一种多孔金属材料表面的生物活性涂层及其制备方法

摘要

本发明涉及一种多孔金属材料表面的生物活性涂层及其制备方法，属于生物医用材料领域。本发明采用化学及电化学方法在多孔金属材料表面制备多层结构涂层，制备工艺简单、耗时少，重复性好，易于实现可控批量生产。由本方法制备的生物活性涂层具有三层微结构：底层（金属表面上）为金属氧化物致密层、中间层为金属氧化物凝胶层、顶层（表层）为磷酸钙膜层，且这三层膜的厚度和微结构可在纳米到微米范围内按需调控。这种特征的涂层不仅具有抑制基底金属自发的腐蚀作用，而且还有很强的基体附着力、较大的比表面积和丰富的微孔等特点，从而可大幅提高多孔金属材料的骨传导性，甚至骨诱导性，尤其适用于承重部位骨缺损的修复或替换。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔金属材料表面的生物活性涂层及其制备方法，属于生物医用材料领域。

技术背景

金属材料优异的力学性能使其在生物医用领域，尤其是骨科方面得到了广泛的应用。

钛及其合金具有生物相容性好、毒性低、足够的力学强度和耐腐蚀性而成为人体承重部位受损硬组织(牙齿,关节等)置换的首选材料。可是，未经特殊表面处理的钛及其合金却是生物惰性的。这种表面生物惰性的植入体由于很难与其周围组织形成有效的骨整合，常常导致植入体松动而引起慢性炎症，最终不得不二次手术取出植入体，这是导致钛基植入体植入失败的主要原因。大量的研究表明，钛基植入体表面生物活化可促进植入体与周围组织的骨整合,从而克服因植入体松动而导致的植入失败的问题。因此，钛及其合金表面的生物活化就成为钛基植入体研发的重点之一。

钛及其合金表面生物活化的原理是通过修饰钛表面使其具有诱导或促进类骨磷灰石形成能力。基于这个原理，人们已发展了很多方法来活化钛基植入体。这些方法包括酸碱处理，水热处理，阳极氧化，微弧氧化，表面离子注入和磷酸钙（CaP）涂层等。其中，最有效的生物活化方法就是在钛植入体表面制作CaP涂层，因为CaP涂层可以加速钛基表面类骨磷灰石的形成，促进植体与宿主骨的整合。

CaP涂层的制备方法很多，主要包括等离子喷涂法，溅射法，脉冲激光沉积法，水热合成法，溶胶-凝胶法，仿生溶液生长法等。其中，等离子喷涂技术是研究得最成熟且已广泛用于钛植入体表面CaP涂层的制作。该方法具有生产效率高、涂层均匀、涂层厚度易控、重复性好等优点。但是，处于高温高速等离子体射流中的磷酸钙粉体很容易发生融化、相变甚至分解，从而导致磷酸钙涂层成分复杂化，与基底金属因热膨胀系数不匹配而导致涂层在液体中容易剥脱等。此外，等离子体涂层制备技术还需要特殊的设备，而且，这种线性工艺也不能用于异形和多孔结构的植入体上。因此，近年来，常温液相非线性涂层制备技术得到了快速的发展，比如：溶胶-凝胶法、仿生溶液生长法、电化学和电泳沉积法等。溶胶-凝胶法和仿生溶液生长法具有工艺简单，成本低，涂层组分均匀等优点，但这两种方法不仅制备周期长，而且涂层受基体金属表面几何结构和化学均匀性的影响极大，因而很难用于多孔金属支架的涂层的制备。相比之下，电化学沉积涂层法却具有明显的优势。

电化学沉积磷酸钙涂层的基本原理是通过电解析氢引起金属表面附近溶液的pH升高而加速CaP的成核和生长。影响CaP涂层性能的主要因素包括加电方式、金属表面性质、溶液传质过程、沉积温度和时间。对平板金属而言，常规的电化学沉积过程就可以获得均匀的CaP涂层形成。可是，这种常规的电化学沉积过程用于多孔金属支架时，却很难使CaP涂层完全覆盖支架内部的孔壁, 其主要原因应该是多孔支架内部的孔道网络对溶液传质过程的阻碍所致。

除了植入金属部件表面涂层的生物活性外，另外一个影响植入体成败的重要因素就是生物活性涂层与基体金属的连接（粘结）强度。由于松动的涂层总是会引起机体的炎性反应，长时间的炎性反应导致植入的失败。因此，理想的植入金属器件表面的生物活性涂层应该同时满足三个条件：生物活性，力学稳定性，以及对基体金属自然腐蚀的抑制性。目前，尚无可同时满足这种理想条件的涂层或其制备技术。因此，在多孔金属植入体表面制备理想的生物活性涂层对发挥金属植入体的设计性能，延长其使用寿命，降低返修/失效率，提高患者的生活质量具有重要意义。

发明内容

以在多孔金属表面制备理想涂层为目标，本发明提供了一种多孔金属材料表面的多层生物活性涂层及其制备方法。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种多孔金属支架表面的生物活性涂层，所述涂层为三层结构：金属表面的致密膜、中间的多孔凝胶层和涂层表面的松散层。所述底层致密膜为金属氧化物，中间层为金属氧化物凝胶，表层为磷酸钙。基体金属表面的致密层负责阻碍基体金属的自发腐蚀，以及化学连接中间层；中间凝胶层负责缓冲应力；表层的磷酸钙负责加速类骨磷灰石的形成。

作为可选方式，在上述生物活性涂层中，基体金属——致密层，致密层—中间凝胶层的界面均为化学耦合连接，而中间凝胶层—表层磷酸钙为物理耦合连接。

作为可选方式，在上述生物活性涂层中，所述金属氧化物凝胶中间层具有纳米级的网状多孔结构，所述磷酸钙外层具有纳米棒状或鳞片状结构。

所述生物活性涂层可满足理想涂层的要求：即，涂层的表面层为羟基磷灰石生物活性层，负责加速类骨磷灰石的形成；中间层为多孔金属氧化物层，负责应力缓冲，并具有一定的生物活性；涂层的底层为金属氧化膜致密层，负责阻碍来自体液和细胞组织对基体金属的侵蚀，达到保护基体金属的目的，同时，这层致密膜也将中间缓冲层以化学连接方式固定在基体金属上，以此确保了涂层的力学稳定性。本发明与现有的生物活性涂层制备方法相比，具有制备工艺简单、耗时少，重复性好，易于实现可控批量生产。尤为重要的是，由本方法制备的生物活性涂层具备了金属植体表面理想涂层的特性，因而，可显著提高多孔金属支架的骨传导性和骨诱导性，从而提高承重部位的功能恢复成功率。

本发明还提供了一种制备上述多孔金属支架表面的生物活性涂层的方法，包括对多孔金属进行表面化学处理、表面电化学处理；所述表面电化学处理包括阳极氧化过程和电化学沉积过程。电化学阳极氧化多孔金属，在金属表面形成金属氧化物致密膜层；电化学沉积处理多孔金属，促使磷酸钙沉积在多孔金属表面的凝胶层上。

作为可选方式，在上述制备方法中，在进行完电化学沉积后还包括水热处理。所述水热处理是将电化学沉积后的材料放入高压水热釜中, 在120-180℃范围内水热处理1-2小时，以提高金属氧化和磷酸钙的结晶性和致密化，从而提高涂层的附着力。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述表面化学处理为酸碱处理或碱热处理。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述表面化学处理包括采用强碱化学处理多孔金属使金属表面发生不均匀性溶解形成多坑网状结构，同时产生金属氢氧化物凝胶层。作为可选，所述强碱化学处理步骤为: 将多孔金属材料置于盛有5-10M NaOH 的聚四氟乙烯杯中，并将聚四氟乙烯杯放置在烘箱中，于60℃下保温 4-10小时后，用去离子水超声清洗多孔金属支架直至洗液pH接近中性后待用。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述表面化学处理为多孔钛基体材料依次进行脱脂、酸洗和碱处理，以溶解基体金属表面形成氧化钛凝胶层。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述表面化学处理包括:

脱脂：将多孔金属基体材料依次在丙酮、无水乙醇中超声振荡洗涤5~10min，重复1~3次，然后在去离子水中超声振荡洗涤3次；作为可选，当基体材料中油脂较多时，可以依次在石油醚、丙酮、无水乙醇中进行脱脂处理；

酸洗：将脱脂后的多孔金属基体材料浸入30~40℃的2~4M HNO₃溶液中，0.5~1h后取出，去离子水冲洗至pH值中性；

碱处理：将酸洗后的多孔金属基体材料烘干后浸入5~10M NaOH溶液中，于60℃烘箱保温 4~10小时后取出，去离子水冲洗至pH值中性。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述阳极氧化过程为将经过表面化学处理的多孔金属支架为阳极，铂丝网为阴极，进行阳极氧化，在多孔金属表面形成致密氧化膜。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述阳极氧化过程为经过表面化学处理的多孔金属支架放入盛有0.01-0.5M H₃PO₄溶液的电解槽中，以多孔金属材料为阳极，铂丝网为阴极，室温下进行阳极氧化，目的是在多孔金属表面形成致密氧化膜；阳极氧化的最高电压控制在：50~90V，阳极氧化方式：先以恒电流（0.2-2 mA/cm²）方式氧化，直到电压增大到设定的最高电压后，再以恒电压方式在设置的最高电压下继续氧化，直到阳极氧化电流小于0.1mA/cm²时为止，阳极氧化后的多孔金属支架经去离子水超声清洗至洗液pH接近中性后、烘干备用。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述电化学沉积过程为将阳极氧化后的多孔钛放入盛有含钙盐、磷盐及电解质KCl的水溶液，pH=6~6.5，的电解槽中，并以所述多孔钛为阴极，石墨或高纯铂片或铂网为阳极，水浴加热电解液至60~95 ℃，以脉冲恒电流方式进行电化学沉积，取下材料，用去离子水(优选30~50℃)浸洗至pH为中性。更进一步的，可以在上述电化学沉积过程中辅以超声或搅拌方式加速传质。

作为可选方式，在上述制备方法中，进行电化学沉积前先对作为阴极材料的多孔金属基体进行减压排气灌液，即先对所述多孔金属进行抽真空处理，使其处于负压状态，再加入所述电解液使其灌注到所述阴极材料的多孔结构中。通过减压排气罐液，使电解液充分浸润到材料的多孔结构内部，使得电解过程中磷酸钙能够均匀沉积并覆盖材料的内部孔隙表面。作为可选，所述减压排气灌液步骤具体为：将阳极氧化处理后的多孔钛放入真空抽滤瓶中，抽滤瓶口安装一支恒压滴液漏斗，漏斗中盛50mL配置好的电解液。启动真空泵排气5~10分钟后，慢慢旋开恒压漏斗活塞直到电解液完全浸没整块多孔钛基体后，关闭漏斗活塞，继续排空5分钟后停止真空泵。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述电化学沉积步骤中的电解液中的Ca²⁺浓度为2~6 mmol/L，PO₄^3-浓度为1.2~3.6 mmol/L，Ca/P摩尔比为1.67~2.0，电解质KCl的浓度为0.1~1 mol/L。Ca²⁺的来源是CaCl₂或Ca(NO₃)₂或Ca(NO₃)₂·4H₂O，PO₄^3-的来源是NH₄H₂PO₄或(NH₄)₂HPO₄。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述电化学沉积步骤中的脉冲电流为：低电流密度为0 m A/cm²，持续时间2~30s，脉冲高电流密度为5~50m A/cm²，持续时间0.1~10s，沉积周期为30~300。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述电化学阴极沉积磷酸钙过程具体为：

1）将经过阳极氧化处理的多孔金属支架放入真空抽滤瓶中，抽滤瓶口安装一支恒压滴液漏斗，漏斗中盛有钙磷电解液50 ml，启动真空泵排气5-10分钟后，慢慢旋开恒压漏斗活塞直到滴加的钙磷电解液完全浸没整块多孔金属支架后，关闭漏斗活塞，继续排空5分钟后停止真空泵。作为可选，抽真空至真空度0.1Mpa。

2）钙磷电解液的组成：Ca²⁺浓度为2～6 mmol/L，PO₄^3-浓度为1.2～3.6 mmol/L，Ca/P摩尔比为1.67～2.0，KCl的浓度为0.1～1 mol/L，pH：6-6.5.

3）电沉积条件：以多孔金属为阴极，铂丝网为阳极，以恒电流脉冲方式，于60-95℃下，实施电化学沉积过程。所述脉冲电流为：高电流（阴极）密度：5~50mA/cm²，高电流持续时间：0.1~10s，低电流（阳极）电流密度：0 mA/cm²，低电流持续时间：2-30s，电沉积时间（以脉冲周期计）为30-300周期。电沉积完成后，将多孔金属放在去离子水（30-50℃）中搅拌清洗3—5次，直到洗液pH接近中性。

作为可选方式，在上述制备方法中，所述水热处理步骤为：在120-180℃范围内水热处理1-2小时，以提高金属氧化和磷酸钙的结晶性和致密化，从而提高涂层的附着力。

作为可选方式，上述方法所使用的金属材料为钛、钽等生物医用金属及其合金中的至少一种。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

与现有技术比较，本发明具有下述优点：

（1） 对多孔基体除油、除氧化膜后，用高浓度热碱溶液浸泡处理，不仅增加了基体金属表面的粗糙度，而且，也在基体表面形成了水合凝胶层，这种凝胶层作为调节金属基体与CaP涂层的热膨胀系数失配的缓冲层，因而大大增强了CaP涂层与基体金属之间的结合强度。

（2）以表面凝胶化了的多孔金属为阳极，在稀磷酸溶液中阳极氧化，在金属表面形成一层致密的金属氧化膜，起到保护基体金属的作用，同时将凝胶层化学连接到基体金属上，极大了提高了凝胶缓缓层的力学稳定性。

（3）以阳极氧化处理的多孔金属为阴极，通过控制阴极脉冲电流密度大小和脉冲持续时间和电沉积时间，同时，辅之超声搅拌，可在多孔金属内部孔道表面生长一层均匀的CaP涂层。这种涂层的厚度从亚微米到微米可调。

（4）高温水热处理可以消除制作过程中残留在膜层之间的应力，同时，也促进各层膜的微结构的完善，以提高膜的稳定性和生物活性。

（5）本发明提出的生物活性涂层的制备方法，具有工艺简单、条件温活、耗时少、可控性强、重复性好、易于实现批量化、适合用于各种异形和多孔的金属构件等优点。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明实施例1中所述低孔隙率多孔钛表面形貌的扫描电镜（SEM）照片，放大倍数为50倍。

图3为实施例1中多孔钛酸碱处理后的表面形貌的扫描电镜（SEM）照片，放大倍数为20000倍。

图4为实施例1中电化学沉积后多孔钛表面形貌的扫描电镜（SEM）照片，其中（a）的放大倍数为1000倍，（b）的放大倍数为10000倍。

图5 为实施例2中高孔率多孔钛表面形貌的扫描电镜（SEM）照片，放大倍数为30倍。

图6为实施例2中高孔率多孔钛电化学沉积后的表面形貌的扫描电镜（SEM）照片，其中（a）的放大倍数为500倍，（b）的放大倍数为5000倍。

图7 为实施例1中低孔隙率多孔钛表面涂层的断面形貌的扫描电镜（SEM）照片，其中（a）的放大倍数为5000倍，（b）的放大倍数为20000倍。

图8  为实施例1中多孔钛表面涂层的XRD图谱。

具体实施方式

以下通过实施例的具体实施方式再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应当将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明的精神和原则之内做的任何修改，以及根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的等同替换或者改进，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

  低孔隙率多孔钛特征：圆柱形（Φ8×20 mm），孔隙率~40%，大孔尺寸：~230微米，如图2所示。

1）预处理

a）除油：将多孔钛依次在丙酮、乙醇中超声振荡洗涤5～10min，重复2次后，在去离子水中超声振荡洗涤2次备用。

b）酸碱处理：将除油后的多孔钛浸入2M HNO₃溶液中，在室温下放置半小后取出，去离子水冲洗至中性；然后，将其浸入盛有6 M NaOH溶液的聚四氟乙烯杯中，在60℃的烘箱保温 4小时后，去离子水超声清洗直到洗液pH接近中性。强碱处理后的多孔钛表面典型的多坑网络状形貌如图3所示。

2）阳极氧化处理

a) 阳极氧化：将清洗后的多孔钛圆柱体置于盛有0.1 M H₃PO₄溶液的电解槽中，并将孔钛连接到直流电源的正极，铂丝网连接到电源的负极，以1mA/cm²恒电流氧化多孔钛，直到阳极氧化电压上升到80V，此时，恒电源自动切换成恒电压模式，继续以80V的电压氧化，直到电流小于0.2mA/cm²为止。然后，用去离子水超声清洗多孔钛，直到洗液pH为中性。

b) 热处理：

将阳极氧化后的多孔钛圆柱体置于240℃的烘箱中，2h后自然冷却至室温备用。

3）脉冲电沉积磷酸钙涂层

a) 配制电解液：电解液由钙盐、磷盐和电解质KCl水溶液组成。电解液中保持Ca/P初始含量摩尔比为1.67，溶剂为去离子水，室温下用氨水和稀盐酸调节电解液的初始pH值为6.0～6.5，各组分浓度如下：

 Ca²⁺           6 mmol/L

 PO₄^3-           3.6 mmol/L

 KCl           0.1 mol/L

b) 将经步骤2）处理过的多孔钛圆柱体放入真空抽滤瓶中，抽滤瓶口安装一支恒压滴液漏斗，漏斗中盛50ml按步骤a) 配置好的电解液。启动真空泵排气5分钟后，慢慢旋开恒压漏斗活塞，滴加电解液，直到电解液完全浸没多孔钛后，关闭漏斗活塞，继续排空5分钟后停止真空泵。

c）将经过步骤 b）处理过的多孔钛放入盛有按步骤a）配制的电解液的电解槽中，并以多孔钛为阴极，铂丝网为阳极，超声水浴槽加热使电解液温度达到90℃时，开始脉冲电沉积：阴极脉冲电流密度为10 mA/cm²，脉冲持续时间1s，脉冲休止（电流密度为0）时间10s，电沉积时间为1100s (100个周期)，电沉积过程中一直超声搅拌。电沉积结束后，将多孔钛用去离子热水浸泡洗涤三次后备用。

4）水热处理：将电沉积后的多孔钛放入高压釜中进行水热处理，温度设置为150℃下处理2h后，在120℃烘箱中烘干即可。经过步骤3）和4）处理后的多孔钛表面形貌如图4所示。

  实施例2：

高孔隙率多孔钛特征：圆柱形（Φ8×20 mm），孔隙率~73%，大孔尺寸~400微米，如图5所示。

1)    预处理和阳极氧化步骤同实施例1；

2）脉冲电沉积磷酸钙涂层

电解液组分、灌冲多孔钛和电沉积温度同实施例1。阴极电沉积条件为：阴极脉冲电流密度为6 mA/cm²，脉冲持续时间0.8s，脉冲休止（电流密度为0）时间9.2s，机械搅拌，电沉积（以周期数计）90个周期后结束，去离子热水浸泡洗涤三次后备用。

3）水热处理：同实施例1。经过步骤2）和3）处理后的多孔钛表面形貌如图6所示。

实施例3：多孔钛表面涂层表征

以实施例1制备的涂层为例，对涂层的结构、厚度，表层磷酸钙的晶型和附着力进行了评估。

1)     涂层结构和厚度

图7显示了本发明在多孔钛表面制备的多层涂层典型的断面形貌。按实施例1条件制备的HAP涂层厚度越为1.0微米，钛表面致密氧化膜和中间凝胶层厚度约为0.5微米。

2）涂层表面磷酸钙的晶型和组成

在多孔钛表面涂层典型的XRD特征（图8）中，四个最强的衍射峰对应于HAP主要特征峰，同时，也出现了TiO2和钛的特征峰，表明钛表面涂层为TiO2和HAP。此外，电镜观察时的元素分析（EDS）显示HAP涂层的Ca/P比为1.58-1.62，这表明涂层表面的磷酸钙为缺钙型HAP。

3）涂层的稳定性

由于本发明使用的基体为多孔钛，而且涂层表面的HAP很薄（约1微米），因而经典的涂层稳定性评价方法在此不适合。为此，本发明采用了超声清洗法，通过目测水溶液的浑浊程度来评价HAP涂层的粘附稳定性。将水热处理后的多孔钛置于盛有50ml去离子水的烧杯中，将此烧杯置于超声波清洗槽（40kHz, 400W）中，在30℃下超声5min后，没有观察到水溶液变浑。由此推测，HAP涂层具有较好稳定性。

实施例4：

在实施例1或2所述方法中省去水热处理步骤，所得的生物活性涂层形貌与实施例1或2中制得的生物活性涂层形貌基本相同，只是未经水热处理的生物活性涂层与基体结合的稳定性略差，置于盛有50ml去离子水的烧杯中，将此烧杯置于超声波清洗槽（40kHz, 400W）中，在30℃下超声5min后，水溶液略微变得浑浊。由此推测，未经水热处理的HAP涂层的稳定性略差。

实施例5：

在实施例1或2所述方法中省去真空灌注步骤，仍然可以成功制得与实施例1或2类似的生物活性涂层，只是本实施例中所得的生物活性涂层在孔隙内部分布的均匀性略差。

实施例6：

在上述所述例中采用具有多孔结构的钛、钽等生物医用金属及其合金中的至少一种代替多孔钛，所得的生物活性涂层与采用多孔钛作为基体制得的生物活性涂层结构和性能都基本相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。