本發(fā)明涉及一種鈣磷涂層及其制備方法，特別是一種稀土離子可控析出的鈣磷涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，人工關(guān)節(jié)成為提高關(guān)節(jié)創(chuàng)傷患者生活質(zhì)量的重要植入式醫(yī)療器械。而最為理想的植入器械應(yīng)該在結(jié)構(gòu)與功能上實(shí)現(xiàn)仿生化設(shè)計(jì)。在人體的原生關(guān)節(jié)中，關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)杯的表面由軟骨組織覆蓋，該組織能分泌適量的潤滑液，形成一個(gè)良好的自潤滑系統(tǒng)，使關(guān)節(jié)在70～80年的服役過程中保持正常工作。而人工關(guān)節(jié)的植入破壞了原有的自潤滑系統(tǒng)，工作中相對(duì)運(yùn)動(dòng)面容易發(fā)生磨損，產(chǎn)生大量磨損磨粒，磨損顆粒聚集在骨與假體界面，刺激巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等多種細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)并分泌炎癥細(xì)胞因子，在骨與假體界面間形成一層富含細(xì)胞的結(jié)締組織膜。炎癥細(xì)胞因子進(jìn)一步作用于巨噬細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞等，干擾體內(nèi)神經(jīng)信號(hào)的傳輸，使成骨細(xì)胞活性減弱，增強(qiáng)破骨細(xì)胞的活性，由活化的破骨細(xì)胞完成骨吸收，引起假體周圍骨溶解，即我們通常所說的磨屑病。

現(xiàn)有對(duì)于預(yù)防和治療磨屑病的方法主要有幾種：一是用藥物去干預(yù)磨損顆粒所引發(fā)的炎癥反應(yīng)和骨破壞，以達(dá)到防治假體周圍骨溶解的目的；二是采用基因治療從分子水平上對(duì)疾病進(jìn)行調(diào)控；三是從材料的設(shè)計(jì)和表面改性入手，提高人工關(guān)節(jié)負(fù)重面的耐磨性以達(dá)到盡量減少磨損顆粒的目的；四是利用稀土對(duì)骨代謝的影響來抑制破骨細(xì)胞的活性達(dá)到防治磨屑病的目的。

在張金超有關(guān)稀土抑制破骨細(xì)胞活性的研究中，稀土Dy3+離子能夠通過干預(yù)破骨細(xì)胞的骨吸收功能，進(jìn)而干預(yù)骨的代謝。因此，使用稀土防治關(guān)節(jié)磨屑病的技術(shù)關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)周圍稀土離子濃度的有效控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，一種稀土離子可控析出的鈣磷涂層及其制備方法。本發(fā)明的涂層和制備方法能在鈦合金表面形成具有生物活性的涂層，涂覆有該涂層的人工關(guān)節(jié)在植入人體后，具有可控析出稀土離子、能抑制破骨細(xì)胞活性、防止人工關(guān)節(jié)磨屑病的特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種稀土離子可控析出的鈣磷涂層，所述涂層由鈦粉、復(fù)合陶瓷粉和Dy₂O₃制成，其中鈦粉、復(fù)合陶瓷粉的用量按重量百分計(jì)為0％～70％：30％～100％；Dy₂O₃的用量為復(fù)合陶瓷粉用量的0.2％-0.8％。

前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層，所述Dy₂O₃的用量為復(fù)合陶瓷粉用量的0.4％-0.6％。

前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層，所述Dy₂O₃的用量為復(fù)合陶瓷粉用量的0.6％。

前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層，所述復(fù)合陶瓷粉按重量百分比計(jì)，是由77.47％～85.14％的CaHPO₄·2H₂O和14.86％～22.53％的CaCO₃制成。

前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層，所述復(fù)合陶瓷粉按重量百分比計(jì)，是由83.09％的CaHPO₄·2H₂O和16.91％的CaCO₃制成。

前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層，所述的鈦粉的粒度為20～80μm，復(fù)合陶瓷粉的粒度為30～50μm，Dy₂O₃的粒度為1～5μm。

前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層，所述的鈦粉的粒度為50μm，復(fù)合陶瓷粉的粒度為42μm，Dy₂O₃的粒度為2μm。

一種前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層的制備方法，包括如下步驟：

(1)配料：將鈦粉、復(fù)合陶瓷粉與Dy₂O₃粉末混合均勻，球磨5小時(shí)，使之充分混合，得到激光熔覆鈣磷涂層粉末材料；

(2)激光熔覆鈣磷涂層的制備：首先將鈦合金TC4的表面用金相砂紙打磨去除氧化層，然后用酒精洗凈，接著將配好的粉末材料預(yù)置于鈦合金TC4的表面；采用激光熔覆工藝制備鈣磷涂層，首先熔覆0.3-0.5mm厚的第一梯度層，然后將第一梯度層表面洗凈，再將配好的粉末材料預(yù)置于第一梯度層上，熔覆0.3-0.5mm厚的第二梯度層，再將第二梯度層表面洗凈，將配好的粉末材料預(yù)置于第二梯度層上，熔覆0.3-0.5mm厚的第三梯度層，并最終形成鈣磷涂層。

前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層的制備方法，預(yù)壓在鈦合金TC4表面的第一梯度層的厚度為0.5mm，其粉末材料包含有30-40％重量百分比的復(fù)合陶瓷粉和60-70％重量百分比的鈦粉；第二梯度層的厚度為0.4mm，其粉末材料包含有70-85％重量百分比的復(fù)合陶瓷粉和15-30％重量百分比的鈦粉；第三梯度層的厚度為0.3mm，其粉末材料包含有85-100％重量百分比的復(fù)合陶瓷粉和0-15％重量百分比的鈦粉；所述激光熔覆工藝參數(shù)為：輸出功率P＝1.4-1.8kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％。

前述的稀土離子可控析出的鈣磷涂層的制備方法，所述第一梯度層的粉末材料包含有30％的復(fù)合陶瓷粉和70％的鈦粉，其激光熔覆輸出功率P＝1.8kW；所述第二梯度層的粉末材料包含有70％的復(fù)合陶瓷粉和30％的鈦粉，其激光熔覆輸出功率P＝1.6kW；所述第三梯度層的粉末材料包含有100％的復(fù)合陶瓷粉和0％的鈦粉，其激光熔覆輸出功率P＝1.4kW。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明的具有催化合成HA+β-TCP的作用，通過調(diào)控稀土摻雜量，在陶瓷涂層中獲得具有不同數(shù)量的β-TCP生物可降解相，伴隨著β-TCP的降解從而析出不同濃度的稀土離子，最終實(shí)現(xiàn)假體周圍稀土離子濃度的有效控制。

2、本發(fā)明的涂層可抑制破骨細(xì)胞活性，稀土Dy³⁺離子能夠通過干預(yù)破骨細(xì)胞的骨吸收功能，進(jìn)而干預(yù)骨的代謝，從而達(dá)到了抑制磨屑病的效果。為進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效果，發(fā)明人做了如下實(shí)驗(yàn)：

1、Ca/P實(shí)驗(yàn)

取五組鈣磷涂層粉末材料分別制成涂層，其中五組鈣磷涂層粉末材料中的復(fù)合陶瓷粉中的Ca/P如下：

(1)、Ca/P＝1.30，混合體中CaHPO₄·2H₂O占85.14％，CaCO₃占14.86％；

(2)、Ca/P＝1.35，混合體中CaHPO₄·2H₂O占83.09％，CaCO₃占16.91％；

(3)、Ca/P＝1.40，混合體中CaHPO₄·2H₂O占81.12％，CaCO₃占18.88％；

(4)、Ca/P＝1.45，混合體中CaHPO₄·2H₂O占79.26％，CaCO₃占20.74％；

(5)、Ca/P＝1.50，混合體中CaHPO₄·2H₂O占77.47％，CaCO₃占22.53％。

上述五組鈣磷涂層粉末材料中的復(fù)合陶瓷粉中均添加重量百分比0.6％的Dy₂O₃。

對(duì)經(jīng)上述配方制成的涂層的物相利用X’Pert HighScore Plus軟件進(jìn)行半定量分析，由分析結(jié)果可知，當(dāng)Ca/P＝1.35時(shí)，Ca-P基陶瓷涂層中含有數(shù)量最多的HA+β-TCP，較多的HA有利于提高生物陶瓷的生物活性，較多的β-TCP有利于提高生物陶瓷涂層的降解性能。

2、Dy₂O₃含量對(duì)涂層表面結(jié)晶的影響

取五組鈣磷涂層粉末材料分別制成涂層，其中五組鈣磷涂層粉末材料中的復(fù)合陶瓷粉中的Ca/P＝1.35，即混合體中CaHPO₄·2H₂O占83.09％，CaCO₃占16.91％，五組鈣磷涂層粉末材料中的復(fù)合陶瓷粉中分別添加重量百分比0、0.2％、0.4％、0.6％和0.8％的Dy₂O₃，并對(duì)五組涂層進(jìn)行X射線衍射，其衍射圖譜如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)Dy2O3的含量為0.4-0.6％時(shí)，衍射峰最寬，出現(xiàn)了漫反射的饅頭峰，表明了生成的HA+β-TCP的結(jié)晶度較低。鈣磷涂層較低的結(jié)晶度，有利于生物陶瓷涂層在體液中的降解，從而促進(jìn)稀土Dy³⁺離子通過鈣磷涂層的降解機(jī)制游離出來，在陶瓷涂層的周邊環(huán)境富集。較多稀土Dy³⁺離子的溶出也有利于增強(qiáng)稀土Dy³⁺離子對(duì)破骨細(xì)胞的抑制作用。

3、Dy₂O₃含量對(duì)涂層中Dy³⁺離子溶出的影響

取四組鈣磷涂層粉末材料分別制成涂層，其中四組鈣磷涂層粉末材料中的復(fù)合陶瓷粉中的Ca/P＝1.35，即混合體中CaHPO₄·2H₂O占83.09％，CaCO₃占16.91％，四組鈣磷涂層粉末材料中的復(fù)合陶瓷粉中分別添加重量百分比0.2％、0.4％、0.6％和0.8％的Dy₂O₃，并分別將四組涂層浸泡在PBS溶液中10天，并且分別測(cè)試其在2天、4天、6天、8天和10天時(shí)，溶液中Dy³⁺離子的濃度，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，隨著浸泡時(shí)間的延長，每組涂層浸泡的溶液中的Dy³⁺離子含量均有所增加，但是在相同的浸泡時(shí)間內(nèi)，Dy₂O₃添加量為0.6％的涂層的浸泡溶液中的Dy³⁺離子的濃度最高，說明添加Dy₂O₃的量為0.6％時(shí)，最適合Dy³⁺離子的溶出。

表1不同稀土添加量的鈣磷涂層在PBS溶液中浸泡不同時(shí)間后，析出的Dy³⁺離子的濃度

4、Dy₂O₃含量對(duì)破骨前體細(xì)胞活性的影響

取五組鈣磷涂層粉末材料分別制成的涂層試樣和一組blank組(醫(yī)用鈦合金TC4對(duì)照組)，其中五組涂層試樣中Dy₂O₃的含量分別為0以及復(fù)合陶瓷粉的0.2％、0.4％、0.6％和0.8％，將五組試樣和blank組放置于破骨前體細(xì)胞培養(yǎng)皿中，分別觀察五組試樣和blank組在2天、4天和6天時(shí)的光密度值(OD)，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，稀土Dy₂O₃含量為0.4％～0.6％的鈣磷涂層具有抑制破骨細(xì)胞活性的作用。但當(dāng)稀土含量增加到0.8wt.％時(shí)，破骨細(xì)胞的活性反而發(fā)生陡增。這表明了稀土Dy³⁺離子濃度與破骨細(xì)胞活性的呈現(xiàn)濃度依賴關(guān)系，既能抑制破骨細(xì)胞的活性，又能提高破骨細(xì)胞的活性。

附圖說明

附圖1為添加不同重量百分比的稀土氧化物Dy₂O₃(0.0wt.％～0.8wt.％)且Ca/P＝1.35時(shí)，生物陶瓷涂層的X射線衍射圖譜；

附圖2為破骨前體細(xì)胞在不同Dy₂O₃含量的生物陶瓷涂層表面增殖結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施例

實(shí)施例1：一種稀土離子可控析出的鈣磷涂層，是分別取三組混合粉末，其中第一組中含30％的復(fù)合陶瓷粉和70％的鈦粉、第二組中含70％的復(fù)合陶瓷粉和30％的鈦粉以及第三組中含100％的復(fù)合陶瓷粉和0％的鈦粉，三組混合粉末中的復(fù)合陶瓷粉中均添加有重量百分比為0.6％的Dy₂O₃粉，且三組混合粉末中鈦粉的粒度為50μm，復(fù)合陶瓷粉的粒度為42μm，Dy₂O₃為的粒度2μm；將三組混合粉末分別混合均勻，球磨5小時(shí)，使之充分混合，分別得到三組激光熔覆鈣磷涂層粉末材料；將鈦合金TC4的表面用金相砂紙打磨去除氧化層，然后用酒精洗凈，接著將配好的第一組鈣磷涂層粉末材料預(yù)置于鈦合金TC4的表面，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.8kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.5mm的第一梯度層，然后將第一梯度層表面洗凈，再將配好的第二組鈣磷涂層粉末材料預(yù)置于第一梯度層上，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.6kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.4mm的第二梯度層，再將第二梯度層表面洗凈，將配好的第三組鈣磷涂層材料預(yù)置于第二梯度層上，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.4kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.3mm的第三梯度層，并最終形成鈣磷涂層。

實(shí)施例2：一種稀土離子可控析出的鈣磷涂層，是分別取三組混合粉末，其中第一組中含35％的復(fù)合陶瓷粉和65％的鈦粉、第二組中含78％的復(fù)合陶瓷粉和22％的鈦粉以及第三組中含93％的復(fù)合陶瓷粉和7％的鈦粉，三組混合粉末中的復(fù)合陶瓷粉中均添加有重量百分比為0.8％的Dy₂O₃粉，且三組混合粉末中鈦粉的粒度為20μm，復(fù)合陶瓷粉的粒度為30μm，Dy₂O₃為的粒度1μm；將三組混合粉末分別混合均勻，球磨5小時(shí)，使之充分混合，分別得到三組激光熔覆鈣磷涂層粉末材料；將鈦合金TC4的表面用金相砂紙打磨去除氧化層，然后用酒精洗凈，接著將配好的第一組鈣磷涂層粉末材料預(yù)置于鈦合金TC4的表面，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.8kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.4mm的第一梯度層，然后將第一梯度層表面洗凈，再將配好的第二組鈣磷涂層粉末材料預(yù)置于第一梯度層上，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.6kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.3mm的第二梯度層，再將第二梯度層表面洗凈，將配好的第三組鈣磷涂層材料預(yù)置于第二梯度層上，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.4kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.5mm的第三梯度層，并最終形成鈣磷涂層。

實(shí)施例3：一種稀土離子可控析出的鈣磷涂層，是分別取三組混合粉末，其中第一組中含40％的復(fù)合陶瓷粉和60％的鈦粉、第二組中含85％的復(fù)合陶瓷粉和15％的鈦粉以及第三組中含85％的復(fù)合陶瓷粉和15％的鈦粉，三組混合粉末中的復(fù)合陶瓷粉中均添加有重量百分比為0.2％的Dy₂O₃粉，且三組混合粉末中鈦粉的粒度為80μm，復(fù)合陶瓷粉的粒度為50μm，Dy₂O₃為的粒度5μm；將三組混合粉末分別混合均勻，球磨5小時(shí)，使之充分混合，分別得到三組激光熔覆鈣磷涂層粉末材料；將鈦合金TC4的表面用金相砂紙打磨去除氧化層，然后用酒精洗凈，接著將配好的第一組鈣磷涂層粉末材料預(yù)置于鈦合金TC4的表面，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.8kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.3mm的第一梯度層，然后將第一梯度層表面洗凈，再將配好的第二組鈣磷涂層粉末材料預(yù)置于第一梯度層上，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.6kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.5mm的第二梯度層，再將第二梯度層表面洗凈，將配好的第三組鈣磷涂層材料預(yù)置于第二梯度層上，利用CO2激光器按照工藝參數(shù)P＝1.4kW，掃描速度V＝240mm/min，光斑直徑D＝3.50mm，搭接率為40％進(jìn)行熔覆，熔覆厚度為0.4mm的第三梯度層，并最終形成鈣磷涂層。