一种生物活性离子掺杂羟基磷灰石钛合金表面涂层及其制备方法

1.本发明涉及钛合金骨植入物领域，具体涉及一种在ti6al4v合金骨植入物表面构建生物活性离子掺杂羟基磷灰石涂层的方法，目的在于赋予钛合金骨植入物促成骨、促成血管、抗菌、抗炎等多重生物活性，促进钛合金骨植入物周围骨再生，加速骨整合，延长修复体的使用寿命。


背景技术：

2.钛合金凭借优异的生物相容性和耐腐蚀性，经临床验证已成为齿科种植体和骨科植入物材料的首选，但在植体加工成型过程中，其表面易形成氧化层造成生物惰性，影响植入物与周围骨组织的良好整合，不利于修复体的体内长期应用。在理想状态下，当钛合金植体植入牙槽骨或其它骨缺损部位后，其表面特性应能为成骨分化和新骨生成提供适宜的微环境，加速植体与周围骨组织的整合，进而缩短愈合时间，保障修复效果。由此，钛合金植体表面处理技术和涂层改性技术已被研究并证实是提高植体成骨生物活性的重要改进思路和有效改进策略，其中，羟基磷灰石因其化学组成与人体内天然骨中的无机成分相近，是目前文献研究与临床应用中使用最为广泛的涂层材料之一。与无涂层的植体相比，带有羟基磷灰石涂层的植体有利于仿生天然骨愈合过程，能够更快地与周围骨组织建立紧密连接，但必须指出的是，目前进入临床应用的带有羟基磷灰石涂层的钛合金骨植入物，如韩国osstem公司的ts iii种植体，其化学组成仍局限于磷酸钙，尚未考虑在表面无机涂层中引入具有更多生物活性的其它元素。然而天然骨中的无机矿物质远不只有钙离子和磷酸根离子，各种具有多样生物活性的二价金属阳离子，作为微量元素在骨的发育和重塑过程中发挥着重要的生理作用。例如，研究发现，锶元素具有刺激骨形成和抑制骨吸收的双重功能，已被证实可用于治疗骨质疏松症，降低骨折风险；镁元素不仅参与包括骨细胞钙化和细胞增殖在内的多种代谢过程，还通过刺激成血管分化促进成骨，镁缺乏会导致骨密度降低，骨骼脆性增加，引发骨质疏松症；锰元素对骨骼和软骨形成至关重要，含有mn
2+
的超氧化物歧化酶通过中和活性氧抑制破骨细胞形成，有利于预防骨质疏松症。此外还发现，部分元素如铜和锌对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌等具有极强的抑制作用。由此可见，将这些具有多重生物活性的二价金属阳离子引入羟基磷灰石涂层，替代一定比例的钙离子，势必可赋予钛合金骨植入物以提高的促成骨、促成血管、抗菌、抗炎等多重生物活性，不仅可加速血管化新骨的生成，还能应对感染或炎症引起的不利影响，以实现更好的植体周围骨愈合与骨整合，极大提升修复效果。


技术实现要素：

3.针对临床应用的带有羟基磷灰石涂层的钛合金齿科种植体和骨科植入物普遍缺乏诱导成骨、诱导成血管、抗菌、抗炎等生物活性，本发明提出利用前驱体溶胶-凝胶结合高温烧结法制备生物陶瓷的优势，即易于在溶胶-凝胶中实现不同离子按不同比例进行掺杂，
同时其液态性状易于浸渗入经表面处理的、具有微多孔形貌特征的钛合金植体表面形成均匀涂覆，烧结后形成厚度可控的、由一种或多种二价金属阳离子掺杂的生物活性羟基磷灰石涂层，在其植入体内后，这些掺杂的离子协同钙离子和磷酸根离子一起被缓慢释放到周围环境中，为成骨分化和新骨生成持续创造适宜的微环境。
4.一种生物活性离子掺杂羟基磷灰石钛合金表面涂层及其制备方法，包括以下步骤：
5.(1)以体内应用的ti6al4v合金骨植入物为基底材料，经机械抛光后，依次浸泡在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15min，随后浸泡在由98wt％硫酸和37wt％盐酸配制的混合酸液中进行蚀刻处理，处理温度范围为40-80℃，处理时间范围为30-60min，用去离子水洗去酸液后备用；
6.(2)将含钙化合物和含目标生物活性金属离子的化合物，按一定掺杂比例溶解于乙醇中，同时配制含磷化合物的乙醇溶液，控制所有金属元素总体与磷元素的摩尔比为1.67，在恒温60℃下，将磷源溶液以0.5-1滴/s的速率逐滴加入钙源/掺杂离子溶液中，持续搅拌2h确保混合均匀后，加入氨水调节体系ph＝5，继续搅拌陈化24h；
7.(3)将经步骤(1)处理的ti6al4v合金基底放入由步骤(2)制备的溶胶-凝胶溶液中，整体置于相对真空度不高于-100kpa的负压环境下10min后，以5cm/min的速度缓慢竖直取出表面涂覆有溶胶-凝胶的钛合金基底，于室温下静置自然干燥12h，转入马弗炉中在600-800℃下烧结处理30-60min，随炉自然降温后即在钛合金表面得到生物活性离子掺杂羟基磷灰石涂层。
8.前述步骤(1)中所述的ti6al4v合金骨植入物的酸蚀处理，是采用由98wt％硫酸和37wt％盐酸配制的混合酸，两种酸加入体积比控制为0.5-2，可加水稀释至原浓度的0-0.5倍。
9.前述步骤(2)中所述的含钙化合物为四水合硝酸钙、氯化钙、氢氧化钙、乙酸钙中的一种，含磷化合物为五氧化二磷、磷酸三乙酯、磷酸三丁酯中的一种，所配制的钙源/掺杂离子溶液与磷源溶液的浓度相同，其范围为1-3mol/l。
10.前述步骤(2)中所述的生物活性离子为二价金属阳离子，包括锶、镁、铜、锌、锰离子中的一种或一种以上，包含上述离子的化合物可以是硝酸盐、盐酸盐、乙酸盐，根据它们在乙醇中的溶解度，可选用含水不高于60v％的乙醇进行溶胶-凝胶的配制，取代钙的比例不高于羟基磷灰石中钙含量的15mol％。
11.前述步骤(3)中所制备的生物活性离子掺杂羟基磷灰石钛合金表面涂层，其厚度范围可控制在25-150μm。
12.目前市面上带有羟基磷灰石涂层的钛合金齿科种植体和骨科植入物产品大多采用等离子喷涂技术，但其常因工艺条件控制不当，引起如物相分解、界面结合差、涂覆不均、涂层致密度低等缺陷，不能实现理想的使用性能，同时，等离子喷涂法也难以实现多种活性元素的均匀掺杂和可控释放。本发明采用前驱体溶胶-凝胶结合高温烧结法制备生物陶瓷的工艺，通过前驱体溶液在分子水平上实现各化学成分的充分混合，在凝胶化过程中维持掺杂离子的均匀分布，同时控制掺杂离子总量不高于羟基磷灰石中钙含量的15mol％，不会显著破坏羟基磷灰石的晶体结构，但能够有效实现对离子的持续控制释放，为多重生理功能的实现奠定了基础。采用经酸蚀处理后的钛合金基底作为溶胶-凝胶法涂层改性的基材，
可以使溶胶-凝胶溶液在负压帮助下轻易地渗透进入多孔结构中实现均匀涂覆，且厚度可控，经烧结后制备的无机涂层与钛合金基底结合紧密。由该法制备的生物活性离子掺杂羟基磷灰石无机涂层，具有生物相容性好，依据掺杂离子的种类、掺杂量、相互之间配比的不同，可显著提升钛合金骨植入物的诱导成骨、诱导成血管、抗菌、抗炎等生物活性，协同发挥作用，相比于目前临床应用的钛合金植入物，能更好地满足体内长期使用的性能要求。而且，由溶胶-凝胶法制备无机涂层的原料来源广泛，工艺操作简便，反应温度较低，被认为是最有可能实现商业化替代等离子喷涂的涂层制备方法之一。
附图说明
13.图1为本发明实施例1中ti6al4v合金片经酸蚀处理后的表面微观形貌sem图。
14.图2为本发明实施例1制备5mol％锶离子掺杂羟基磷灰石涂层前后的表面宏观形貌照片。
15.图3为本发明实施例2制备的15mol％锶离子掺杂羟基磷灰石涂层的表面微观形貌sem图。
16.图4为本发明实施例3和对比例2制备的锶镁双离子掺杂羟基磷灰石涂层的sr
2+
和mg
2+
的累积释放曲线。
17.图5为骨髓间充质干细胞(bmscs)用本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例1制备的不同离子掺杂羟基磷灰石涂层ti6al4v合金片样品配制的浸提液成骨诱导培养不同时间的碱性磷酸酶(alp)活性定量检测结果。
18.图6为将本发明实施例2、实施例3、对比例1制备的不同离子掺杂羟基磷灰石涂层ti6al4v合金片样品配制的浸提液加入鸡胚绒毛尿囊膜成血管模型(cam)中孵育第5天时的血管生成照片。
19.图7为大肠杆菌在本发明实施例3和实施例4制备的不同离子掺杂羟基磷灰石涂层表面培养后转移到琼脂板上继续生长24h后的宏观照片。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例以验证本发明的技术效果，但本发明的实施方式不局限于此。
21.实施例1
22.(1)以ti6al4v合金片为基底材料，经机械抛光后，依次浸泡在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15min，随后浸泡在由98wt％硫酸和37wt％盐酸配制的混合酸液中进行蚀刻处理，控制硫酸、盐酸和去离子水的体积比为1:1:1，处理温度为60℃，处理时间为45min，用去离子水洗去酸液后备用；
23.(2)将四水合硝酸钙、硝酸锶溶解于含水40v％的乙醇中配制成3mol/l溶液，其中sr
2+
取代度为羟基磷灰石中钙含量的5mol％，同时配制3mol/l五氧化二磷的乙醇溶液，控制钙、锶元素总体与磷元素的摩尔比为1.67，在恒温60℃下，将磷源溶液以1滴/s的速率逐滴加入钙源/掺杂离子溶液中，持续搅拌2h确保混合均匀后，加入氨水调节体系ph＝5，继续搅拌陈化24h；
24.(3)将经步骤(1)处理的ti6al4v合金基底放入由步骤(2)制备的溶胶-凝胶溶液
中，整体置于相对真空度为-100kpa的负压环境下10min后，以5cm/min的速度缓慢竖直取出表面涂覆有溶胶-凝胶的钛合金基底，于室温下静置自然干燥12h，转入马弗炉中在700℃下烧结处理45min，随炉自然降温后即在钛合金表面得到5mol％锶离子掺杂羟基磷灰石涂层，厚度为135
±
5.64μm。
25.实施例2
26.(1)以ti6al4v合金片为基底材料，经机械抛光后，依次浸泡在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15min，随后浸泡在由98wt％硫酸和37wt％盐酸配制的混合酸液进行蚀刻处理，控制硫酸、盐酸和去离子水的体积比为1:1:0，处理温度为40℃，处理时间为60min，用去离子水洗去酸液后备用；
27.(2)将四水合硝酸钙、硝酸锶溶解于含水40v％的乙醇中配制成1mol/l溶液，其中sr
2+
取代度为羟基磷灰石中钙含量的15mol％，同时配制1mol/l五氧化二磷的乙醇溶液，控制钙、锶元素总体与磷元素的摩尔比为1.67，在恒温60℃下，将磷源溶液以0.5滴/s的速率逐滴加入钙源/掺杂离子溶液中，持续搅拌2h确保混合均匀后，加入氨水调节体系ph＝5，继续搅拌陈化24h；
28.(3)将经步骤(1)处理的ti6al4v合金基底放入由步骤(2)制备的溶胶-凝胶溶液中，整体置于相对真空度为-100kpa的负压环境下10min后，以5cm/min的速度缓慢竖直取出表面涂覆有溶胶-凝胶的钛合金基底，于室温下静置自然干燥12h，转入马弗炉中在700℃下烧结处理45min，随炉自然降温后即在钛合金表面得到15mol％锶离子掺杂羟基磷灰石涂层，厚度为28
±
1.35μm。
29.实施例3
30.(1)以ti6al4v合金片为基底材料，经机械抛光后，依次浸泡在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15min，随后浸泡在由98wt％硫酸和37wt％盐酸配制的混合酸液进行蚀刻处理，控制硫酸、盐酸和去离子水的体积比为1:2:1，处理温度为80℃，处理时间为30min，用去离子水洗去酸液后备用；
31.(2)将四水合硝酸钙、硝酸锶、六水合硝酸镁溶解于含水40v％的乙醇中配制成3mol/l溶液，其中sr
2+
和mg
2+
取代度分别为羟基磷灰石中钙含量的5mol％和10mol％，同时配制3mol/l磷酸三乙酯的乙醇溶液，控制钙、锶、镁元素总体与磷元素的摩尔比为1.67，在恒温60℃下，将磷源溶液以0.5滴/s的速率逐滴加入钙源/掺杂离子溶液中，持续搅拌2h确保混合均匀后，加入氨水调节体系ph＝5，继续搅拌陈化24h；
32.(3)将经步骤(1)处理的ti6al4v合金基底放入由步骤(2)制备的溶胶-凝胶溶液中，整体置于相对真空度为-100kpa的负压环境下10min后，以5cm/min的速度缓慢竖直取出表面涂覆有溶胶-凝胶的钛合金基底，于室温下静置自然干燥12h，转入马弗炉中在800℃下烧结处理30min，随炉自然降温后即在钛合金表面得到5mol％锶和10mol％镁双离子掺杂羟基磷灰石涂层，厚度为129
±
5.21μm。
33.实施例4
34.(1)以ti6al4v合金片为基底材料，经机械抛光后，依次浸泡在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15min，随后浸泡在由98wt％硫酸和37wt％盐酸配制的混合酸液进行蚀刻处理，控制硫酸、盐酸和去离子水的体积比为2:1:1，处理温度为80℃，处理时间为30min，用去离子水洗去酸液后备用；
35.(2)将氯化钙、六水合氯化锶、六水合氯化镁和二水合氯化铜溶解于含水20v％的乙醇中配制成1mol/l溶液，其中sr
2+
、mg
2+
、cu
2+
取代度分别为羟基磷灰石中钙含量的5mol％、5mol％和5mol％，同时配制1mol/l磷酸三乙酯的乙醇溶液，控制钙、锶、镁、铜元素总体与磷元素的摩尔比为1.67，在恒温60℃下，将磷源溶液以0.5滴/s的速率逐滴加入钙源/掺杂离子溶液中，持续搅拌2h确保混合均匀后，加入氨水调节体系ph＝5，继续搅拌陈化24h；
36.(3)将经步骤(1)处理的ti6al4v合金基底放入由步骤(2)制备的溶胶-凝胶溶液中，整体置于相对真空度为-100kpa的负压环境下10min后，以5cm/min的速度缓慢竖直取出表面涂覆有溶胶-凝胶的钛合金基底，于室温下静置自然干燥12h，转入马弗炉中在800℃下烧结处理30min，随炉自然降温后即在钛合金表面得到5mol％锶、5mol％镁和5mol％铜三离子掺杂羟基磷灰石涂层，厚度为26
±
1.01μm。
37.对比例1
38.(1)以ti6al4v合金片为基底材料，经机械抛光后，依次浸泡在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15min，随后浸泡在由98wt％硫酸和37wt％盐酸配制的混合酸液进行蚀刻处理，控制硫酸、盐酸和去离子水的体积比为1:1:1，处理温度为60℃，处理时间为45min，用去离子水洗去酸液后备用；
39.(2)将四水合硝酸钙溶解于乙醇中配制成3mol/l溶液，同时配制3mol/l五氧化二磷的乙醇溶液，控制钙元素与磷元素的摩尔比为1.67，在恒温60℃下，将磷源溶液以1滴/s的速率逐滴加入钙源/掺杂离子溶液中，持续搅拌2h确保混合均匀后，加入氨水调节体系ph＝5，继续搅拌陈化24h；
40.(3)将经步骤(1)处理的ti6al4v合金基底放入由步骤(2)制备的溶胶-凝胶溶液中，整体置于相对真空度为-100kpa的负压环境下10min后，以5cm/min的速度缓慢竖直取出表面涂覆有溶胶-凝胶的钛合金基底，于室温下静置自然干燥12h，转入马弗炉中在700℃下烧结处理45min，随炉自然降温后即在钛合金表面得到无生物活性离子掺杂的羟基磷灰石涂层，厚度为134
±
5.71μm。
41.对比例2
42.(1)以ti6al4v合金片为基底材料，经机械抛光后，依次浸泡在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗15min，随后浸泡在由98wt％硫酸和37wt％盐酸配制的混合酸液进行蚀刻处理，控制硫酸、盐酸和去离子水的体积比为1:2:1，处理温度为80℃，处理时间为30min，用去离子水洗去酸液后备用；
43.(2)将四水合硝酸钙、硝酸锶、六水合硝酸镁溶解于含水60v％的乙醇中配制成3mol/l溶液，其中sr
2+
和mg
2+
取代度均为羟基磷灰石中钙含量的10mol％，同时配制3mol/l磷酸三乙酯的乙醇溶液，控制钙、锶、镁元素总体与磷元素的摩尔比为1.67，在恒温60℃下，将磷源溶液以0.5滴/s的速率逐滴加入钙源/掺杂离子溶液中，持续搅拌2h确保混合均匀后，加入氨水调节体系ph＝5，继续搅拌陈化24h；
44.(3)将经步骤(1)处理的ti6al4v合金基底放入由步骤(2)制备的溶胶-凝胶溶液中，整体置于相对真空度为-100kpa的负压环境下10min后，以5cm/min的速度缓慢竖直取出表面涂覆有溶胶-凝胶的钛合金基底，于室温下静置自然干燥12h，转入马弗炉中在600℃下烧结处理60min，随炉自然降温后即在钛合金表面得到10mol％锶和10mol％镁双离子掺杂
羟基磷灰石涂层，厚度为142
±
6.45μm。
45.生物活性离子掺杂羟基磷灰石钛合金表面涂层的制备表征：
46.图1为本发明实施例1中ti6al4v合金片经酸蚀处理后的表面微观形貌sem图。由混合酸液刻蚀形成的微孔结构清晰，孔洞间构成锐利分明的山脊状边界，其平均孔径约为2μm，有利于浸涂过程中溶胶-凝胶溶液在负压状态下渗透进入多孔结构。
47.图2为本发明实施例1制备5mol％锶离子掺杂羟基磷灰石涂层前后的表面宏观形貌照片。比较发现，制备得到的白色涂层连续均匀，完全覆盖ti6al4v合金片表面。
48.图3为本发明实施例2制备的15mol％锶离子掺杂羟基磷灰石涂层的表面微观形貌sem图。在烧结过程中凝胶脱去大量组分，体积逐渐收缩的同时结晶形成了致密平整的羟基磷灰石涂层。
49.图4为本发明实施例3和对比例2制备的锶镁双离子掺杂羟基磷灰石涂层的sr
2+
和mg
2+
的累积释放曲线。当掺杂离子总量为羟基磷灰石中钙含量的15mol％时，sr
2+
和mg
2+
呈持续稳定释放，而当掺杂离子总量超过羟基磷灰石中钙含量的15mol％时，晶格畸变程度增大引起内部失衡，因掺杂离子占据晶体结构中ca
2+
位置不同，处于较不稳定状态的mg
2+
在初期表现出爆发释放行为。
50.图5为bmscs用本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例1制备的不同离子掺杂羟基磷灰石涂层ti6al4v合金片样品配制的浸提液分别成骨诱导培养3、7、14天后的alp活性定量检测结果。随着涂层中sr
2+
取代度的升高，alp活性显著提高，表明更多的sr
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释放具有增强促bmscs成骨分化的作用。实施例3与实施例2无显著差异，且与实施例1相比，实施例3显示出的更高的alp活性，表明mg
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在促成骨方面与sr
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发挥了协同促进作用。
51.图6为将本发明实施例2、实施例3、对比例1制备的不同离子掺杂羟基磷灰石涂层ti6al4v合金片样品配制的浸提液加入cam中封口孵育，在第5天时固定并剪取尿囊膜样品后拍摄的血管生成照片。与实施例2和对比例1相比，在实施例3中形成的血管数量和分支最多，枝状结构最完善，表明掺入的mg
2+
显著提高了涂层诱导成血管的能力。
52.图7为大肠杆菌在本发明实施例3和实施例4制备的不同离子掺杂羟基磷灰石涂层表面培养24h后，吸取液体稀释105倍数后均匀涂抹在琼脂板上继续培养24h后的宏观照片。与实施例3样品比较发现，实施例4中存活的菌落数显著减少，证明sr
2+
和mg
2+
本身抗菌活性较弱，而掺入的cu
2+
使涂层对细菌产生了极强抑制作用。
53.以上所述实施例仅为便于本领域技术人员理解和使用发明，并非对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完说明书后可根据实际需要做出若干修改与改进，但未脱离本发明范畴所做出的修改与改进应视为本发明的专利范围受到专利法保护。