專利名稱：骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域的表面涂層的制備方法，具體是一種骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法。
背景技術(shù)：
與其它醫(yī)用金屬材料相比，鎂合金具有如下的優(yōu)勢1)可降解性。鎂合金具有較低的腐蝕電位，在含有氯離子的體內(nèi)環(huán)境下易發(fā)生腐蝕，并以緩慢腐蝕的方式在體內(nèi)完全降解，可實現(xiàn)鎂在人體中的降解吸收。2)生物安全性高。Mg作為人體必需的營養(yǎng)元素，在人體內(nèi)含量僅次于Ca、K、Na排第四。目前許多發(fā)達(dá)國家已將鎂列為人體必需元素，補(bǔ)鎂的重要性并不亞于補(bǔ)鈣。Mg的生理功能主要體現(xiàn)在它催化或激活機(jī)體325種酶系，參與體內(nèi)所有能量代謝。對肌肉收縮、神經(jīng)運(yùn)動機(jī)能、生理機(jī)能及預(yù)防循環(huán)系統(tǒng)疾病和缺血性心臟病均有重要作用。鎂的排泄主要通過泌尿系統(tǒng)，鎂在人體內(nèi)吸收不會導(dǎo)致血清鎂含量的明顯升高。因此，采用鎂合金作為醫(yī)用可降解生物材料具有良好的醫(yī)學(xué)安全性基礎(chǔ)?；蒙锪W(xué)相容性好。鎂是目前所有金屬材料中生物力學(xué)性能與人體骨最接近的金屬材料。鎂的密度為1. 74g/cm3(生物骨隨部位不同密度有較大差異，人體上最致密的牙齒密度接近2. Og/ cm3)，純鎂的彈性模量44. lGPa(稍高于一般骨12_20GPa，同齒骨40_80GPa水平相當(dāng))，抗拉強(qiáng)度120-160MPa，由此可見，鎂的物理機(jī)械性能比其它金屬材料更接近于生物骨，可有效緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)。4)成本低。鎂是包括海洋在內(nèi)地球表層最為豐富的金屬元素，價格低廉
MTv ο在骨科內(nèi)植入物領(lǐng)域的初步研究表明，鎂合金內(nèi)植入物材料有希望替代傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的不銹鋼接骨板、鋼釘?shù)裙枪潭ú牧?，與人骨的力學(xué)性能更加匹配，避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)， 從而有利于骨固定材料完成骨固定功能，即人體骨骼基本愈合后，降解成無毒無害的小分子，并經(jīng)人體循環(huán)系統(tǒng)排出體外，可避免患者二次手術(shù)取出接骨板、鋼釘?shù)鹊耐纯?。鎂合金在肌體內(nèi)不但不會引發(fā)周圍組織的炎性發(fā)應(yīng)，甚至有利于骨折的愈合，顯示了良好的生物相容性。目前遇到的最大挑戰(zhàn)是如何進(jìn)一步降低鎂合金在體內(nèi)環(huán)境中的降解速度，以便確保在修復(fù)器官恢復(fù)功能前維持其必要的強(qiáng)韌性。通過在鎂合金表面構(gòu)筑生物活性鈣-磷涂層，不僅能提高植入物的生物相容性， 促使植入體與骨組織間形成直接的化學(xué)鍵性結(jié)合，對骨組織在鎂合金表面沉積有積極的誘導(dǎo)作用，促進(jìn)骨的生長，有利于植入體早期穩(wěn)定，縮短手術(shù)后的愈合期，而且可以延緩基體在體液中的腐蝕和降解速率。目前生物鎂合金表面鈣磷涂層的制備方法主要有減熱法、微弧氧化法、離子注入法等。這些表面改性方法制備的涂層與基體的結(jié)合力差，工藝相對復(fù)雜，對設(shè)備的依賴程度高。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)張春艷等人采用預(yù)鈣吸附處理和Ca-P溶液浸泡法在鎂合金AZ31表面制備了 Ca-P涂層(張春艷，曾榮昌，陳君，楊惠，田中青.鎂合金AZ31表面液相沉積Ca-P生物陶瓷涂層的研究.稀有金屬材料與工程，2009，38 :1363-1367)。該方法為先在鎂合金AZ31表面進(jìn)行預(yù)鈣吸附處理，在鎂合金表面形成白色絮狀紡錘形沉積物，該沉積物作為形核點(diǎn)可促進(jìn)化學(xué)沉積過程中晶體的形核和長大。但是該現(xiàn)有技術(shù)中預(yù)鈣吸附處理后鎂合金表面的白色沉積物分布不均勻，導(dǎo)致Ca-P涂層分布也不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，通過化學(xué)反應(yīng)沉積法提高鎂合金的表面生物活性，同時降低鎂合金基體的腐蝕速率；同時操作工藝簡單、易行，無需專門設(shè)備，制備的鈣-磷涂層與基體結(jié)合力強(qiáng)，厚度可控。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明通過先在氫氟酸溶液恒溫浸泡，在骨內(nèi)植入物用鎂合金表面制備一層化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，然后在磷酸鹽混合液中恒溫浸泡，制備得到生物活性鈣-磷涂層。所述的骨內(nèi)植入物是指骨板、骨釘或骨組織工程支架等骨修復(fù)相關(guān)的內(nèi)固定物。所述的鎂合金是指Mg-Al系、Mg-Si系、Mg-Ca系、Mg-Mn系或Mg-RE系等鎂合金系列。所述的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜為氟化膜，可作為鎂合金基體表面的保護(hù)膜，減慢基體的腐蝕速度，并且為生物活性的鈣-磷涂層提供形核和生長的平臺，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。所述的恒溫浸泡是指在20°C環(huán)境下浸泡12-72小時。所述的磷酸鹽混合液是指NaN03、H2A與磷酸鹽的混合溶液，其中=NaNO3為2_7重量份，H2O2為1-2重量份，磷酸鹽為3-7重量份。所述的磷酸鹽為Cei3 (PO4) 2、CaHPO4、Ca (H2PO4) 2、Ca (H2PO4) 2 · H2O 或 Na3PO4 中的一種或其組合。所述的磷酸鹽混合液具體為以下任一配方a) NaNO3 Ca3 (PO4) 2 H2O2 = 7 4 2(wt% )；b)NaNO3 Na3PO4 Ca(H2PO4)2 H2O2 = 2 2 5 l(wt% )；c)NaNO3 Ca3(PO4)2 Ca(H2PO4)2 ‘ H2O H2O2 = 5 1 2 l(wt% )；d)NaNO3 Ca(H2PO4)2 ‘ H2O CaHPO4 H2O2 = 4 3 1 l(wt%)。所述的生物活性鈣-磷涂層的厚度為500nm-500 μ m。本發(fā)明的技術(shù)效果包括1.本發(fā)明提出一種鎂合金表面具有生物活性的表面涂層，該涂層由化學(xué)轉(zhuǎn)化膜和 Ca-P涂層組成。中間的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜既可以控制基體的降解速度，又可改善Ca-P涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。表面ca-p涂層提高了鎂合金植入物的生物活性，增強(qiáng)了植入物與生物體的結(jié)合強(qiáng)度，也降低了基體的腐蝕速度。2.本發(fā)明工藝簡單、易操作，無需專門設(shè)備，成本低。3.本發(fā)明適用范圍廣，適用于目前所有的鎂合金。


圖1為鎂合金表面制備的生物活性透鈣磷石(CaHPO4. 2H20)涂層的XRD衍射圖譜。圖2為優(yōu)化工藝下得到的鎂合金表面制備的生物活性透鈣磷石涂層SEM圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。實施例1在AZ31 (Mg-Al系)合金表面制備具有生物活性的Ca-P涂層。首先將AZ31鎂合金制作成030x5 mm的試樣，依次用320目的水砂紙、3號金相砂紙打磨。用無水乙醇超聲清洗lOmin，吹干。將試樣放在20% HF溶液中水浴恒溫(20°C )浸泡4h，先后用去離子水、無水乙醇清洗，吹干。然后將試樣放入NaNO3 Ca3(PO4)2 H2O2 = 7 4 2(wt% )的溶液中水浴恒溫(20°C )浸泡8h。掃描電鏡觀察到化學(xué)轉(zhuǎn)化膜厚度為150nm，成分分析結(jié)果表面該化學(xué)轉(zhuǎn)化膜為MgF2,觀察到Ca-P涂層厚度為10 μ m，Ca/P原子比為1 1。說明制得的 Ca-P表面涂層具有良好的生物活性，測試結(jié)果表明涂層與基體的結(jié)合力很強(qiáng)，超過20MPa。實施例2在NZ30K (Mg-RE系)合金表面制備具有生物活性的Ca-P涂層。首先將NZ30K 鎂合金制作成030x5 mm的試樣，依次用320目的水砂紙、3號金相砂紙打磨。用無水乙醇超聲清洗lOmin，吹干。將試樣放在60% HF溶液中水浴恒溫(20°C )浸泡16h，先后用去離子水、無水乙醇清洗，吹干。然后將試樣放入NaNO3 Na3PO4 Ca(H2PO4)2 H2O2 = 2:2:5: l(wt% )的溶液中水浴恒溫(20°C )浸泡48h。掃描電鏡觀察到化學(xué)轉(zhuǎn)化膜厚度為2 μ m，成分分析結(jié)果表面該化學(xué)轉(zhuǎn)化膜為MgF2，觀察到Ca-P涂層厚度為20 μ m，Ca/ P原子比為1.05 1，說明表面具有良好的生物活性，并且，測試結(jié)果表明涂層與基體的結(jié)合力很強(qiáng)，超過20MPa。如圖1所示，采用20% HF溶液進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化膜預(yù)處理4h，獲得100-200nm厚度的致密MgF2 中間過渡層，后在溶液組成為 NaNO3, Na3PO4, Ca3 (PO4) 2，Ca (H2PO4) 2，Ca (H2PO4) 2 -H2O, CaHPO4, H2O2中的三種或三種以上組合試劑中進(jìn)行化學(xué)處理Mh，最終獲得了具有生物活性的透鈣磷石涂層-CaH2PO4. 2H20。如圖2所示，透鈣磷石涂層形貌呈細(xì)小磷石狀晶體由基體向外生長，與基體結(jié)合強(qiáng)度高(結(jié)合力> 20MPa)，這種形貌與骨磷灰石的晶體特征非常相似，從而有利于體內(nèi)骨質(zhì)的沉積，具有更好的生物相容性。實施例3在WE43 (Mg-RE系)合金表面制備具有生物活性的Ca-P涂層。首先將TO43鎂合金制作成030x5 mm的試樣，依次用320目的水砂紙、3號金相砂紙打磨。用無水乙醇超聲清洗lOmin，吹干。將試樣放在40% HF溶液中水浴恒溫(20°C )浸泡8h，先后用去離子水、無水乙醇清洗，吹干。然后將試樣放入NaNO3 Ca3(PO4)2 Ca(H2PO4)2 · H2O H2O2 = 5:1:2: l(wt% )的溶液中水浴恒溫(20°C )浸泡Mh。掃描電鏡觀察到化學(xué)轉(zhuǎn)化膜厚度為600nm，成分分析結(jié)果表面該化學(xué)轉(zhuǎn)化膜為MgF2,觀察到Ca-P涂層厚度為30 μ m, Ca/ P原子比為1.1 1。說明獲得的Ca-P表面涂層具有良好的生物活性，測試結(jié)果表明涂層與基體的結(jié)合力很強(qiáng)，超過20MPa。實施例4在160 (Mg-Zn系)合金表面制備具有生物活性的Ca-P涂層。首先將160鎂合金制作成030x5 mm的試樣，依次用320目的水砂紙、3號金相砂紙打磨。用無水乙醇超聲清洗lOmin，吹干。將試樣放在40% HF溶液中水浴恒溫(20°C )浸泡16h，先后用去離子水、無水乙醇清洗，吹干。然后將試樣放入NaNO3 Ca(H2PO4)2 · H2O ；CaHPO4 ；H2O2 = 4:3:1: l(wt% )的溶液中水浴恒溫(20°C )浸泡56h。掃描電鏡觀察到化學(xué)轉(zhuǎn)化膜厚度為1 μ m，成分分析結(jié)果表面該化學(xué)轉(zhuǎn)化膜為MgF2,觀察到Ca-P涂層厚度為50 μ m，Ca/ P原子比為1.2 1，說明該涂層具有良好的生物活性，涂層結(jié)合力測試結(jié)果為>20MPa，表明具有優(yōu)異的結(jié)合力。
權(quán)利要求
1.一種骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，其特征在于，通過先在骨內(nèi)植入物用鎂合金依次置于氫氟酸和磷酸鹽混合液中恒溫浸泡，制備得到生物活性鈣-磷涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，其特征是，所述的鎂合金是指Mg-Al系、Mg-Si系、Mg-Ca系、Mg-Mn系或Mg-RE系鎂合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，其特征是，所述的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜為氟化膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，其特征是，所述的恒溫浸泡是指在20°C環(huán)境下浸泡12-72小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，其特征是，所述的磷酸鹽混合液是指NaN03、H2O2與磷酸鹽的混合溶液，其中=NaNO3為2_7重量份，H2O2為1-2重量份，磷酸鹽為3-7重量份。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，其特征是，所述的磷酸鹽為 Cei3 (PO4)2, CaHPO4, Ca (H2PO4) 2、Ca (H2PO4) 2 · H2O 或 Na3PO4 中的一種或其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5或6所述的骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，其特征是，所述的磷酸鹽混合液具體為以下任一配方a)NaNO3 Ca3 (PO4) 2 H2O2 = 7 4 2(wt% )；b)NaNO3 Na3PO4 Ca(H2PO4)2 H2O2 = 2 2 5 l(wt% )；c)NaNO3 Ca3(PO4)2 Ca(H2PO4)2 ‘ H2O H2O2 = 5 1 2 l(wt% )；d)NaN03 Ca(H2PO4)2 ‘ H2O CaHPO4 H2O2 = 4 3 1 l(wt%)。
8.—種生物活性鈣-磷涂層，其特征在于，根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法制備得到， 其厚度為500nm-500ym。
全文摘要
一種醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域的骨內(nèi)植物用鎂合金表層制備生物活性鈣-磷涂層的方法，通過先在骨內(nèi)植入物用鎂合金依次置于氫氟酸和磷酸鹽混合液中恒溫浸泡，制備得到生物活性鈣-磷涂層。本發(fā)明通過化學(xué)反應(yīng)沉積法提高鎂合金的表面生物活性，同時降低鎂合金基體的腐蝕速率；同時操作工藝簡單、易行，無需專門設(shè)備，制備的鈣-磷涂層與基體結(jié)合力強(qiáng)，厚度可控。
文檔編號A61L27/32GK102206819SQ20111008620
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者丁文江, 李治國, 牛佳林, 章曉波, 袁廣銀 申請人:上海交通大學(xué), 古交市銀河鎂業(yè)有限公司