一种骨科植入物多层活性涂层及其制备方法与流程

1.本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种骨科植入物多层活性涂层及其制备方法。


背景技术：

2.目前常用的骨科植入器械如髋臼杯、椎间融合器、关节假体、接骨板、牙种植体等，作为骨植入器械大多数需要承受一定的力学支撑性能，因此应当具备适宜的负载力、抗腐蚀性及耐磨损能力。一旦骨植入假体后期发生塌陷、表面磨损及腐蚀，会导致患者需要二次手术治疗，如髋关节及膝关节翻修手术、椎间融合器翻修手术等，给患者带来手术痛苦的同时增加患者治疗的经济压力。
3.现有的髋臼杯常采用钛合金、钽金属、钴铬合金、超高分子量聚乙烯等材料制备，椎间融合器多采用钛合金、peek、牛骨等材料制成，牛骨假体会有排异、感染及活性差等问题，钛合金椎间融合器虽然能维持椎间稳定，但是难以实现骨传导和骨生长诱导作用并与宿主骨实现连接生长，导致融合效果差，peek材料弹性模量虽与人骨接近但其表面亲水基团少，无法为细胞粘覆提供空间，具有生物惰性，骨整合能力仍有不足。现有部分骨科骨科植入物采用了羟基磷灰石涂层提供钛合金骨融合性能，但是骨科植入物长期承力磨损会产生钛合金颗粒仍然存在，假体周围的磨损颗粒会引发炎症，这是导致假体置换手术失败和再手术翻修的主要原因之一。目前也有在骨科植入物表面制备羟基磷灰石涂层，但是等离子喷涂需要高温条件且容易导致多孔结构阻塞，导致植入物无法发挥多孔结构引导骨长入的性能。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有金属类骨科植入器械容易磨损出现颗粒和抗腐蚀性差、以及多孔植入物磷灰石改性困难导致多孔结构时效，生物相容性不足导致植入物与宿主骨融合效果差的技术问题，采用多涂层结构进行复合，获得了一种生物相容性好，且与基体表面结合强度高不易脱落的复合涂层。
5.针对上述目的，本发明实施例提供了一种骨科植入物多层活性涂层，应用于金属类骨植入物，所述涂层包括基础强化层、仿生层和活性功能层；
6.所述基础强化层为钽金属层；
7.所述仿生层为磷酸钙或羟基磷灰石涂层；
8.所述活性功能层为包含骨形成蛋白、骨生长因子或抗生素中一种或多种的涂层。
9.进一步的，所述金属类骨植入物为多孔结构的椎间融合器、髋臼杯、人工椎体、填充块中的任意一种，所述金属类骨植入物的材料为tc4钛合金、纯钛、钴铬合金中的一种。
10.进一步的，所述钽金属层的厚度为10-40μm。
11.进一步的，所述抗生素为庆大霉素、万古霉素、克林霉素中的一种或多种。
12.基于同一发明构思的，本发明实施例还提供了一种骨科植入物多层活性涂层的制
备方法，所述制备方法具体包括：
13.将骨科植入物进行喷砂处理并清洗，获得预处理骨科植入物；
14.将所述预处理骨科植入物采用磁控溅射喷涂方法制备钽金属层获得钽金属层骨科植入物；
15.将所述钽金属层骨科植入物经碱活化后，再通过溶胶凝胶法、等离子喷涂、电化学沉积或仿生沉积法引入仿生层获得仿生-钽金属骨科植入物；
16.将所述仿生-钽金属骨科植入物采用喷涂法或浸渍法引入活性功能层获得骨科植入物多层活性涂层。
17.进一步的，所述磁控溅射喷涂方法具体为：
18.磁控溅射喷涂仪的腔体保护气为99.99％的高纯氩气，阴极负电压是260-330v之间，溅射腔抽真空至小于2*10-3pa时，充入氩气至2-5pa；靶基间距为20mm。
19.进一步的，所述钽金属层骨科植入物经碱活化过程采用的碱为氢氧化钠或碱性多巴胺。
20.进一步的，所述将所述仿生-钽金属骨科植入物采用喷涂法或浸渍法引入活性功能层获得骨科植入物多层活性涂层步骤，具体包括：
21.配置活性功能层溶液：将骨形成蛋白或骨生长因子加入至蒸馏水中，配置成5-10mg/ml的生物大分子溶液或悬浮液；将抗生素加入至蒸馏水中配置成1-3mg/ml的抗生素水溶液；
22.将所述生物大分子溶液或悬浮液与抗生素水溶液混合后，采用喷涂法或浸渍法在仿生-钽金属骨科植入物引入活性功能层。
23.有益效果：
24.(1)本发明在骨科植入物表面设置了复合涂层，具体包括钽金属层、仿生磷酸钙或羟基磷灰石涂层以及活性功能层，其中钽金属提高了植入物的耐磨性和抗腐蚀性，仿生层有效提高了骨科金属植入物的骨融合能力，仿生层表面附着有生物功能分子及药物，可以促进骨组织的生长，抗生素药物避免炎症反应。
25.(2)本发明复合涂层制备工艺简单，钽涂层只需外表面一层；磷酸钙或羟基磷灰石制备采用仿生法制备可以在复杂的多孔结构形成均匀的仿生层，不会导致多孔结构的植入物内部孔隙堵塞，避免了高温能源消耗和羟基磷灰石开裂的问题；内部的强化层和仿生层在骨科植入物基体表面形成致密涂层，强度高，不易开裂脱落。
附图说明
26.图1为本发明实施例提供的骨科植入物复合涂层结构示意图。
27.附图标记说明：
28.1、骨科植入物；2、钽金属层；3、仿生层；4、活性功能层。
具体实施方式
29.为了更加清楚阐述本发明的技术内容，在此结合具体实施例和附图予以详细说明，显然，所列举的实施例只是本技术方案的优选实施方案，本领域的技术人员可以根据所公开的技术内容显而易见地得出的其他技术方案仍属于本发明的保护范围。
30.在本发明实施例中，采用的化学试剂均为分析级的试剂，通过购买或现有方法制备获得。
31.在本发明实施例中，所述多层活性涂层主要应用于骨科植入物1，其具体包括融合器、髋臼杯、人工椎体、填充块中的任意一种，所述的骨科植入物材料为tc4钛合金、纯钛、钴铬合金中的一种。其主要采用增材制造方式，含选择性激光熔融制造工艺、电子束选区熔化技术，所述骨科植入物均为多孔结构。多层活性涂层包括钽金属层2、仿生层3和活性功能层4，其中仿生层3为磷酸钙或羟基磷灰石涂层，活性功能层4为包含有活性因子如骨形成蛋白，骨生长因子，抗生素等，所述抗生素包括庆大霉素、万古霉素、克林霉素中的一种或多种；多层活性涂层实现了涂层机械性能、生物相容性及骨长入性能的有机结合。
32.在本发明实施例中，骨科植入物多层活性涂层的制备方法具体包括：骨科植入物清洗、磁控溅射仪装机、磁控溅射仪参数调整、抽真空冲入氩气、磁控溅射喷涂、磷酸钙(羟基磷灰石)仿生涂层生成、浸涂法制备功能涂层。所述磁控溅射喷涂的方法制备钽金属涂层，其中磁控溅射喷涂仪的腔体保护气为99.99％的高纯氩气，阴极负电压是260-330v之间，溅射腔抽真空至小于2*10-3pa时，充入氩气至2-5pa；靶基间距为20mm。
33.实施例1
34.清洗骨科植入物：将骨科植入物喷砂处理后清洗干净，用丙酮除去表面油污后用乙醇作为清洗剂进行超声清洗；
35.钽金属层骨科植入物的制备：磁控溅射喷涂仪装机：将超声清洗后的骨科植入物和钽金属靶材安装到仪器腔内；调节骨科植入物位置，用夹具夹持骨科骨科用植入物，调节磁控溅射喷涂仪参数：靶电源电压600v,靶材为400*200*4mm金属钽，保护气体为99.99％高纯氩气；溅射腔抽真空至小于2*10-3pa时，充入氩气至2-5pa；靶基间距为20mm；阴极加负电压260-320v，ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射冲向骨科植入物表面并沉积；磁控溅射骨科植入物30-120min，骨科植入物表面钽涂层在3.6-14.4μm之间。磁控溅射工艺中，当溅射距离、溅射电流一定时，钽涂层厚度与轰击靶的正离子(ar
+
)量成正比，电流5a轰击100min钽涂层厚度为12μm，溅射完成后取出并冷却至15-25℃。
36.仿生-钽金属骨科植入物的制备：采用浸渍法制备磷酸钙涂层，基于异相成核原理，将钽金属层骨科植入物浸入0.5m的naoh水溶液，，在60℃下浸泡24h进行表面活化，取出后用去离子水清洗，配置过饱和磷酸钙溶液1l，将活化的钽金属层骨科植入物在37℃的恒温振荡器中的饱和磷酸钙溶液中浸泡2h，产生非晶形磷酸钙薄膜，取出具有多层活性涂层的骨植入物自然风干。
37.骨科植入物多层活性涂层的制备：制备1mg/ml的庆大霉素水溶液，利用水溶性基因重组骨形态发生蛋白用蒸馏水溶解为8mg/ml的骨生长因子溶液或悬浊液,将大庆霉素溶液和骨生长因子溶液或悬浊液按照1：1的比例混合，利用超声喷涂仪将混合融合喷涂至具有多层活性涂层的骨植入物，将骨植入物在室温下晾干，得到一种多层活性涂层的骨科植入物。
38.实施例2
39.清洗骨科植入物：将骨科植入物喷砂处理后清洗干净，用丙酮除去表面油污后用乙醇作为清洗剂进行超声清洗；
40.钽金属层骨科植入物的制备：磁控溅射喷涂仪装机：将超声清洗后的骨科植入物和钽金属靶材安装到仪器腔内；调节骨科植入物位置，用夹具夹持骨科骨科用植入物，调节磁控溅射喷涂仪参数：靶电源电压600v,靶材为400*200*4mm金属钽，保护气体为99.99％高纯氩气；溅射腔抽真空至小于2*10-3pa时，充入氩气至2-5pa；靶基间距为20mm；阴极加负电压260-320v，ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射冲向骨科植入物表面并沉积；磁控溅射骨科植入物30-120min，骨科植入物表面钽涂层在10-40μm之间。磁控溅射工艺中，当溅射距离、溅射电流一定时，钽涂层厚度与轰击靶的正离子(ar
+
)量成正比，电流5a轰击60min钽涂层厚度为7.2μm,溅射完成后取出并冷却至15-25℃。
41.仿生-钽金属骨科植入物的制备：采用仿生沉积法制备羟基磷灰石涂层，将钽金属层骨科植入物在碱性多巴胺溶液中置于恒温摇床中24h,然后取出用去离子水清洗干净，其中多巴胺溶液浓度为10mmol/l，ph调节剂为tris-hcl溶液，ph值调节至8.5，恒温摇床温度为37℃。将洗干净的钽涂层的骨科植入物在模拟体液中置于恒温摇床3d，然后取出用去离子水清洗干净，其中模拟体液为1.5sbf，恒温摇床温度为37℃。活化-oh是形成仿生层必要条件，碱热处理方法常用于处理不同金属以在其表面形成活性-oh。
42.骨科植入物多层活性涂层的制备：制备1mg/ml的庆大霉素水溶液，利用水溶性基因重组骨形态发生蛋白用蒸馏水溶解为8mg/ml的骨生长因子溶液或悬浊液,将大庆霉素溶液和骨生长因子溶液或悬浊液按照1：1的比例混合，将具有多层活性涂层的骨植入物在混合溶液中浸渍2h取出，室温下晾干，得到一种多层活性涂层的骨科植入物。
43.本发明技术方案制备的骨植入物涂层主要用于金属多孔骨植入物，尤其是多孔钛骨植入物产品。钛合金骨植入物容易磨损产生颗粒造成炎症，本涂层的强化层采用钽金属涂层强化，提高植入物的耐磨性能，钽涂层采用磁控溅射技术制备，厚度较薄仅有3.4-14.4μm,多孔钽的孔隙率一般在200-500μm,可以通过磁控溅射时间控制涂层厚度；采用磷酸钙过饱和溶液或仿生法制备仿生涂层，涂层较薄不会堵塞孔隙，植入物表面生物矿化性能大幅提高，亲水性能得到提高，有利于成骨样细胞的贴附生长；最外层的涂层包含骨生长因子和抗炎药物，可以在植入后实现抗菌抗炎作用，同时促进骨长入多孔间隙，加快患者愈合速率。
44.以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。