一种用微束等离子喷涂制备羟基磷灰石涂层的方法

摘要

一种用微束等离子喷涂制备羟基磷灰石涂层的方法，属于生物医用材料工程中的植入体加工制备领域。该方法采用微束等离子喷涂设备将烘干后的羟基磷灰石粉末喷涂到表面经过喷砂处理生物医用植入金属材料基体之上，从而获得结晶度可控，生物稳定性好的羟基磷灰石涂层。使用本方法制备涂层的过程简单，羟基磷灰石粉末沉积效率高。该方法可用于在不锈钢、钴基合金和钛及钛合金等惰性植入金属材料表面沉积羟基磷灰石涂层，使得生物惰性的金属基体的表面生物活化，制备齿根和人工关节等医用植入体器件。

说明书

技术领域

本发明属于生物医用植入材料制备技术领域，具体涉及采用一种微束等离子喷涂方法羟基磷灰石涂层。

背景技术

近10多年以来，全世界的生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20％-25％左右，作为一类技术附加值最高的高技术新材料，预计未来10年-15年内，包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到医药制品市场规模，市场需求大，发展潜力大和利润大，成为21世纪世界经济的支柱产业。

羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)是一种得到广泛应用的生物活性陶瓷材料。它的特点是：与原骨相结合时在界面不产生纤维状组织，它们的表面可与生理环境发生选择性化学反应，所形成的界面能够保护植入体。同人体组织达到键和，对动物体无毒、无害、无致癌作用，生物相容性极佳。羟基磷灰石作为人工齿根，人工骨，龋齿预防剂的新材料，已在医学临床上获得应用。与自然人骨，人齿(珐琅质及象牙质)比较，单纯的HA烧结体耐压强度、抗拉强度和弹性模量比较大，然而在动态或静弯曲强度很低，断裂韧性仅为钛合金的1/70-1/40，在生理环境中抗疲劳强度差，韦布尔系数仅为12。因此羟基磷灰石生物陶瓷仅限于不承力的体位。1986年K.de.Groot和J.F.Kay分别利用等离子喷涂技术成功地在生物材料表面沉积了羟基磷灰石涂层，我国自1988年也在该领域开展了研究，已经应用与临床。这种方法克服了羟基磷灰石生物活性陶瓷的脆性和金属材料的生物惰性问题，成为一种可承力硬组织修复植入材料。目前，羟基磷灰石涂层主要应用在人工齿根，关节骨柄、接骨板和人工骨等。

然而，大气等离子喷涂技术在应用中也存在一些问题。首先，传统的大气等离子热喷涂的离子焰流的温度在2000-20000K之间，弧中心最高温度可达32000K，喷涂后HA粉末会发生相转变，涂层中会包含晶态HA，磷酸钙晶体和非晶态的HA。这是因为，HA在1200-1400℃之间会丢失羟基，1300℃左右羟基全部消失，生成氧磷酸钙。随着温度升高，粉末进一步分解。因此，温度极高的等离子喷涂易使HA发生分解，植入生物体后易发生过早溶解剥离，不能起到诱导骨组织生长的作用，材料的使用寿命短。第二，传统大气等离子喷涂消耗功率在40-200kW之间，实际用于粉末加热的有效能量只占总功率的10-20％，且粉末的沉积效率低，只有20-50％，粉末利用率低。而在制备HA涂层时需要采用昂贵的高纯度的HA粉末作为原料，造成了巨大的浪费。

相对而言，采用低功率的外置可拆卸阳极的外送粉式微束等离子喷涂的焰流为层流，功率为1-2kW，等离子弧的速度低。可以减少粉末的过热分解，有效提高涂层的结晶度；并且阳极的直径很小，粉末利用率高，减少了粉末的浪费。适合喷涂HA涂层，制备生物医用植入体的表面改性涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用微束等离子喷涂制备羟基磷灰石涂层的方法。使用本发明提供的方法制备的羟基磷灰石涂层，具有良好的力学性能的同时具有良好的生物稳定性和生物活性，涂层结晶度可控，粉末利用率高，节约了能源。

本发明所提供的一种用微束等离子喷涂制备羟基磷灰石涂层的方法，包括以下步骤：

采用微束等离子喷涂设备将烘干后的粒径为28-53μm的羟基磷灰石粉末喷涂到表面经过喷砂处理生物医用植入金属材料基体之上，喷涂工艺参数为：焰流功率为1-2kW，工作电流为35-60A；枪摆速度为150-3900mm/s，喷涂距离70-100mm；工作气为氦氩混合气，氦气和氩气的体积比为1∶1，工作气流量1.0-1.2L/min；保护气为氦氩混合气或氩气，保护气流量0.4-0.5L/min；送粉气为氦氩混合气或氩气，送粉气流量4-5L/min；送粉率0.05-0.50g/min。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的方法的粉末利用率在70-90％之间，涂层与基体间的结合强度可达35.6MPa，结晶度65-85％之间可控，生物活性好，稳定性好，可在模拟体液中长时间浸泡不脱落，可作为人工种植体的涂层。

以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式

下属实施例中所使用的羟基磷灰石粉末均为市售商品。羟基磷灰石粉末粒径为28-53μm，喷涂前在烘干炉中120℃烘干3h。基体材料为经过喷砂处理的生物医用钛合金。

实施例1：采用微束等离子喷涂系统将羟基磷灰石粉料喷涂到基体之上，喷涂工艺参数为：工作气为氩氦混合气，氦气和氩气的体积比为1∶1，工作气流量1.0L/min，保护气为工业纯氩，保护气流量0.5L/min，送粉气为工业纯氩，送粉气流量4L/min，送粉率0.05g/min，工作电流40A，枪摆速度150mm/min，步进2mm，喷涂次数3次，喷涂距离80mm，得到涂层厚度为50μm；粉末利用率90％，结晶度为85％。

实施例2：采用微束等离子喷涂系统将羟基磷灰石粉料喷涂到基体之上，喷涂工艺参数为：工作气为氩氦混合气，氦气和氩气的体积比为1∶1，工作气流量1.1L/min，保护气为氩氦混合气，保护气流量0.4L/min，送粉气为氩氦混合气，送粉气流量5L/min，送粉率0.10g/min，工作电流35A，枪摆速度600mm/min，步进3mm，喷涂次数2次，喷涂距离70mm，得到涂层厚度为20μm；粉末利用率74％，结晶度为79％。

实施例3：采用微束等离子喷涂系统将羟基磷灰石粉料喷涂到基体之上，喷涂工艺参数为：工作气为氩氦混合气，氦气和氩气的体积比为1∶1，工作气流量1.2L/min，保护气为氩氦混合气，保护气流量0.4L/min，送粉气为氩氦混合气，送粉气流量5L/min，送粉率0.50g/min，工作电流60A，枪摆速度3900mm/min，步进2mm，喷涂次数3次，喷涂距离100mm，得到涂层厚度为100μm；粉末利用率70％，结晶度为65％。

实施例4：采用大气等离子喷涂系统将羟基磷灰石粉料喷涂到基体之上，喷涂工艺参数为：工作气为工业纯氩，工作气流量41L/min；辅助气为氦气，辅助气流量8L/min；保护气为工业纯氩，保护气流量8L/min；送粉率18g/min，电流600A，枪摆速度500mm/min，步进4mm，喷涂次数3次，喷涂距离100mm，得到涂层厚度为100μm；粉末利用率43％，结晶度为52％。

由以上实施例可以看出，与传统的大气等离子喷涂方法相比，微束等离子喷涂方法制备羟基磷灰石涂层的粉末利用率高，可以节约成本。制备的涂层结晶度高，不需要后处理，生物稳定性好。