器械包括骨板、骨钉、髓内针、骨组织工程支架等骨修复相关的内固定物。

第二方面，本发明提供了一种表面为生物活性钙-磷涂层的可降解锌合金，所述生物活性钙-磷涂层的厚度为1-100μm；所述可降解锌合金选自zn-cu系、zn-mg系、zn-sr系、zn-mn系、zn-li系、zn-ag系或zn-re系锌合金。

第三方面，本发明提供了一种表面为生物活性钙-磷涂层的可降解锌合金在制备骨内植物器械中的应用。

本发明首先将锌合金骨内植物器械样品置于碱溶液中进行预处理，去除样品表面油脂和氧化皮；然后,采用紫外臭氧清洗仪处理样品，以去除样品表面残留的有机物；最后，通过在混合磷酸盐处理溶液中恒温浸泡一段时间，在锌合金内植物器械表面制备一层具有生物活性的钙-磷涂层。所述的生物活性钙-磷涂层，不仅能有效调控锌合金内植物器械的降解速率，提高锌合金内植物器械表面的生物相容性，还具备良好的骨诱导功能，可以促进植入体和周围骨组织之间的界面结合，同时涂层自身可缓慢降解。

本发明通过简便易行的化学反应沉积法，无需专门设备，可方便调控涂层厚度和表面形貌，进而控制锌合金表面锌离子的释放速率，从而显著改善可降解医用锌合金表面的生物相容性和降解特性。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明提出一种用于可降解锌合金骨内植物器械表面制备生物活性钙-磷涂层的方法，该涂层能够显著提高锌合金骨内植物表面的生物相容性以及生物活性，根据使用需求调控可降解锌合金的前期降解速率，增强植入物与骨组织的结合强度。

2.本发明采用简单易行的化学沉积法，无需专门设备，可方便调控涂层厚度和表面形貌，成本低，适用于任何形状的骨内植物器械样品。

3.本发明适用当前所有医用锌合金材料。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为锌合金样品表面制备的生物活性钙-磷涂层的xrd衍射图谱，其主要成分为透钙磷石(cahpo4.2h2o)；

图2为在锌合金骨板样品表面制备的生物活性透钙磷石涂层的sem照片，钙-磷晶粒成细条束状，条束在长度方向约为3-5μm，径向在0.5μm左右；条束之间相互堆积成簇，涂层晶粒簇之间紧密接触覆盖整个锌合金骨板表面；

图3为在多孔锌合金组织工程支架表面制备的生物活性透钙磷石涂层的sem照片，低倍下可发现涂层均匀致密地覆盖在多孔锌合金组织工程支架的孔壁表面，涂层覆盖后多孔锌支架依旧保持良好的三维连通结构；高倍下涂层形貌与在锌合金骨板表面涂层形貌相似，但其条束状钙-磷涂层晶粒的尺寸要更大一些，长度方向在5-15μm，径向尺寸在1-2μm。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

在挤压态zn-3wt％cu(zn-cu系)合金加工而成的接骨板表面制备具有生物活性的钙-磷涂层。首先将zn-3cu合金加工成zsz(q)01型直型接骨板，随后在无水乙醇中超声清洗正反两面各15min，吹干。将试样放在30℃的0.3mol/l碳酸钠和0.1mol/l氢氧化钠混合溶液中超声清洗90s，随后用去离子水和无水乙醇依次清洗后，自然晾干。然后用紫外臭氧清洗仪处理样品正反两面各5min后，将zn-3cu合金接骨板样品放入ca(h2po4)2·h2o:h2o2＝3:2(wt％，浓度分别为45g/l和30g/l)的溶液中水浴恒温(30℃)静置浸泡4h。扫描电镜观察显示钙-磷涂层的厚度为8μm，钙-磷涂层的xrd衍射图谱如图1所示，其主要成分为透钙磷石(cahpo4.2h2o)，ca/p原子比接近1:1。钙-磷涂层的sem照片如图2所示，钙-磷晶粒成细条束状，条束在长度方向约为3-5μm，径向在0.5μm左右；条束之间相互堆积成簇，涂层晶粒簇之间紧密接触覆盖整个锌合金骨板表面。涂层与zn-3cu合金接骨板基体的结合力达到20mpa，且使zn-3cu合金骨板的前期降解速率降低至裸zn-3cu合金骨板的40％，显著提高了锌合金骨板表面的细胞相容性，使其细胞毒性由3级提升到了1级。

实施例2

在多孔zn-2mg-1cu(zn-mg系)合金组织工程支架表面制备具有生物活性的钙-磷涂层。首先使用线切割将多孔zn-mg-cu合金组织工程支架(孔隙率75％，主孔径平均为500um,主孔之间的连通孔孔径平均为200um)制备成φ15*5mm的样品，依次用煤油、丙酮、去离子水和无水乙醇清洗切割后的样品，晾干。随后，在超声条件下将样品置于60℃的0.5mol/l氢氧化钠溶液中预处理30s，依次用去离子水和无水乙醇清洗后晾干。用紫外臭氧清洗仪处理样品正反两面各15min后，将zn-2mg-1cu多孔样品放入ca(h2po4)2·h2o:nah2po4·2h2o:h2o2＝6:5:4(wt％，浓度分别为24g/l、20g/l和16g/l)的溶液中恒温(20℃)浸泡12h，期间采用用电磁搅拌振荡溶液，使多孔锌合金组织工程支架内部溶液环境更加均匀。扫描电镜观察显示涂层厚度为20μm，钙-磷涂层的xrd衍射图谱如图1所示，其主要成分为透钙磷石(cahpo4·2h2o)，ca/p原子比接近1:1.1。钙-磷涂层的sem照片如图3所示，低倍下可发现涂层均匀致密地覆盖在多孔锌合金组织工程支架的孔壁表面，涂层覆盖后多孔锌支架依旧保持良好的三维连通结构。高倍下涂层形貌与在锌合金骨板表面涂层形貌相似，但其条束状钙-磷涂层晶粒的尺寸要更大一些，长度方向在5-15μm，径向尺寸在1-2μm。涂层具有良好的生物活性，显著提高了多孔zn-2mg-1cu合金组织工程支架的生物相容性，使其细胞毒性由无涂层时的3级提升到了1级。并且，涂层覆盖后多孔锌支架依旧保持三维连通的孔隙结构，支架的屈服强度略有上升。支架压缩到3％应变量时，涂层依旧与基体结合良好，说明涂层与基体的结合力很强。同时使zn-2mg-1cu合金组织工程支架的前期降解速率降低至无涂层时的35％。

实施例3

在zn-0.5sr(zn-sr系)合金骨螺钉(规格ha4.0，l＝50mm)表面制备具有生物活性的钙-磷涂层。首先将zn-0.5sr合金机加工成骨折内固定螺钉(规格ha4.0，l＝50mm)的样平，随后在无水乙醇中超声清洗20min，吹干。将试样放在50℃的1mol/l碳酸钠和0.5mol/l氢氧化钠混合溶液中超声清洗15s，随后用去离子水和无水乙醇先后清洗后，自然晾干。用紫外臭氧清洗仪处理样品正反两面各20min后，将zn-0.5sr合金骨钉样品放入ca3(po4)2:na2hpo4·12h2o:ca(no3)2:h2o2＝6:4:10:7(wt％，分别为18g/l、12g/l、30g/l、21g/l)的溶液中水浴恒温(75℃)静置浸泡48h。扫描电镜观察发现钙-磷涂层的厚度为30μm，ca/p原子比约为1:1.2，涂层具有良好的生物活性，且与zn-0.5sr合金基体的结合力达到20mpa，并使zn-0.5sr合金骨钉的前期降解速率降低至无涂层骨钉的30％，显著提高了zn-sr合金表面的细胞相容性，使其细胞毒性由3级提升到了1级。

实施例4

在挤压态zn-1ag(zn-ag系)合金制备而成的髓内针样品(φ2×100mm)表面制备具有生物活性的钙-磷涂层。首先将zn-1ag合金挤压棒材加工制备成φ2×100mm的髓内针样品，依次用600目和1200目砂纸打磨，随后在无水乙醇中超声清洗正反两面各15min，吹干。将试样放在20℃的0.5mol/l碳酸钠和0.1mol/l氢氧化钠混合溶液中超声清洗60s，随后用去离子水和无水乙醇先后清洗后，自然晾干。用紫外臭氧清洗仪处理样品正反两面各10min后，将zn-1ag合金髓内针样品放入cahpo4·2h2o:nano3：h2o2＝5:5:3(wt％，分别为30g/l、35g/l、40g/l)；的溶液中水浴恒温(25℃)静置浸泡72h。扫描电镜观察可见钙-磷涂层的厚度为60μm，ca/p原子比约为1:1.3，涂层具有良好的生物活性，且与zn-1ag合金基体的结合力达到20mpa，并使zn-1ag合金的前期降解速率降低至无涂层金属的28％以下，显著提高了zn-1ag合金表面的细胞相容性，使其细胞毒性由3级提升到1级。

实施例5

在挤压态zn-3wt％cu(zn-cu系)合金加工而成的接骨板表面制备具有生物活性的钙-磷涂层。首先将zn-3cu合金加工成zsz(q)01型直型接骨板，随后在无水乙醇中超声清洗正反两面各15min，吹干。将试样放在80℃的2mol/l碳酸钠和0.1mol/l氢氧化钠混合溶液中超声清洗120s，随后用去离子水和无水乙醇依次清洗后，自然晾干。然后用紫外臭氧清洗仪处理样品正反两面各5min后，将zn-3cu合金接骨板样品放入ca(h2po4)2·h2o:h2o2＝3:2(wt％，浓度分别为45g/l和30g/l)的溶液中水浴恒温(4℃)静置浸泡96h。扫描电镜观察显示钙-磷涂层的厚度为1μm，ca/p原子比接近1:1，涂层与zn-3cu合金接骨板基体的结合力达到20mpa，且使zn-3cu合金骨板的前期降解速率降低至裸zn-3cu合金骨板的40％，显著提高了锌合金骨板表面的细胞相容性，使其细胞毒性由3级提升到了1级。

实施例6

在挤压态zn-2wt％cu(zn-cu系)合金加工而成的接骨板表面制备具有生物活性的钙-磷涂层。首先将zn-3cu合金加工成zsz(q)01型直型接骨板，随后在无水乙醇中超声清洗正反两面各15min，吹干。将试样放在60℃的1mol/l碳酸钠和1mol/l氢氧化钠混合溶液中超声清洗1s，随后用去离子水和无水乙醇依次清洗后，自然晾干。然后用紫外臭氧清洗仪处理样品正反两面各1min后，将zn-2cu合金接骨板样品放入ca(h2po4)2·h2o:h2o2＝3:2(wt％，浓度分别为45g/l和30g/l)的溶液中水浴恒温(80℃)静置浸泡1h。扫描电镜观察显示钙-磷涂层的厚度为100μm，ca/p原子比接近1:1，涂层与zn-3cu合金接骨板基体的结合力达到18mpa，且使zn-3cu合金骨板的前期降解速率降低至裸zn-3cu合金骨板的20％，显著提高了锌合金骨板表面的细胞相容性，使其细胞毒性由3级提升到了0-1级。

对比例1

本对比例与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例将试样放置在30℃的0.3mol/l硝酸钠和0.1mol/l氢氧化钠混合溶液中超声清洗90s。

所得涂层为非均匀表面形貌，经eds检测几乎全部为zn合金基底信号，仅极少量zn(oh)2,应是由于zn(oh)2为两性化合物，遇较强碱性环境生成na2zno2溶于水，zn(oh)2+2naoh＝na2zno2+2h2o。经这种处理后材料细胞毒性依然很差，为3级。

对比例2

本对比例与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例次采用的混合磷酸盐处理溶液为ca(h2po4)2·h2o:h2o2＝2:3(wt％,浓度分别为30g/l和45g/l)的溶液。

所得涂层为涂层成分为cazn2(po4)2，主要差别在于混合磷酸盐溶液各组分比例不在本发明记载范围内，得到的涂层表面形貌疏松不致密，涂层厚度较薄，经过该处理后细胞毒性仅由3级提高到2-3级，提高生物相容性效果不明显。

综上所述，本发明先通过碱液处理和紫外臭氧清洗获得洁净活化表面，随后在混合磷酸盐溶液中恒温浸泡，在可降解医用锌合金材料表面获得生物活性的钙-磷涂层。本发明通过简单易行的化学沉积法，无需专门设备，可方便调控涂层厚度，进而控制锌合金表面锌离子的释放速率，从而显著改善可降解医用锌合金骨内植物表面的生物相容性和降解特性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。