医用金属植入体表面的磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种医用金属植入体表面的磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层及其制备方法。该复合涂层是由沉积在医用金属表面的磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列复合成的多孔涂层，二氧化钛纳米棒的直径为25~50nm，平均高度为1000~2000nm，其顶端暴露于涂层表面，暴露长度为10~100nm。首先通过水热在医用金属基体表面生长二氧化钛纳米棒阵列，然后通过电化学沉积将磷酸钙沉积在二氧化钛纳米棒阵列中形成多孔结构并使纳米棒顶端暴露；对上述所得到的涂层进行热处理又可得到孔径尺度较大二氧化钛和磷酸钙多孔复合涂层。所得到的涂层可调节表面亲水特性和孔径大小，可广泛应用于医用金属植入体以及其他生物医学工程领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物医用涂层，特别是一种表面亲水特性可调、孔径大小可调的医用金属植入体表面的磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层及其制备方法。

背景技术

钛和钛合金已广泛应用于生物植入材料, 钛及钛合金表面生成的保护性和稳定的二氧化钛有利于成骨。如果涂层表面亲水性的增强，那么可使钛植入体界面成骨作用显著增强(Hideki Aita, Norio Hori. The effect of ultraviolet functionalization of titanium on integration with bone, Biomaterials 30 (2009) 1015-1025)。另外，磷酸钙与人体骨组织无机成份相类似，尤其是以羟基磷灰石、磷酸八钙等为代表的涂层对提高植入材料的生物相容性和生物活性有重要的作用，如中国专利CN201110027453.X所制备的涂层。除此之外，多孔结构由于与人体自身材料的相近性以及较大的比表面积，其生物相容性和生物活性较致密结构都有较大的提高（Markus L. R. Schwarz, Markus Kowarsch, Steffen Rose. Effect of surface roughness, porosity, and a resorbable calcium phosphate coating on osseointegration of titanium in a minipig model. Journal of Biomedical Materials Research Part A(2008)667-678），如中国专利CN201110154051.6所制备的多孔磷酸钙材料。

尽管二氧化钛、磷酸钙复合涂层已有人制备出，但是使二氧化钛大量暴露于涂层表面以便调节亲水特性还需要进行巧妙设计；其次磷酸钙以多孔的形式引入涂层中还是比较困难的，而引入多孔结构之后如何调节孔径大小也成为一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有表面亲水特性可调和孔径大小可调的医用金属植入体表面的磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层及其制备方法。

本发明的医用金属植入体表面的磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层，是由沉积在医用金属表面的磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列复合成的多孔涂层，二氧化钛纳米棒的直径在25~50 nm，平均高度为1000~2000 nm，其顶端暴露于涂层表面，暴露长度为10~100nm。

上述多孔涂层上的孔的大小为20~300nm。

本发明中，所说的医用金属为医用金属钛或医用金属钛合金。所说的磷酸钙为磷酸氢钙或羟基磷灰石。

医用金属植入体表面的磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层的制备方法，包括以下步骤：

1) 将苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去离子水和质量浓度37.5%的盐酸，乙醇、去离子水和盐酸的体积比为5:18:12，使苦味酸浓度为18mM；再向溶液中加入钛酸四丁酯，使钛酸四丁酯浓度为300~600mM，得到母液；

2) 将母液置于水热釜中，然后放入医用金属基板，在160~200℃生长3~6h，获得表面生长有二氧化钛纳米棒阵列的医用金属基板；

3) 将硝酸钙和磷酸二氢铵按摩尔比1:1溶于水中，配成钙离子浓度为4~8mM的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液，并调节pH值为4.5~5；

4) 将步骤2)的医用金属基板置于步骤3)的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液中，在45~55℃，3V电压下进行恒压电沉积，沉积时间为30~90s，得到在医用金属表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，涂层中磷酸钙的晶相是磷酸氢钙(DCPD)，孔径大小为20~99nm。

本发明制备的进一步特征是将上述步骤4)得到的表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列多孔涂层的医用金属在500~600℃下热处理5~10min，使得到的涂层中磷酸钙的晶相是羟基磷灰石(HAP)，孔径大小为100~300nm。

本发明将二氧化钛和磷酸钙、超亲水特性、多孔结构巧妙的结合起来：首先在医用金属表面生长出二氧化钛纳米棒阵列，然后通过电化学沉积将磷酸钙沉积在二氧化钛纳米棒阵列中形成多孔结构并使纳米棒顶端暴露，得到的复合涂层中磷酸钙的晶相是磷酸氢钙相；对上述所得到的涂层进行热处理又可得到孔径尺度较大复合涂层，并且磷酸钙的晶相转变为羟基磷灰石相。上述方法制备出的复合涂层不仅有磷酸钙的优良特性，而且多孔结构提供的较大的比表面积更有利于细胞的初始附着、增殖、分化，再者二氧化钛可在紫外光照射下呈现亲水特性的特点，并可通过紫外照射时间等参数的调整调控复合涂层的亲水特性。更为重要的是，二氧化钛生长在金属基体表面，和基板有良好的结合，磷酸钙作为嵌入的形式引入，这就防止了大片的磷酸钙脱落从而影响涂层的性能。因此，本发明的复合多孔涂层具有优异的可调表面亲水特性和较大的比表面积，能够更加有效地改进生物医用金属植入体与组织结合的性能。

附图说明

图1是磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层的纵向截面SEM图（未热处理）。

图2是磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层的SEM图（未热处理）。

图3是磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层的SEM图（热处理后）。

图4是磷酸钙/二氧化钛纳米棒阵列复合多孔涂层的紫外照射前后表面水接触角照片。

具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明。

实施例1

1) 将苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去离子水和质量浓度37.5%的盐酸，乙醇、去离子水和盐酸的体积比为5:18:12，使苦味酸浓度为18mM；再向溶液中加入钛酸四丁酯，使钛酸四丁酯浓度为500mM，得到母液；

2) 将母液置于水热釜中，然后放入医用金属钛基板，在160℃生长3h，获得表面生长有二氧化钛纳米棒阵列的医用金属钛基板；二氧化钛纳米棒的直径为25~50 nm，平均高度为1000~2000 nm；

3) 将硝酸钙和磷酸二氢铵按摩尔比1:1溶于水中，配成钙离子浓度为4mM的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液，并调节pH值为5；

4) 将步骤2)的医用金属钛基板置于步骤3)的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液中，在50℃，3V电压下进行恒压电沉积，沉积时间为90s，得到在医用金属钛表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，二氧化钛纳米棒顶端暴露于涂层表面的长度为10~100nm（见图1）；涂层中磷酸钙的晶相是磷酸氢钙(DCPD)，孔径大小为20~99nm（见图2）。

实施例2

将实施例1获得的在医用金属钛表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，在600℃下热处理10min，得到的涂层中磷酸钙的晶相是羟基磷灰石(HAP)，孔径大小为100~300nm，其SEM图见图3。

将本例得到的医用金属钛植入体表面的磷酸钙/二氧化钛复合涂层黑暗处理6h后，表面接触角α为68.4°（图4a）, 经过紫外照射1h后，其表面水接触角α变为28°（图4b），显示出对紫外光的响应特性。

实施例3

1) 将苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去离子水和质量浓度37.5%的盐酸，乙醇、去离子水和盐酸的体积比为5:18:12，使苦味酸浓度为18mM；然后向溶液中加入钛酸四丁酯，使钛酸四丁酯浓度为300mM，得到母液；

2) 将母液置于水热釜中，然后放入医用金属钛基板，在180℃生长5h，获得表面生长有二氧化钛纳米棒阵列的医用金属钛基板；二氧化钛纳米棒的直径为25~50 nm，平均高度为1000~2000 nm；

3) 将硝酸钙和磷酸二氢铵按摩尔比1:1溶于水中，配成钙离子浓度为8mM的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液，并调节pH值为5；

4) 将步骤2)的医用金属钛基板置于步骤3)的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液中，在50℃，3V电压下进行恒压电沉积，沉积时间为30s，得到在医用金属钛表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，二氧化钛纳米棒顶端暴露于涂层表面的长度为10~100nm，涂层中磷酸钙的晶相是磷酸氢钙(DCPD)，孔径大小为20~99nm。

实施例4

将实施例3获得的在医用金属钛表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，在600℃下热处理10min，得到的涂层中磷酸钙的晶相是羟基磷灰石(HAP)，孔径大小为100~300nm。

实施例5

1) 将苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去离子水和质量浓度37.5%的盐酸，乙醇、去离子水和盐酸的体积比为5:18:12，使苦味酸浓度为18mM；然后向溶液中加入钛酸四丁酯，使钛酸四丁酯浓度为600mM，得到母液；

2) 将母液置于水热釜中，然后放入医用金属钛基板，在200℃生长6h，获得表面生长有二氧化钛纳米棒阵列的医用金属钛基板；二氧化钛纳米棒的直径为25~50 nm，平均高度为1000~2000 nm；

3) 将硝酸钙和磷酸二氢铵按摩尔比1:1溶于水中，配成钙离子浓度为8mM的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液，并调节pH值为5；

4) 将步骤2)的医用金属钛钛基板置于步骤3)的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液中，在50℃，3V电压下进行恒压电沉积，沉积时间为60s，得到在医用金属钛表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，二氧化钛纳米棒顶端暴露于涂层表面的长度为10~100nm，涂层中磷酸钙的晶相是磷酸氢钙(DCPD)，孔径大小为20~99nm。

实施例6

将实施例5获得的在医用金属钛表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，在600℃下热处理10min，得到的涂层中磷酸钙的晶相是羟基磷灰石(HAP)，孔径大小为100~300nm。

实施例7

1) 将苦味酸溶解于乙醇中，然后加入去离子水和质量浓度37.5%的盐酸，乙醇、去离子水和盐酸的体积比为5:18:12，使苦味酸浓度为18mM；然后向溶液中加入钛酸四丁酯，使钛酸四丁酯浓度为400mM，得到母液；

2) 将母液置于水热釜中，然后放入医用金属钛基板，在160℃生长4h，获得表面生长有二氧化钛纳米棒阵列的医用金属钛基板；二氧化钛纳米棒的直径为25~50 nm，平均高度为1000~2000 nm；

3) 将硝酸钙和磷酸二氢铵按摩尔比1:1溶于水中，配成钙离子浓度为4mM的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液，并调节pH值为5；

4) 将步骤2)的医用金属钛基板置于步骤3)的硝酸钙和磷酸二氢铵溶液中，在50℃，3V电压下进行恒压电沉积，沉积时间为90s，得到在医用金属钛表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，二氧化钛纳米棒顶端暴露于涂层表面的长度为10~100nm，涂层中磷酸钙的晶相是磷酸氢钙(DCPD)，孔径大小为20~99nm。

实施例8

将实施例7获得的在医用金属钛表面沉积有磷酸钙和二氧化钛纳米棒阵列的多孔涂层，在600℃下热处理10min，得到的涂层中磷酸钙的晶相是羟基磷灰石(HAP)，孔径大小为100~300nm。