專利名稱：Ca₃ZrSi₂O₉涂層—鈦合金的骨替換材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CaJrSi2O9涂層-鈦合金的骨替換材料及制備方法，更確切的說 是在鈦合金基材上，采用CaJrSi2O9陶瓷粉體，以等離子體噴涂方法制備長效穩(wěn)定的生物活 性涂層，屬于醫(yī)用生物陶瓷涂層領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用等離子體噴涂工藝在鈦合金表面沉積的鈦、羥基磷灰石(HA)涂層在臨床 上已得到廣泛應(yīng)用。鈦涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度高，通過制備多孔鈦涂層能夠提高金屬植入 體與骨組織的結(jié)合。但鈦是生物惰性材料，不具有生物活性，與骨組織不能形成骨性結(jié) 合，限制其臨床應(yīng)用。HA涂層具有良好的生物活性和骨傳導(dǎo)性能，但與鈦合金基材熱膨 脹系數(shù)不匹配，結(jié)合強(qiáng)度較低；另外，HA的脆性以及在體液中的溶解易導(dǎo)致涂層在生理 環(huán)境中磨損并且過早的剝落K. A. Khor. Y. W. Gu，D. Pan, P. Cheang. Microstructure and mechanicalproperties of plasma sprayed HA/YSZ/Ti-6Al-4V composite coatings. Biomaterials,2004 ；25(18) :4009_4017。CaO-SiO2基陶瓷材料具有良好的生物活性和生物相容性，近年來研究較多。此 類材料在體內(nèi)溶解，釋放的離子對機(jī)體無害，可參與體內(nèi)代謝。在體液中，此種材料還能 夠誘導(dǎo)磷灰石形成，促進(jìn)缺損組織修復(fù)和重建，與自然骨之間能形成骨性結(jié)合界面。本實(shí) 驗(yàn)室的研究發(fā)現(xiàn)等離子體噴涂硅酸鈣(CaSiO3)、硅酸二鈣(Ca2SiO4)等Ca O-SiO2基涂層 材料生物活性優(yōu)良，且與鈦合金基體結(jié)合強(qiáng)度較高。然而，此類涂層在生理體液侵蝕下降 解較快，影響其長效穩(wěn)定性；并且降解過程中鈣離子與體液中的氫離子交換引發(fā)周圍環(huán) 境的P H值升高，抑制細(xì)胞生長，進(jìn)而影響骨組織重建W. Xue，X. Liu, X. Zheng, C. Ding. Invivo evaluation of plas ma-sprayed wollastonite coating. Biomaterials,2005 ； 26(17) :3455-3460 ；C. Wu, Y. Ramaswamy, A. Soeparto, H. Zreiqat. Incorporation of titanium into calcium silicate improved their che micalstability and biological properties. J Biomed Mater Res A, 2008 ；86 (2) :402_410。氧化鋯陶瓷具有優(yōu)良的機(jī) 械性能、生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用于骨植入體材料。將氧化鋯引入CaO-SiO2 體系，能夠獲得化學(xué)性能穩(wěn)定的氧化鋯改性硅酸鈣陶瓷材料。Y. Ramaswamy等人研究 了 CaJrSi2O9塊體材料的生物學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在CaJrSi2O9陶瓷塊體表面，細(xì)胞能夠很好的 粘附、增殖和分化Y. Ramaswamy, C. ffu, Α. V. Hummel, V. Combes, G. Grau, H. Zreiqat. The responses of osteoblasts,osteoclastsand endothelial cells to zirconium modified calcium-silicate-basedceramic. Biomaterials, 2008 ；29 :4392-4402目前尚未見利用 等離子體噴涂技術(shù)在鈦合金基材上沉積具有生物活性且能長期承受體液侵蝕的CaJrSi2O9 生物醫(yī)用涂層的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
基于氧化鋯改性的硅酸鈣陶瓷材料CaJrSi2O9具有生物活性和生物相容性，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，本發(fā)明目的在于提供一種以鈦合金為基材的CaJrSi2O9涂層及制備方法。具 體的說本發(fā)明利用等離子體噴涂技術(shù)，選用合適的工藝條件，將CaJrSi2O9沉積在鈦合金基 體上，制備出一種具有良好的生物活性，抗生理體液侵蝕，又與鈦合金基體結(jié)合強(qiáng)度較高的 承載骨替換材料。本發(fā)明的具體工藝過程如下(1)首先合成QiJrSi2O9粉體。將高純度的CaC03、SiO2以及^O2粉體按摩爾比 3:2: 1配料，在水介質(zhì)中進(jìn)行球磨混合6-10小時(shí)，干燥后以3-10°C/分鐘的升溫速率 從室溫升至1380-1450°C，保溫5-10小時(shí)，爐冷至室溫，研磨過篩后制得CaJrSi2O9粉體，粒 徑為 5-100 μ m。(2)粘結(jié)劑造粒。為了改善制得粉體的流動(dòng)性，提高噴涂效率和質(zhì)量，利用聚乙烯 醇(PVA)作為粘結(jié)劑對粉體進(jìn)一步造粒。過程如下將過篩粉體與5-10wt%的PVA水溶液 按6 1-9 1(質(zhì)量比)均勻混合，烘干后研磨過篩，得到等離子體噴涂用粉。C3)涂層制備。采用大氣等離子體噴涂工藝將造粒后的CaJrSi2O9粉體沉積于已 清洗和噴砂的鈦合金基材上，噴涂參數(shù)見表1。表1 噴涂參數(shù)
權(quán)利要求
1.Ca3ZrSi2O9涂層-鈦合金的骨替換材料，其特征在于，以鈦及其合金為基材，利用等 離子體噴涂在基材表面沉積CaJrSi2O9涂層。
2.按權(quán)利要求1所述CaJrSi2O9涂層-鈦合金的骨替換材料，其特征在于沉積的涂層 由單斜晶相和玻璃相的CaJrSi2O9組成。
3.按權(quán)利要求1所述CaJrSi2O9涂層-鈦合金的骨替換材料，其特征在于沉積的 Ca3ZrSi2O9 涂層厚度為 50-420 μ m。
4.按權(quán)利要求1所述CaJrSi2O9涂層-鈦合金的骨替換材料的制備方法，其特征在于 制備步驟為(1)高溫固相反應(yīng)合成Ca3ZrSi2O9粉體；(2)將合成的粉體與5-10wt%的PVA水溶液按6 1-9 1 (質(zhì)量比)均勻混合，烘干 后篩取80目到320目之間的粉體，得到等離子體噴涂用粉。(3)采用大氣等離子體噴涂技術(shù)，將以上噴涂用粉沉積于經(jīng)清洗和噴砂的鈦合金基體上。
5.按權(quán)利要求4所述的CaJrSi2O9涂層-鈦合金的骨替換材料的制備方法，其特征 在于Ci^rSi2O9的合成原料為高純度(> 98. 0% )的CaC03、SiO2以及&02，且配料比為 CaCO3 SiO2 ZrO2 = 3 2 1(摩爾比)。在水介質(zhì)中球磨混合6-10小時(shí)，烘干后以 3-10°C /分鐘升溫至1380-1450°C，保溫5_10小時(shí)高溫固相反應(yīng)合成。
6.按權(quán)利要求4所述的CaJrSi2O9涂層-鈦合金的骨替換材料的制備方法，其特征在 于所述等離子體噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為等離子體形成氣體為Ar和H2,流量分別為35-45和 8-15標(biāo)準(zhǔn)升/分，噴涂距離為80-140mm，粉末載氣Ar流量為1. 5-3. 5標(biāo)準(zhǔn)升/分，送粉速 率為12-18克/分，電流為550-650A。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Ca3ZrSi2O9涂層-鈦合金的骨替換材料及制備方法，其特征在于以醫(yī)用鈦及鈦合金(Ti-6Al-4V等)為基體，在其表面沉積Ca3ZrSi2O9涂層，該涂層由單斜晶系和玻璃相的Ca3ZrSi2O9組成，厚度為50-420μm。其制備方法是先合成Ca3ZrSi2O9粉體，然后用等離子體噴涂工藝在鈦合金基體上沉積Ca3ZrSi2O9涂層。涂層與鈦合金基材的結(jié)合強(qiáng)度為25-35MPa。所提供的涂層在模擬體液中能夠誘導(dǎo)類骨磷灰石形成，具有良好的生物活性；在Tris-HCl緩沖溶液中降解緩慢，長效穩(wěn)定性優(yōu)異。
文檔編號(hào)C23C4/10GK102049065SQ20091019840
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者季珩, 梁瑩, 謝有桃, 鄭學(xué)斌, 黃利平 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所