專利名稱：醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)用涂層，特別是一種表面親水特性可調(diào)、孔徑大小可調(diào)的醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈦和鈦合金已廣泛應(yīng)用于生物植入材料，鈦及鈦合金表面生成的保護(hù)性和穩(wěn)定的二氧化鈦有利于成骨。如果涂層表面親水性的增強，那么可使鈦植入體界面成骨作用顯著增強(Hideki Aita, Norio Hori. The effect of ultraviolet functionalizationof titanium on integration with bone, Biomaterials 30 (2009) 1015-1025)。另夕卜，磷酸鈣與人體骨組織無機(jī)成份相類似，尤其是以羥基磷灰石、磷酸八鈣等為代表的涂層對提高植入材料的生物相容性和生物活性有重要的作用，如中國專利CN201110027453. X 所制備的涂層。除此之外，多孔結(jié)構(gòu)由于與人體自身材料的相近性以及較大的比表面積，其生物相容性和生物活性較致密結(jié)構(gòu)都有較大的提高(Markus L. R. Schwarz, MarkusKowarsch, Steffen Rose. Effect of surface roughness, porosity, and a resorbablecalcium phosphate coating on osseointegration of titanium in a minipig model.Journal of Biomedical Materials Research Part A(2008)667-678),如中國專利CN201110154051. 6所制備的多孔磷酸鈣材料。盡管二氧化鈦、磷酸鈣復(fù)合涂層已有人制備出，但是使二氧化鈦大量暴露于涂層表面以便調(diào)節(jié)親水特性還需要進(jìn)行巧妙設(shè)計；其次磷酸鈣以多孔的形式引入涂層中還是比較困難的，而引入多孔結(jié)構(gòu)之后如何調(diào)節(jié)孔徑大小也成為一個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有表面親水特性可調(diào)和孔徑大小可調(diào)的醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層及其制備方法。本發(fā)明的醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/ 二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層，是由沉積在醫(yī)用金屬表面的磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合成的多孔涂層，二氧化鈦納米棒的直徑在25飛0 nm，平均高度為100(T2000 nm，其頂端暴露于涂層表面，暴露長度為10 100nm。上述多孔涂層上的孔的大小為2(T300nm。本發(fā)明中，所說的醫(yī)用金屬為醫(yī)用金屬鈦或醫(yī)用金屬鈦合金。所說的磷酸鈣為磷酸氫鈣或羥基磷灰石。醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/ 二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層的制備方法，包括以下步驟
I)將苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去離子水和質(zhì)量濃度37. 5%的鹽酸，乙醇、去離子水和鹽酸的體積比為5:18:12，使苦味酸濃度為18mM ;再向溶液中加入鈦酸四丁酯，使鈦酸四丁酯濃度為30(T600mM，得到母液；
2)將母液置于水熱釜中，然后放入醫(yī)用金屬基板，在16(T20(TC生長:T6h，獲得表面生長有二氧化鈦納米棒陣列的醫(yī)用金屬基板；
3)將硝酸鈣和磷酸二氫銨按摩爾比I:I溶于水中，配成鈣離子濃度為r8mM的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液，并調(diào)節(jié)PH值為4. 5飛；
4)將步驟2)的醫(yī)用金屬基板置于步驟3)的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液中，在45飛5°C，3V電壓下進(jìn)行恒壓電沉積，沉積時間為3(T90s，得到在醫(yī)用金屬表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，涂層中磷酸鈣的晶相是磷酸氫鈣(DCPD)，孔徑大小為20 99nm。本發(fā)明制備的進(jìn)一步特征是將上述步驟4)得到的表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列多孔涂層的醫(yī)用金屬在50(T60(TC下熱處理ClOmin，使得到的涂層中磷酸鈣 的晶相是羥基磷灰石(HAP)，孔徑大小為10(T300nm。本發(fā)明將二氧化鈦和磷酸鈣、超親水特性、多孔結(jié)構(gòu)巧妙的結(jié)合起來首先在醫(yī)用金屬表面生長出二氧化鈦納米棒陣列，然后通過電化學(xué)沉積將磷酸鈣沉積在二氧化鈦納米棒陣列中形成多孔結(jié)構(gòu)并使納米棒頂端暴露，得到的復(fù)合涂層中磷酸鈣的晶相是磷酸氫鈣相；對上述所得到的涂層進(jìn)行熱處理又可得到孔徑尺度較大復(fù)合涂層，并且磷酸鈣的晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基磷灰石相。上述方法制備出的復(fù)合涂層不僅有磷酸鈣的優(yōu)良特性，而且多孔結(jié)構(gòu)提供的較大的比表面積更有利于細(xì)胞的初始附著、增殖、分化，再者二氧化鈦可在紫外光照射下呈現(xiàn)親水特性的特點，并可通過紫外照射時間等參數(shù)的調(diào)整調(diào)控復(fù)合涂層的親水特性。更為重要的是，二氧化鈦生長在金屬基體表面，和基板有良好的結(jié)合，磷酸鈣作為嵌入的形式引入，這就防止了大片的磷酸鈣脫落從而影響涂層的性能。因此，本發(fā)明的復(fù)合多孔涂層具有優(yōu)異的可調(diào)表面親水特性和較大的比表面積，能夠更加有效地改進(jìn)生物醫(yī)用金屬植入體與組織結(jié)合的性能。


圖I是磷酸鈣/ 二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層的縱向截面SEM圖(未熱處理)。圖2是磷酸鈣/ 二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層的SEM圖(未熱處理)。圖3是磷酸鈣/ 二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層的SEM圖(熱處理后)。圖4是磷酸鈣/ 二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層的紫外照射前后表面水接觸角照片。
具體實施例方式以下結(jié)合實例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實施例I
1)將苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去離子水和質(zhì)量濃度37.5%的鹽酸，乙醇、去離子水和鹽酸的體積比為5:18:12，使苦味酸濃度為18mM ;再向溶液中加入鈦酸四丁酯,使鈦酸四丁酯濃度為500mM，得到母液；
2)將母液置于水熱釜中，然后放入醫(yī)用金屬鈦基板，在160°C生長3h，獲得表面生長有二氧化鈦納米棒陣列的醫(yī)用金屬鈦基板；二氧化鈦納米棒的直徑為25飛0 nm，平均高度為 1000 2000 nm ；
3)將硝酸鈣和磷酸二氫銨按摩爾比I:I溶于水中，配成鈣離子濃度為4mM的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液，并調(diào)節(jié)PH值為5 ;
4)將步驟2)的醫(yī)用金屬鈦基板置于步驟3)的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液中，在50°C，3V電壓下進(jìn)行恒壓電沉積，沉積時間為90s，得到在醫(yī)用金屬鈦表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，二氧化鈦納米棒頂端暴露于涂層表面的長度為KTlOOnm (見圖I);涂層中磷酸鈣的晶相是磷酸氫鈣(DCPD)，孔徑大小為2(T99nm (見圖2)。實施例2 將實施例I獲得的在醫(yī)用金屬鈦表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，在600°C下熱處理lOmin，得到的涂層中磷酸鈣的晶相是羥基磷灰石(HAP)，孔徑大小為10(T300nm，其 SEM 圖見圖 3。將本例得到的醫(yī)用金屬鈦植入體表面的磷酸鈣/ 二氧化鈦復(fù)合涂層黑暗處理6h后，表面接觸角a為68. 4° (圖4a)，經(jīng)過紫外照射Ih后，其表面水接觸角a變?yōu)?8°(圖4b)，顯示出對紫外光的響應(yīng)特性。實施例3
1)將苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去離子水和質(zhì)量濃度37.5%的鹽酸，乙醇、去離子水和鹽酸的體積比為5:18:12，使苦味酸濃度為18mM ;然后向溶液中加入鈦酸四丁酯,使鈦酸四丁酯濃度為300mM，得到母液；
2)將母液置于水熱釜中，然后放入醫(yī)用金屬鈦基板，在180°C生長5h，獲得表面生長有二氧化鈦納米棒陣列的醫(yī)用金屬鈦基板；二氧化鈦納米棒的直徑為25飛O nm，平均高度為 1000 2000 nm ；
3)將硝酸鈣和磷酸二氫銨按摩爾比I:I溶于水中，配成鈣離子濃度為8mM的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液，并調(diào)節(jié)PH值為5 ;
4)將步驟2)的醫(yī)用金屬鈦基板置于步驟3)的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液中，在50°C，3V電壓下進(jìn)行恒壓電沉積，沉積時間為30s，得到在醫(yī)用金屬鈦表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，二氧化鈦納米棒頂端暴露于涂層表面的長度為l(TlOOnm，涂層中磷酸鈣的晶相是磷酸氫鈣(DCPD)，孔徑大小為2(T99nm。實施例4
將實施例3獲得的在醫(yī)用金屬鈦表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，在600°C下熱處理lOmin，得到的涂層中磷酸鈣的晶相是羥基磷灰石(HAP)，孔徑大小為100 300nmo實施例5
1)將苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去離子水和質(zhì)量濃度37.5%的鹽酸，乙醇、去離子水和鹽酸的體積比為5:18:12，使苦味酸濃度為18mM ;然后向溶液中加入鈦酸四丁酯,使鈦酸四丁酯濃度為600mM，得到母液；
2)將母液置于水熱釜中，然后放入醫(yī)用金屬鈦基板，在200°C生長6h，獲得表面生長有二氧化鈦納米棒陣列的醫(yī)用金屬鈦基板；二氧化鈦納米棒的直徑為25飛O nm，平均高度為 1000 2000 nm ；
3)將硝酸鈣和磷酸二氫銨按摩爾比I:I溶于水中，配成鈣離子濃度為8mM的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液，并調(diào)節(jié)PH值為5 ;
4)將步驟2)的醫(yī)用金屬鈦鈦基板置于步驟3)的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液中，在50°C，3V電壓下進(jìn)行恒壓電沉積，沉積時間為60s，得到在醫(yī)用金屬鈦表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，二氧化鈦納米棒頂端暴露于涂層表面的長度為l(TlOOnm，涂層中磷酸鈣的晶相是磷酸氫鈣(DCPD)，孔徑大小為2(T99nm。實施例6
將實施例5獲得的在醫(yī)用金屬鈦表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，在600°C下熱處理lOmin，得到的涂層中磷酸鈣的晶相是羥基磷灰石(HAP)，孔徑大小為100 300nmo實施例7 1)將苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去離子水和質(zhì)量濃度37.5%的鹽酸，乙醇、去離子水和鹽酸的體積比為5:18:12，使苦味酸濃度為18mM ;然后向溶液中加入鈦酸四丁酯,使鈦酸四丁酯濃度為400mM，得到母液；
2)將母液置于水熱釜中，然后放入醫(yī)用金屬鈦基板，在160°C生長4h，獲得表面生長有二氧化鈦納米棒陣列的醫(yī)用金屬鈦基板；二氧化鈦納米棒的直徑為25飛O nm，平均高度為 1000 2000 nm ；
3)將硝酸鈣和磷酸二氫銨按摩爾比I:I溶于水中，配成鈣離子濃度為4mM的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液，并調(diào)節(jié)PH值為5 ;
4)將步驟2)的醫(yī)用金屬鈦基板置于步驟3)的硝酸鈣和磷酸二氫銨溶液中，在50°C，3V電壓下進(jìn)行恒壓電沉積，沉積時間為90s，得到在醫(yī)用金屬鈦表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，二氧化鈦納米棒頂端暴露于涂層表面的長度為l(TlOOnm，涂層中磷酸鈣的晶相是磷酸氫鈣(DCPD)，孔徑大小為2(T99nm。實施例8
將實施例7獲得的在醫(yī)用金屬鈦表面沉積有磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，在600°C下熱處理lOmin，得到的涂層中磷酸鈣的晶相是羥基磷灰石(HAP)，孔徑大小為100 300nmo
權(quán)利要求
1.醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/ニ氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層，其特征在于它是由沉積在醫(yī)用金屬表面的磷酸鈣和ニ氧化鈦納米棒陣列復(fù)合成的多孔涂層，ニ氧化鈦納米棒的直徑為25飛O nm，平均高度為100(T2000 nm，其頂端暴露于涂層表面，暴露長度為10 lOOnm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/ニ氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層，其特征在于多孔涂層的孔的大小為2(T300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/ニ氧化鈦復(fù)合涂層，其特征在于所說的醫(yī)用金屬為醫(yī)用金屬鈦或醫(yī)用金屬鈦合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/ニ氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層，其特征在于所說的磷酸鈣為磷酸氫鈣或羥基磷灰石。
5.制備權(quán)利要求I所述的醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/ニ氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層的方法，其特征在于包括以下幾個步驟 1)將苦味酸溶解于こ醇中，然后加入去離子水和質(zhì)量濃度37.5%的鹽酸，こ醇、去離子水和鹽酸的體積比為5:18:12，使苦味酸濃度為18mM ;再向溶液中加入鈦酸四丁酯,使鈦酸四丁酯濃度為30(T600mM，得到母液； 2)將母液置于水熱釜中，然后放入醫(yī)用金屬基板，在16(T20(TC生長T6h，獲得表面生長有ニ氧化鈦納米棒陣列的醫(yī)用金屬基板； 3)將硝酸鈣和磷酸ニ氫銨按摩爾比I:I溶于水中，配成鈣離子濃度為Γ8πιΜ的硝酸鈣和磷酸ニ氫銨溶液，并調(diào)節(jié)PH值為4. 5飛； 4)將步驟2)的醫(yī)用金屬基板置于步驟3)的硝酸鈣和磷酸ニ氫銨溶液中，在45飛5°C，3V電壓下進(jìn)行恒壓電沉積，沉積時間為3(T90s，得到在醫(yī)用金屬表面沉積有磷酸鈣和ニ氧化鈦納米棒陣列的多孔涂層，涂層中磷酸鈣的晶相是磷酸氫鈣，孔徑大小為2(T99nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/ニ氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層的制備方法，其特征在于將步驟4)得到的表面沉積有磷酸鈣和ニ氧化鈦納米棒陣列多孔涂層的醫(yī)用金屬在50(T60(TC下熱處理ClOmin，得到涂層中的磷酸鈣的晶相是羥基磷灰石，孔徑大小為10(T300nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種醫(yī)用金屬植入體表面的磷酸鈣/二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合多孔涂層及其制備方法。該復(fù)合涂層是由沉積在醫(yī)用金屬表面的磷酸鈣和二氧化鈦納米棒陣列復(fù)合成的多孔涂層，二氧化鈦納米棒的直徑為25~50nm，平均高度為1000~2000nm，其頂端暴露于涂層表面，暴露長度為10~100nm。首先通過水熱在醫(yī)用金屬基體表面生長二氧化鈦納米棒陣列，然后通過電化學(xué)沉積將磷酸鈣沉積在二氧化鈦納米棒陣列中形成多孔結(jié)構(gòu)并使納米棒頂端暴露；對上述所得到的涂層進(jìn)行熱處理又可得到孔徑尺度較大二氧化鈦和磷酸鈣多孔復(fù)合涂層。所得到的涂層可調(diào)節(jié)表面親水特性和孔徑大小，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)用金屬植入體以及其他生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。
文檔編號A61L27/32GK102813964SQ20121032889
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者程逵, 王田田, 翁文劍, 宋晨路, 杜丕一, 沈鴿, 趙高凌, 張溪文, 徐剛, 汪建勛, 韓高榮 申請人:浙江大學(xué)