有生物活性涂层的钛基生物医学材料及其制备方法

摘要

本发明有生物活性涂层的钛基生物医学材料及其制备方法涉及能移植到人体内的假体材料，是一种有在钛或钛合金表面原位自生钛酸钾晶须生物活性涂层的钛基生物医学材料。其基体材料为钛、Ti－Mo、Ti－Mo－Nb、Ti－Mo－Zr－Fe、Ti－Nb－Zr、或Ti－Al－Zr－Nb－Sn系钛合金，其表面钛酸钾晶须生物活性涂层呈波纹状，散布着大小不一粒子状物，表面粗糙，具有尺寸1～3μm气孔，厚度2～8μm；其制备方法：(1)钛或钛合金基体的制备与预处理，(2)原位KDC法在钛或钛合金基体上自生钛酸钾晶须生物活性涂层。该涂层有好的生物相容性和活性，与基体界面结合强度高，制备工艺及工序简单，对设备要求较低，对环境没有污染，制备周期短，易于批量生产。

说明书

技术领域

本发明涉及能移植到人体内的假体材料，具体地说是一种有生物活性涂层的钛基生物医学材料及其制备方法。

背景技术

近年来，作为人体骨骼替换材料，钛及钛合金以其优异的生物相容性和力学适应性已经在临床上得到了应用。但临床发现，由于钛及钛合金表面仍然表现为生物惰性，因此如何提高钛及钛合金表面的生物活性成为人们研究的重点和热点。

目前，钛基生物医学材料的表面改性是提高其生物活性的一种很有发展前景的研究工作，得到材料界和医学界的普遍重视。钛基生物医学材料表面改性的主要途径是在钛或钛合金基体表面制备生物活性涂层。其中一类是羟基磷灰石(HA)类化合物，这类化合物已成为一种公知公认的生物活性涂层材料。CN 1487117、CN 03104100.0、CN 1042067、CN01106471.4都公开了在钛合金表面沉积羟基磷灰石生物活性层的方法。羟基磷灰石本身存在的致命缺点是：HA本身很脆，在生物体内易降解，并且羟基磷灰石的热膨胀系数与钛基体的热膨胀系数不匹配，这都严重影响了涂层与基体之间的界面结合强度；另一类是含钛化合物的生物活性涂层材料。CN 1490058披露了一种生物活性钛及钛合金硬组织植入材料的制备方法，首先采用电化学方法在Ti或Ti合金表面制备一定厚度的氧化膜，然后采用碱溶液化学处理的方法，在氧化膜表面形成一层多孔的网状结构的钛酸盐凝胶层，再将试样进行热处理，使网状结构的钛酸盐凝胶层晶态化，最后将经过上述处理的材料浸入人体仿生液中，就会形成与骨质相近的磷灰石层，其中采用的碱溶液是NaOH，形成的钛酸盐凝胶层是钛酸钠凝胶层。CN 1442120揭示了一种表面活性坚强内固定钛接骨板，基体为医用级钛或钛合金，基体表面分布有生物活性材料层，生物活性材料层为能形成TiO＃-[2]凝胶的多孔TiO#-[2]层或TiO#-[2]-磷灰石复合层或金红石型TiO#-[2]层或羟基磷灰石涂层，制造方法包括碱处理-热处理两步法、酸-碱两步处理法、阳极氧化处理法、双氧水浸泡法、煮沸法、热处理法和离子注入法。CN 1381615公开了一种多孔纳米氧化钛基复相生物活性表层及其制备工艺，该生物活性表层由二氧化钛、钛酸钙、α-磷酸钙和β-焦磷酸钙构成，制备工艺采用微弧氧化，即是以含钙和磷的水溶液为电解液，采用脉冲电源在高电压下对钛或钛合金进行微弧氧化、直接合成多孔纳米氧化钛基复相生物活性表层。上述发明中制得的含钛化合物生物活性涂层，虽然在不同程度上提高了涂层与钛基体之间的界面结合强度，但是生成的钛酸钠、钛酸钙等涂层很薄，其稳定性相对较差，另外，其涂层生成的工序冗繁或/和设备复杂昂贵或/和对环境有一定污染，成品制备周期长，难于批量生产。另外，为了开发钛基生物医学材料的表面改性的新方法，本发明人在近前期申请了以下两件相关专利：CN 200510013523.0“钛基生物医学材料的表面微孔钛的制备方法”，其主要目的是通过表面多孔化来提高生物活性涂层与钛基体的结合强度，和CN 200510013527.9“表面有TiO₂涂层的钛合金生物医学复合材料及其制备方法”，其主要目的是更好地解决了生物活性涂层与钛合金基体的界面结合问题，还进一步提高了钛合金表面的耐磨耐蚀性和血液相容性。为了满足临床使用要求，人们仍需要不断开发新的、提高生物活性的、作用性能稳定又能与钛基体结合牢固的生物活性涂层材料。

本发明人在钛酸钾晶须合成制备的研究中，发现钛酸钾晶须有望成为一种很好的生物活性涂层材料。通过文献检索，未发现有将钛酸钾晶须作为生物活性涂层材料的相关报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种有在钛合金表面原位自生钛酸钾晶须生物活性涂层的钛基生物医学材料及其制备方法。该涂层在提高表面生物活性的同时，也克服了涂层不稳定性和涂层与基体之间的界面结合强度低的缺点，且制备工艺及工序简单，对设备的要求较低，对环境没有污染，成品制备周期短，易于批量生产。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

本发明的有生物活性涂层的钛基生物医学材料，是有在钛或钛合金表面原位自生钛酸钾晶须生物活性涂层的钛基生物医学材料。

本发明的有生物活性涂层的钛基生物医学材料，其基体材料为纯钛、Ti-Mo系、Ti-Mo-Nb系、Ti-Mo-Zr-Fe系、Ti-Nb-Zr系、或Ti-Al-Zr-Nb-Sn系钛合金。

本发明的有钛酸钾晶须生物活性涂层的钛基生物医学材料，其表面原位自生钛酸钾晶须生物活性涂层呈波纹状，在涂层薄膜上散布着大小不一的粒子状产物，涂层表面粗糙，且具有尺寸在1～3μm的气孔，涂层厚度为2～8μm。

本发明的有生物活性涂层的钛基生物医学材料的制备方法如下：

(1)钛合金基体的制备与预处理

采用纯钛、Ti-Mo系、Ti-Mo-Nb系、Ti-Mo-Zr-Fe系、Ti-Nb-Zr系、或Ti-Al-Zr-Nb-Sn系钛合金为基体材料，经线切割成所需厚度的片状，用砂纸打磨表面，再以丙酮为介质进行超声清洗，直至去除试样表面的油污和磨屑，然后用氢氟酸腐蚀，增加表面粗糙度，最后用由硝酸和盐酸按公知比例配制的混合酸钝化除杂，待用；

(2)采用原位KDC法在钛合金基体表面自生钛酸钾晶须生物活性涂层

将固体粉状K₂CO₃与TiO₂按摩尔比为1∶2～6混合均匀后，采用丙酮将混合粉包覆在经步骤(1)预处理后的钛或钛合金基体表面，然后放于干燥箱中于20～40℃干燥3～10分钟，最后放入箱式电阻炉中随炉升温到800～1200℃煅烧，保温0.8～2小时后降温到200～600℃时取出剥去包覆层即在钛或钛合金基体的表面原位自生一层钛酸钾晶须生物活性涂层。

本发明的优点在于：提供了一种新的钛基生物医学材料的表面改性方法。在下面的具体实施方式中证实和详细叙述了本发明的钛基体表面原位自生的钛酸钾晶须生物活性涂层不仅具有很好的生物相容性、生物活性和生物稳定性，而且与钛或钛合金基体的界面结合强度很高，克服了目前人们常用的羟基磷灰石生物活性涂层因与钛合金热膨胀系数不匹配而造成的界面结合强度低的问题。本发明的钛基生物医学材料的制备方法在无需真空高压的环境下即能进行，涂层的制备工序、工艺和所用的设备简单，大大降低了制备成本，对环境没有污染，有利于钛基生物医学材料的批量生产和在临床上的推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的钛合金表面自生钛酸钾晶须生物活性涂层的工艺流程图。

图2是钛酸钾晶须生物活性涂层的表面形貌图。

图3是钛酸钾晶须生物活性涂层/钛合金基体界面的SEM照片。

图4是钛酸钾晶须生物活性涂层在模拟体液培养后的表面形貌图。

图5是模拟体液培养后在钛酸钾晶须生物活性涂层表面沉积物的能谱图。

图6是用背散射电子像显示的在钛酸钾晶须生物活性涂层上的细胞附壁形态图。

具体实施方式

图1表明钛合金表面自生钛酸钾晶须生物活性涂层的工艺流程包括钛或钛合金基体用HF腐蚀处理、原料K₂CO₃与TiO₂配料混合、包覆、干燥、煅烧及剥去包覆层6个主要工序。

图2为钛酸钾晶须生物活性涂层的表面形貌，其中(a)为其低倍下的SEM形貌，(b)为其高倍下的SEM形貌，观察图2可见，钛酸钾涂层外观呈灰白色波纹状，从侧面反映出了涂层中钛酸钾晶须的轮廓；同时在涂层上散布着大小不一的粒子状产物；涂层表面粗糙，且具有明显的气孔，气孔的尺寸在1～3μm。这些气孔的形成是两方面原因综合作用的结果：一方面，高温下K₂CO₃的分解反应，由此放出CO₂导致气孔产生；另一方面，在880℃以上K₂CO₃处于熔融态，在一定程度上影响钛酸钾的分布，而使部分气孔消失。由于前者作用大于后者，最终在涂层中形成了一定尺寸的气孔。粗糙的表面和气孔大大提高了钛酸钾晶须涂层的宏观表面积，可以为钙磷盐的沉积和骨的向内生长提供有利的位置，由此也可以提高种植体与外部骨组织之间的结合力。

图3是钛酸钾晶须涂层与钛合金横截面断口所显示的界面结合情况。经测量，涂层厚度为2～8μm。由图可以看出，钛酸钾晶须在钛基体上定向生长形成钛酸钾涂层，二者界面处未发现微裂纹，涂层与基体间结合良好。图中C表示钛酸钾涂层，M表示基体，J表示二者的界面。

图4为钛酸钾晶须涂层在模拟体液中培养8天后的表面形貌，其中图4(a)为其在低倍下的SEM形貌，图4(b)为其在高倍下的SEM形貌，可见，钛酸钾晶须涂层表面的沉积物呈胞状，高倍下的胞状的沉积层是由多孔的网状结构组成，与人体皮质骨的蜂窝状结构极其相似。

图5为模拟体液培养8天后在钛酸钾涂层表面沉积物的能谱。从能谱分析表明，模拟体液培养后在钛酸钾涂层表面的胞状沉积物为钙磷盐，Ca、P均是骨的无机成分的主要组成元素，由此可知钛酸钾涂层具有很好的生物相容性和生物活性，钛酸钾晶须涂层有利于钙磷的沉积，为植入体在生体内的早期愈合提供了条件，钛酸钟晶须涂层表现出良好的生物活性。

从图6显示，成骨细胞在培养过程中大量增殖，且细胞形态正常。由此可见，钛酸钾涂层具有较高的生物活性，活细胞在其上具有强烈的附壁生长趋势，并与之形成较强的生物吸附，这很有利于骨骼的再生和结合。

实施例1

(1)钛基体的制备与预处理

采用纯钛为基体材料，经线切割成厚度为4mm的片状，经砂纸打磨，再以丙酮为介质进行超声清洗，直至去除试样表面的油污和磨屑，然后利用氢氟酸腐蚀，以增加表面粗糙度，再将硝酸与盐酸按公知比例配制成混合酸对样品钝化除杂。

(2)采用原位KDC法在钛基体上自生钛酸钾晶须生物活性涂层

将K₂CO₃与TiO₂按摩尔比为1∶2混合均匀后，采用丙酮将混合粉包覆在预处理后的钛基体表面，然后在干燥箱中于20℃干燥10分钟，最后放入箱式电阻炉中随炉升温到860℃煅烧，保温0.8小时后降温到200℃时取出剥去包覆层即可在钛的表面原位自生一层钛酸钾涂层。

实施例2

(1)钛合金基体的制备与预处理

采用Ti-15Mo-3Nbβ钛合金为基体材料，经线切割成厚度为5mm的片状，经砂纸打磨，再以丙酮为介质进行超声清洗，直至去除试样表面的油污和磨屑，然后利用氢氟酸腐蚀，以增加表面粗糙度，再将硝酸与盐酸按公知比例配制成混合酸对样品钝化除杂。

(2)采用原位KDC法在钛合金基体上自生钛酸钾晶须生物活性涂层

将K₂CO₃与TiO₂按摩尔比为1∶3混合均匀后，采用丙酮将混合粉包覆在预处理后的钛合金基体表面，然后干燥箱中于25℃的干燥9分钟，最后放入箱式电阻炉中随炉升温到900℃煅烧，保温1小时后降温到300℃时取出剥去包覆层即可在钛合金的表面原位自生一层钛酸钾涂层。

实施例3

(1)钛合金基体的制备与预处理

采用Ti-13Nb-13Zr β钛合金为基体材料，经线切割成厚度为6mm的片状，经砂纸打磨，再以丙酮为介质进行超声清洗，直至去除试样表面的油污和磨屑，然后利用氢氟酸腐蚀，以增加表面粗糙度，再将硝酸与盐酸按公知比例配制成混合酸对样品钝化除杂。

(2)采用原位KDC法在钛或钛合金基体上自生钛酸钾晶须生物活性涂层

将K₂CO₃与TiO₂按摩尔比为1∶4混合均匀后，采用丙酮将混合粉包覆在预处理后的钛合金基体表面，然后干燥箱中于30℃干燥7分钟，最后放入箱式电阻炉中随炉升温到1000℃煅烧，保温1小时后降温到400℃时取出剥去包覆层即可在钛合金的表面原位自生一层钛酸钾涂层。

实施例4

(1)钛合金基体的制备与预处理

采用Ti-15Mo系钛合金为基体材料，经线切割成厚度为7mm的片状，经砂纸打磨，再以丙酮为介质进行超声清洗，直至去除试样表面的油污和磨屑，然后利用氢氟酸腐蚀，以增加表面粗糙度，再将硝酸与盐酸按公知比例配制成混合酸对样品钝化除杂。

(2)采用原位KDC法在钛合金基体上自生钛酸钾晶须生物活性涂层

将K₂CO₃与TiO₂按摩尔比为1∶5混合均匀后，采用丙酮将混合粉包覆在预处理后的钛合金基体表面，然后干燥箱中于35℃干燥5分钟，最后放入箱式电阻炉中随炉升温到1100℃煅烧，保温1.5小时后降温到500℃时取出剥去包覆层即可在钛合金的表面原位自生一层钛酸钾涂层。

实施例5

(1)钛合金基体的制备与预处理

采用Ti-15Mo-5Zr-2Fe钛合金为基体材料，经线切割成厚度为8mm的片状，经砂纸打磨，再以丙酮为介质进行超声清洗，直至去除试样表面的油污和磨屑，然后利用氢氟酸腐蚀，以增加表面粗糙度，再将硝酸与盐酸按公知比例配制成混合酸对样品钝化除杂。

(2)采用原位KDC法在钛合金基体上自生钛酸钾晶须生物活性涂层

将K₂CO₃与TiO₂按摩尔比为1∶6混合均匀后，采用丙酮将混合粉包覆在预处理后的钛合金基体表面，然后干燥箱中于38℃干燥4分钟，最后放入箱式电阻炉中随炉升温到1200℃煅烧，保温2小时后降温到600℃时取出剥去包覆层即可在钛合金的表面原位自生一层钛酸钾涂层。

实施例6

(1)钛合金基体的制备与预处理

采用TiAl_xZr_x-4Nb_x-4.5Sn_x-3.5钛合金为基体材料，其中x≤6，经线切割成厚度为8mm的片状，经砂纸打磨，再以丙酮为介质进行超声清洗，直至去除试样表面的油污和磨屑，然后利用氢氟酸腐蚀，以增加表面粗糙度，再将硝酸与盐酸按公知比例配制成混合酸对样品钝化除杂。

(2)采用原位KDC法在钛合金基体上自生钛酸钾晶须生物活性涂层

将K₂CO₃与TiO₂按摩尔比为1∶6混合均匀后，采用丙酮将混合粉包覆在预处理后的钛合金基体表面，然后干燥箱中于40℃干燥3分钟，最后放入箱式电阻炉中随炉升温到1200℃煅烧，保温2小时后降温到600℃时取出剥去包覆层即可在钛合金的表面原位自生一层钛酸钾涂层。

实施例7

本发明的钛或钛合金基体上自生的钛酸钾晶须生物活性涂层与基体结合强度的测定。

按美国材料试验学会ASTM C633方法，测定得本发明的钛或钛合金基体上自生钛酸钾晶须生物活性涂层与钛或钛合金基体的界面的结合强度在24MPa以上，而Khor等用高速氧焰法制备的HA/Ti-6Al-4V复合涂层，其结合强度只能达到20MPa。可见，采用原位KDC法实现了涂层与基体之间的牢固结合。这除了包覆前合适的基体表面处理与焙烧过程中涂层与基体间元素扩散、基体中自生的TiO₂参与钛酸钾的生成反应使涂层与基体间形成了物理和化学的结合对高结合强度的贡献外，高结合强度的实现还归于如下这个原因：涂层与基体间的结合强度在很大程度上取决于两者热膨胀系数是否匹配。以HAp/钛合金为例，HAp的热膨胀系数约为15×10^-6K^-1，钛及钛合金基体的热膨胀系数一般为8～9×10^-6K^-1，两者间热膨胀系数严重失配，这往往会造成涂层制备过程中热应力在界面处集中，进而导致HAp涂层与钛合金基体之间结合强度降低，甚至造成涂层剥落。K₂O·6TiO₂的热膨胀系数为6.8×10^-6K^-1,，TiO₂的热膨胀系数为8.7×10^-6K^-1，涂层与基体热膨胀系数相近，因此涂层与基体之间结合强度大大提高。

实施例8

本发明中钛合金表面自生的钛酸钾晶须涂层的生物相容性和生物活性的生物学评价。

模拟体液培养实验可以很好地反应生物医用材料的生物相容性和生物活性。为了评价本研究中制备的钛酸钾晶须涂层的生物相容性和生物活性，本发明采用以KCl、NaCl、Na₂SO₄、NaHCO₃、CaCl₂、K₂HPO₄·3H₂O、MgCl₂·6H₂O、去离子水配制而成的模拟体液，并用(CH₂OH)₃CNH₂和1M盐酸调节溶液pH值，使pH值控制在7.4左右，然后将制备好有钛酸钾涂层的样品放入此模拟体液中浸泡8天后取出清洗干燥后采用扫描电镜和能谱仪对其进行检测，得到如图4和图5所示的结果，可知钛酸钾晶须涂层表面沉积的胞状物为钙磷盐，高倍下的钙磷生长层是由多孔的网状结构组成，与人体皮质骨的蜂窝状结构极其相似。由此可见，钛酸钾晶须涂层有利于钙磷的沉积，为植入体在生体内的早期愈合提供了条件，钛酸钾晶须涂层表现出良好的生物活性。

进行体外细胞培养实验，原始接种密度为1.8×10⁴个/m l，培养7天后钛酸钾晶须涂层上的细胞密度增殖近10倍，达到10.75×10⁴个/ml，而且活细胞在其上具有强烈的附壁生长趋势，并与之形成较强的生物吸附，如图6所示。