一种制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生溶液及仿生方法.pdf

一种制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生方法 
    技术领域：

    本发明涉及一种在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生方法，它适合对钛及钛合金表面进行表面生物活化处理，应用于骨植入体。 

    背景技术：

    钛及钛合金因其优良的生物相容性在医用骨修复材料领域得到广泛的应用。但是由于其生物惰性，与骨组织的界面结合处往往存在纤维结缔组织，界面的结合强度不足。因此，必须对钛及钛合金的表面进行表面生物修饰，以提高其表面骨诱导性。 

    对钛及钛合金进行表面羟基磷酸钙涂层处理可以显著地提高钛及钛合金表面的骨组织诱导性，提高与骨组织的界面结合强度。因此，在商业钛及钛合金骨植入体表面大多要进行表面羟基磷酸钙涂层处理。但是，在实际的骨组织中并不存在等化学比的羟基磷酸钙，而是不同程度地缺乏Ca、P和^‑OH。并且大量的其它元素和基团存在于骨组织中，例如碳酸根含量达到8wt.％，微量元素(含量小于1wt.％)有Na、Mg、K、Zn、Sr、Ba、Cu、Al、Fe、F、Cl和Si等。类骨磷酸钙结构中的替代物影响其溶解性、表面化学性质和晶体生长的形态及表面的生物活性，特别是Si。结构中含有Si的羟基磷酸钙较等化学比羟基磷酸钙表现出更好的生物活性。 

    Si广泛地存在于哺乳动物体内。血清中大约含Si 1ppm，肝脏、肺、肾、和肌肉中约含有2‑10ppm的Si。在骨和韧带中含有100ppm的Si，在软骨和其它结缔系统中含200‑600ppm的Si。在软骨和脐带束结缔系统中的类似于透明质酸、硫酸软骨素、硫酸真皮素和硫酸乙酰肝素这样的细胞外基质中的含量高达200‑550ppm。 

    硅可以促进造骨细胞的增殖、分化和胶原质产生。人骨细胞培养时补充硅，骨生成增加。例如，硅补充水平在0‑50mM(0‑1.4ppm)，胶原I型合成增加1.8倍，同时碱性磷酸酶和骨钙活性增加1.5和1.2倍。采用来自含硅磷酸钙(Si‑TCP) 的水合硅培养老鼠骨细胞，结果表明Si剂量影响造骨细胞和破骨细胞的响应。Si的水平为0‑100ppm可刺激造骨细胞，而破骨细胞则显示出更复杂的响应。在低于30ppm时，Si刺激破骨细胞的发展，而高于30ppm时阻碍破骨细胞发展和再吸收。采用生物玻璃的离子产物培养老鼠头骨细胞，表明可以显著促进老鼠头骨细胞体外环境培养的细胞的增殖、分化、胶原分泌以及提高发育能力。 

    硅含量对软骨合成有刺激性作用，并且对生理学再吸收过程也有影响。小牛在持续23周接受充足的正硅酸后血浆中硅水平增加70％，并且相应地软骨中胶原质含硅量增加。硅影响生物体重变化和健康发育。硅缺乏可以导致小鸡体重增加缓慢，硅缺乏还有可能导致小鸡的鸡冠、皮肤和骨头的畸形。小鸡血清中硅含量低，这些会引起胫骨、骨节和跖骨端部变形。 

    硅对骨骼的形成和矿化有重要的作用。当钙磷重量比低时(0.7)，在钙化的早期阶段，硅的水平在0.5wt％，矿化进一步发展，钙磷比接近于羟基磷酸钙的水平(1.67)时，硅的水平降低。水化硅的存在矿化过程中直接起作用，在阻碍羟基磷酸钙沉淀的蛋白质存在的情况下，Si(OH)₄形式的水合硅可诱导电解质溶液中的羟基磷酸钙沉淀。硅影响骨的重建过程。硅缺乏的老鼠体内小梁骨体积减少48％，而接正硅酸溶液或雌二醇治疗的老鼠在破骨细胞面积方面降低20％。与缺乏硅的老鼠比较，硅充足的老鼠的骨生长率增加38.3％。硅缺乏的老鼠还观察到了头骨和牙齿珐琅质的畸形以及骨的水和甘油缺乏。 

    介于Si对生物体特别是对骨形成和生长的影响，研究者将含Si羟基磷酸钙作为一种生物材料。已经有文献报道了含硅羟基磷酸钙(Si‑HA)和含硅磷酸钙(Si‑TCP)出众的生物学性能。体内试验研究比较了Si‑HA和羟基磷酸钙(HA)颗粒的生物活性，表明在Si‑HA颗粒中比HA颗粒对照样中骨内长入增加14.5％。在Si‑HA和HA与骨界面磷灰石形态和事件的顺序不一样。6周后在骨/Si‑HA界面形成组织化的胶原小纤维，而对于HA这些结构在12周才形成。骨的粘附、内长入和调整重建很明显受到Si‑HA中Si含量的影响。长期的研究结果表明：初始的Si‑TCP基支架1年以后仅有10‑20％保留，支架在2年后完全被吸收被新形成的片状骨组织代替。与之对比有相同孔隙度等化学比的HA支架5年后仍非常完整。Si‑HA和Si‑TCP两者都支持造骨细胞从单核先躯体发展，并且材料可以被破骨细胞吸收。Si‑HA和Si‑TCP还表现出随着体内形成新基体的增加类似破骨细胞的骨生成。 

    因此，采用含硅的羟基磷酸钙对钛及钛合金进行表面处理已经成为提高钛及钛合金表面骨细胞相容性的有效途径。研究者发展了多种在钛及钛合金表面形成含硅羟基磷酸钙的工艺和方法。 

    发明内容：

    本发明的目的就是提供一种可应用于钛及钛合金表面制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生溶液和含硅羟基磷酸钙涂层的仿生制备方法，解决钛及钛合金表面骨细胞相容性等问题。 

    本发明的技术方案是： 

    本发明在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生溶液，在常规的模拟人体体液(SBF)中，通过添加一定比例的含SiO₃^2‑溶液。溶液中的各离子浓度为(毫摩尔/升，mM)：HPO₄^2‑，1.0；Ca²⁺，2.5；Na⁺，142；HCO₃^‑，4.2；Cl^‑，147；SiO₃^2‑，0.5‑20.0；SO₄^2‑，0.5；Mg²⁺，1.5；K⁺，5.0。其中，SiO₃^2‑的浓度最佳为(毫摩尔/升，mM)：1.0‑10.0。 

    本发明的采用所述的仿生溶液制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生方法，主要包括以下几步组成：Ca(OH)₂+NaOH混合碱处理、热处理、仿生溶液中浸泡和后续热处理。 

    Ca(OH)₂+NaOH混合碱处理的目的就是在钛或钛合金表面产生三维的空隙结构，同时在表面形成含Ca离子的预处理层。表面三维空隙结构的形成可以吸附含Si羟基磷酸钙的沉积，而Ca离子预处理层的形成可以与表面吸附的羟基磷酸钙层形成化学健合。因此，在钛或钛合金表面形成三维的空隙结构和含Ca离子预处理层可以促进后续仿生含Si羟基磷酸钙涂层的形成。混合碱溶液中的Ca(OH)₂含量影响表面预处理层中Ca离子在含量，也影响含Si羟基磷酸钙的沉积速度。本发明Ca(OH)₂+NaOH混合碱水溶液中：饱和Ca(OH)₂体积浓度在0‑140mL/L(优选范围为1‑80mL/L)，NaOH的浓度为1‑6mol/L(优选范围为3‑5mol/L)，混合溶液温度在60‑90℃，处理时间6‑48小时。 

    热处理的目的就是使钛及钛合金表面的物理形貌和化合物发生改变。钛或钛合金在不同的温度热处理，可以在表面形成不同结构的氧化钛，例如金红石结构氧化钛、锐钛矿结构氧化钛或者两者的混合物。而经过混合碱处理后的钛或钛合金表面含有Ca离子预处理层，因此也可能在钛及钛合金表面形成钛酸钙。表面氧化钛的结构以及混合比例、钛酸钙的形成都将影响表面含Si羟基磷酸钙涂层的 形成及形成速度。在本发明中，钛及钛合金热处理温度在400‑800℃，最佳处理温度550‑750℃，处理时间在0.5‑3.0小时。 

    本发明所涉及的仿生制备工艺中最为关键的一步就是将经过混合碱处理和热处理后的钛或钛合金放入到本发明所涉及的仿生溶液中浸泡，该仿生溶液即是前述的在常规的模拟人体体液中添加一定比例含SiO₃^2‑的仿生溶液。由于仿生溶液中存在多种离子，因此可能形成多种反应产物，例如SiO₃^‑2可能与其它的阳离子形成硅酸盐，而不是取代羟基磷酸钙中的磷酸根，形成含Si的羟基磷酸钙。影响溶液中反应析出产物的不仅有离子的种类、浓度，还有溶液的温度和酸碱度。本发明在常规模拟体液的基础上，以SiO₃^2‑的形式在溶液中引入Si离子。通过调节溶液中SiO₃^2‑离子的浓度，控制溶液的酸碱度和温度，抑制硅酸盐的形成，确保含硅羟基磷酸钙的形成。本发明涉及的仿生溶液浸泡的温度在37±1℃，溶液酸碱度(pH值)不大于9.0，最佳为7.4‑9.0，浸泡时间在1‑7天。 

    本发明所涉及的仿生制备工艺中后续热处理主要是通过热处理调节表面含硅羟基磷酸钙涂层的晶化程度，表面结合强度。后续的热处理温度在200‑1000℃，处理时间在0.5‑48小时。 

    采用本发明的仿生溶液，在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸钙涂层，获得含硅羟基磷酸钙涂层厚度为5‑15um，涂层中的Si含量在0.1‑2.0wt％范围内。 

    本发明的有益效果是： 

    1、采用本发明可以在纯钛或钛合金表面形成一定厚度的含硅羟基磷酸钙涂层，该涂层可以诱导骨细胞的生长，可以应用于钛或钛合金骨植入材料的表面生物改性。 

    2、本发明仿生溶液和仿生方法可以在钛或钛合金表面形成含不同Si含量的羟基磷酸钙涂层，提高钛及钛合金表面的骨组织相容性。该方法特别适合对钛或钛合金表面进行生物活化处理，应用于钛或钛合金骨植入体。 

    附图说明：

    图1是实施实例1中钛表面含硅羟基磷酸钙涂层微观形貌。 

    图2是实施实例2中钛表面含硅羟基磷酸钙涂层微观形貌。 

    图3是实施实例3中钛表面含硅羟基磷酸钙涂层微观形貌。 

    具体实施方式：

    通过下述实施例可以更好地理解本发明，但这些实例并不用来限制本发明。 

    本发明在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生溶液，在常规的模拟人体体液(SBF)中，通过添加一定比例的含SiO₃^2‑溶液。溶液中的各离子浓度为(毫摩尔/升，mM)：HPO₄^2‑，1.0；Ca²⁺，2.5；Na⁺，142；HCO₃^‑，4.2；Cl^‑，147；SiO₃^2‑，0.5‑20.0；SO₄^2‑，0.5；Mg²⁺，1.5；K⁺，5.0。其中，硅酸根(SiO₃^2‑)以可溶性硅酸盐的形式加入，如：硅酸钾、硅酸钠等。 

    涂层结合强度的测定：仿生含Si羟基磷酸钙涂层与基体钛或钛合金的结合强度按照国家标准：GB5210‑85。测试温度为25℃，测试仪器为美国Instron5500R万能材料试验机。测试条件：应变速率为0.5mm/min，试验环境湿度为50％。载荷采用匀变加载方式。 

    表面涂层Si含量的分析：经过仿生处理的试样表面干燥，真空镀膜，然后在Hitachi S‑4700型(带能谱仪EDS)扫描电子显微镜对喷金后试样表面进行观察。利用能谱仪EDS对合金平面进行微区成分分析。 

    表面涂层结构分析：表面涂层的物相分析采用小角X射线衍射方法。实验仪器为日本理学电机(Rigaku)D/max‑γB型旋转阳极X射线衍射仪。测试条件是：采用Cu靶Kα射线衍射(λ＝0.15418nm)，加速电压45KV，电流50mA。掠射角2°，扫描范围2θ：20°‑100°，扫描速度：5°/min。同时，将表面涂层从钛及钛合金表面刮下，与KBr混合后压片(2mg样品/100mg KBr)。然后进行傅里叶红外光谱仪(FTIR，Nicolet5DX)分析。其分辨率为4cm^‑1，波数范围400‑4600cm^‑1。 

    实施例1： 

    将商业纯钛(TA2)试样，尺寸在15×15×2mm，在Ca(OH)₂+NaOH混合碱水溶液中处理12小时，其中饱和Ca(OH)₂的体积浓度在10mL/L，NaOH浓度为5mol/L，溶液温度在90℃。然后将处理后试样在400℃热处理2.0小时。随后在仿生溶液中37℃浸泡3天，仿生溶液中SiO₃^2‑的浓度为1mM，SiO₃^2‑以硅酸钠的形式加入，酸碱度为7.5。最后，将处理后的试样在300℃处理24小时。本实施例中，含硅羟基磷酸钙涂层厚度为10μm，钛表面含硅羟基磷酸钙涂层微观形貌见图1。 

    经小角X射线衍射分析得知，表面涂层以羟基磷酸钙为主，同时检测到二氧化钛和基体钛。傅里叶红外光谱仪分析，可见‑OH，PO₄和SiO₄功能团的谱峰。扫描电镜能谱分析得知表面涂层的Si含量在0.25％重量百分数。分析结果表明： 钛表面确实形成了SiO₄功能团部分取代的羟基磷酸钙层。结合强度测得涂层与基体的界面剪切强度为17MPa。 

    实施例2： 

    将商业纯钛(TA2)试样，尺寸在15×15×2mm，在Ca(OH)₂+NaOH混合碱水溶液中处理48小时，其中饱和Ca(OH)₂的体积浓度为20mL/L，NaOH浓度为4mol/L，溶液温度在80℃。然后将处理后试样在800℃热处理1.0小时。随后在仿生溶液中37℃浸泡5天，仿生溶液中SiO₃^2‑的浓度为5mM，SiO₃^2‑以硅酸钾的形式加入，酸碱度为8.0。最后，将处理后的试样在800℃处理0.5小时。本实施例中，含硅羟基磷酸钙涂层厚度为7μm，钛表面含硅羟基磷酸钙涂层微观形貌见图2。 

    经小角X射线衍射分析得知，表面涂层以羟基磷酸钙为主，同时检测到二氧化钛和基体钛。傅里叶红外光谱仪分析，可见‑OH，PO₄和SiO₄功能团的谱峰。扫描电镜能谱分析得知表面涂层的Si含量在0.5％重量百分数。分析结果表明：钛表面确实形成了SiO₄功能团部分取代的羟基磷酸钙层。结合强度测得涂层与基体的界面剪切强度为16MPa。 

    实施例3： 

    将商业纯钛(TA2)试样，尺寸在15×15×2mm，在Ca(OH)₂+NaOH混合碱水溶液中处理24小时，其中饱和Ca(OH)₂的体积浓度在100mL/L，NaOH浓度为5mol/L，溶液温度在90℃。然后将处理后试样在600℃热处理1.0小时。随后在仿生溶液中37℃浸泡7天，仿生溶液中SiO₃^2‑的浓度为10mM，SiO₃^2‑以硅酸钠的形式加入，酸碱度为8.5。最后，将处理后的试样在600℃处理5小时。本实施例中，含硅羟基磷酸钙涂层厚度为5μm，钛表面含硅羟基磷酸钙涂层微观形貌见图3。 

    经小角X射线衍射分析得知，表面涂层以羟基磷酸钙为主，同时检测到二氧化钛和基体钛。傅里叶红外光谱仪分析，可见‑OH，PO₄和SiO₄功能团的谱峰。扫描电镜能谱分析得知表面涂层的Si含量在1.5％重量百分数。分析结果表明：钛表面确实形成了SiO₄功能团部分取代的羟基磷酸钙层。结合强度测得涂层与基体的界面剪切强度为15MPa。