医用植入体材料及其制备方法.pdf

本发明公开了一种医用金属植入体材料表面处理方法，属于生物医用材料工程中的植入体加工制备领域。该方法以医用金属基体材料为阴极，先借助阴极等离子电解沉积技术在医用金属植入体表面制备富含钙磷的氧化物陶瓷膜；然后通过水热处理将膜层中的钙磷成分转变成为羟基磷灰石，形成羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。本方法简单，所用设备与传统的等离子体电解氧化设备一致，制备的膜层与基体结合牢固，可以有效提高基体材料的生物活性，抑制基体材料中的有害离子析出，提高生物相容性和安全性，与此同时，扩宽了医用金属基体材料选择范围。

1.  一种在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，包括如下步骤：
以医用金属基体材料为阴极，不锈钢电解槽为阳极，在含钙磷和氧化物前驱体的电解液中，采用双向脉冲电源对所述医用金属基体材料进行阴极等离子体电解沉积处理，在其表面形成富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜；
将表面形成有所述富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜的所述医用金属植入体材料置于水热液体中进行水热处理，使得富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜形成羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。

2.  如权利要求1所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，其特征在于，所述阴极等离子体电解沉积处理工艺条件为：
电源输出模式采用恒压模式，电压为280V-600V；或
电源输出模式采用横流模式，电流密度为0.01A/cm²-5A/cm²。

3.  如权利要求2所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，其特征在于：所述阴极等离子体电解沉积处理的时间为10min-120min。

4.  如权利要求1所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，其特征在于，所述含钙磷和氧化物前驱体的电解液含有如下组分：
五氧化二磷     1-10g/L
硝酸钙         10-40g/L
硝酸铝或硝酸锆 5-40g/L
溶剂为乙醇或/和三乙醇胺。

5.  如权利要求1-4任一所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，其特征在于：所述水热液体为去离子水或浓度为0.1-1mol/L的氨水溶液。

6.  如权利要求5所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方 法，其特征在于：所述水热处理的工艺条件为：压力为0.1-2MPa，温度为120-250℃，6-12小时。

7.  如权利要求1-4、6任一所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，其特征在于：所述医用金属基体材料为阀金属和非阀金属。

8.  如权利要求7所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，其特征在于：所述医用金属基体材料在进行阴极等离子体电解沉积处理之前先进行表面处理，所述表面处理包括将所述表面处理先抛光处理后采用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗处理的步骤。

9.  一种医用植入体材料，其表面沉积有含有羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层，所述羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层由如权利要求1-8任一所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法制备形成。

10.  如权利要求9所述的医用植入体材料，其特征在于：所述含有羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层的厚度为10-100μm。

医用植入体材料及其制备方法
技术领域
本发明属于医用金属材料表面改性技术领域，特别涉及一种医用植入体材料及其制备方法。
背景技术
生物医用金属材料又称为外科植入金属材料，具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用中最广泛的承力植入材料。与生物陶瓷及生物高分子材料相比，生物医用金属材料具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴铬合金、钛合金和记忆合金等几大类。此外还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。医用金属材料种类繁多，但在临床医用普遍存在两个问题，其一，医用金属材料植入人体后，生理环境的腐蚀会造成的金属离子向周围组织扩散，导致周围组织的毒副作用，其中最具代表性是镍、钴、铬等毒性离子。研究发现镍、钴、铬等离子对人体都有致敏反应。钢中的铬元素当呈现六价态时，对人体也有较大的毒性和过敏倾向。镍离子的富集对人体有很大毒性，有过敏反应，可能诱导有机体突变以及发生癌变。其二，在用于硬组织植入材料时，特别是用于骨植入材料和代骨材料时，医用金属材料普遍表现为生物惰性，不能和周围组织形成直接的骨性结合。所以为了使植入体内的医用金属材料充分发挥其功能，最好对其表面进行表面改性。一方面提高表面耐蚀性和耐磨性，改善其生物学特性从而减小生物学毒性；另一方面赋予材料生物活性，提高材料与骨组织的结合能力，强化骨整合作用，使材料具有更好的生物相容性和生物适配性。这也是医用金属材料临床应用中一个亟待解决的问题，同时也是医用金属材料领域的一个重要研究方向。
植入材料与组织直接接触，其界面性能尤为重要。因此，利用表面改性来提高医用金属材料的生物相容性将会是今后医用金属材料发展的趋势。近些年国内外的学者对此已经开展了较多的研究。其中研究较多的改性涂层材料包括羟基磷灰石膜层、类金刚石薄膜、氮化物薄膜、碳化硅薄膜以及高聚物涂层等。从涂层材料方面来看，类金刚石薄膜、氮化物薄膜和碳化硅薄膜等可以显著提高植入材料表面的耐腐蚀性和耐磨性，抑制毒性离子的析出，但这些材料都是生物惰性材料没有骨诱导能力和骨传导性，不能和骨组织形成骨性结合；高聚物涂层和骨组织的力学性能相近，但医用中的降解问题和组织炎性问题无法避免；羟基磷灰石膜层具有优良的骨诱导效应能够和骨组织直接形成骨性结合，但羟基磷灰石是一种脆性材料，本身的机械性能差，形成的膜层不耐磨损、结合力不高，尽管如此和上述几种材料相比，羟基磷灰石膜层仍然具有无可比拟的优势。首先羟基磷灰石是生物体硬组织的主要成分，和骨组织的力学性能相近。其次羟基磷灰石具有优良的骨诱导效应能够和骨组织直接形成骨性结合而且不会发生其他炎性反应。所以只要解决羟基磷灰石材料机械性能差的问题，则其将成为医用金属材料表面改性的一种优良涂层。
研究中发现，将羟基磷灰石和Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂等氧化物复合形成复合陶瓷膜层，其力学性能和机械性能可以大大提高，而且不会影响羟基磷灰石本身优良的生物学性能。值得一提的是，近些年发展起来的等离子体电解氧化技术在制备羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层方面展现出巨大优势。等离子体电解氧化技术制备的陶瓷膜层，机械性能高，与基体结合紧密，可以达到冶金结合，结合力高。而且这种膜层具备外层疏松多孔、内层紧实致密的复合结构，既有利于提高基体的耐腐蚀性能，又能有效抑制基体中有害离子的析出，而且疏松多孔的外层为组织细胞的攀附锚定和生长增殖提供了足够空间，是一种优良的改性涂层。
然而等离子体电解氧化技术在制备羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层时医用金属材料样件在电解槽中处于阳极部位，使得等离子体电解氧化技术在应用 时还有较大的局限性。其一，等离子体电解氧化技术主要应用于钛、锆、镁、钽等阀金属及其合金，在不锈钢、钴铬合金、镍铬合金等非阀金属中的应用还有很大限制。第二，等离子体电解氧化技术在操作中会对基体进行氧化，基体中的生物毒性离子会在新成的氧化膜中沉积，这将加剧毒性离子的析出，降低材料的生物相容性。因此，如何这就解决了传统等离子体电解氧化技术的两个难题是需要克服的一技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种阴极等离子体电解沉积/水热处理在医用金属植入体材料表面制备羟基磷灰石氧化物复合陶瓷膜层的方法，以解决现有等离子体电解氧化技术制备羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层时基体材料受到限制的技术问题，使用本方法制备的羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层在具有良好的力学性能的同时还具有良好的生物稳定性和生物活性。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，包括如下步骤：
以医用金属基体材料为阴极，不锈钢电解槽为阳极，在含钙磷和氧化物前驱体的电解液中，采用双向脉冲电源对所述医用金属基体材料进行阴极等离子体电解沉积处理，在其表面形成富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜；
将表面形成有所述富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜的所述医用金属植入体材料置于水热液体中进行水热处理，使得富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜形成羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。
以及，一种医用金属植入体材料，其表面沉积有含有羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层，所述羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层由本发明所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法制备形成。
本发明在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法先借助阴极等 离子电解沉积技术在医用金属植入体表面制备富含钙磷的氧化物陶瓷膜；然后通过水热处理将膜层中的钙磷成分转变成为羟基磷灰石，形成羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。本方法简单，所用设备与传统的等离子体电解氧化设备一致，制备的膜层与基体结合牢固，可以有效提高基体材料的生物活性，抑制基体材料中的有害离子析出，提高生物相容性和安全性，与此同时，扩宽了医用金属基体材料选择范围。
本发明医用植入体材料由于按照本发明在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法制备而成，因此，本发明医用植入体材料的羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层与医用金属基体材料结合力牢固，其力学性能和机械性能得到了提高，且与骨的生物相容性好。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例1在不锈钢表面利用阴极等离子体电解沉积制得陶瓷膜水热之前的电子显微镜(SEM)扫描图；
图2为本发明实施例1在不锈钢表面制得陶瓷膜水热之后的电子显微镜(SEM)扫描图；
图3为本发明实施例1在不锈钢表面制得的含陶瓷膜水热之后的X射线衍射(XRD)图；
图4为本发明实施例2在NiTi合金制得的含氧化锆和羟基磷灰石陶瓷膜的X射线衍射(XRD)图；
图5为本发明实施例3在NiTi合金制得的含氧化锆和羟基磷灰石陶瓷膜的电子显微镜(SEM)扫描图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以 下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种医用金属基体材料选择范围宽，生物活性高的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，其包括如下步骤：
步骤S01：以医用金属基体材料为阴极，以不锈钢电解槽为阳极，在含钙磷和氧化物前驱体的电解液中，采用双向脉冲电源对所述医用金属基体材料进行阴极等离子体电解沉积处理，在其表面形成富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜；
步骤S02：将表面形成有所述富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜的所述医用金属植入体材料置于水热液体中进行水热处理，使得富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜形成羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。
具体地，上述该步骤S01中构建的阴极等离子体电解沉积系统中，将经表面处理后医用金属基体材料作为阴极，这样能有效扩宽医用金属基体材料的选择范围，避免现有等离子体电解氧化技术对医用金属基体材料选择的局限性，还能有效避免现有等离子体电解氧化技术导致基体中的生物毒性离子在新成的氧化膜中沉积，加剧毒性离子的析出导致降低材料的生物相容性发生。
因此，在一实施例中，该医用金属基体材料可以是阀金属或非阀金属，在具体实施例中，该阀金属可以是钛、锆、镁、钽等阀金属及其合金，非阀金属可以是不锈钢、钴铬合金、镍铬合金等非阀金属。
在上述步骤S01中的阴极等离子体电解沉积过程中，还能通过控制电解工艺条件来有效控制沉积形成富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜的质量。
因此，在一实施例中，该阴极等离子体电解沉积处理工艺条件为：电源输出模式采用恒压模式，电压为280V-600V。
在另一实施例中，该阴极等离子体电解沉积处理工艺条件为：电源输出模式采用横流模式，电流密度为0.01A/cm²-5A/cm²。
在进一步实施例中，在上述恒压模式或横流模式的基础上，阴极等离子体电解沉积处理的时间控制为10min-120min。
这样，通过对上述阴极等离子体电解沉积电流或电压或进一步对电解沉积时间的控制，能有效控制富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜的厚度、密度以及沉积生长的微晶结构晶形形态，从而提高富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜的密度、机械强度等性能，使得富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜质量显著提高。
另外，通过调配电解液的成分，实现对富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜成分以及性能的控制。因此，在一实施例中，所述含钙磷和氧化物前驱体的电解液含有如下组分：
五氧化二磷      1-10g/L
硝酸钙          10-40g/L
硝酸铝或硝酸锆  5-40g/L；
溶剂为乙醇或/和三乙醇胺。
通过对电解液的上述控制，使得电解沉积形成的氧化物陶瓷膜质量富含钙磷成分，且赋予氧化物陶瓷膜与骨组织相近的力学性能。
在进一步实施例中，该步骤S01中医用金属基体材料在进行阴极等离子体电解沉积处理之前，先对其进行表面处理，该表面处理是为了除去氧化皮或污染物等，以避免金属基体表面氧化皮或污染物对阴极等离子体电解沉积处理过程中生成的富含钙磷成分氧化物陶瓷膜的品质影响。为了有效除去医用金属基体材料的表面的氧化皮或污染物，因此，在一实施例中，将医用金属基体材料进行表面抛光后进行清洗处理。在具体实施例中，抛光可以直接采用SiC砂纸抛光处理；清洗处理可以依次采用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗处理。
上述步骤S02中，对沉积形成的富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜采用水热水热处理是对富含钙磷成分的氧化物陶瓷膜进行晶化处理，使得膜层中的钙磷成分晶化转变为羟基磷灰石，从而使得羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。
因此，在一实施例中，所述水热液体为去离子水或浓度为0.1-1mol/L的氨水溶液。在进一步实施例中，所述水热处理的工艺条件为：压力为0.1-2MPa，温度为120-250℃，6-12小时。通过对水热处理工艺条件的控制，能提高钙磷 成分晶化转变为羟基磷灰石效率和质量，使得羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层具备外层疏松多孔、内层紧实致密的复合结构，从而有效提高羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层的质量。
经过上文中的步骤S01、S02处理以及工艺条件的控制，在一实施例中，在医用金属基体材料表面沉积的含有羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层的厚度为10-100μm。
因此，上文所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法借助阴极等离子电解沉积技术在医用金属植入体表面制备富含钙磷的氧化物陶瓷膜；然后通过水热处理将膜层中的钙磷成分转变成为羟基磷灰石，形成羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。另外，该方法简单，所用设备与传统的等离子体电解氧化设备一致，制备的膜层与基体结合牢固，可以有效提高基体材料的生物活性，抑制基体材料中的有害离子析出，提高生物相容性。
相应地，在上文所述的在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法的基础上，本发明实施例还提供了一种医用植入体材料，其表面沉积有含有羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层，所述羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层由上文所述的本发明实施例在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法制备形成。因此，本发明实施例医用植入体材料的羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层与医用金属基体材料结合力牢固，其力学性能和机械性能得到了提高，且与骨的生物相容性好。
在一实施例中，控制所述含有羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层的厚度为10-100μm。通过优化膜层厚度，进一步调节膜层力学性能和机械性能，并提高其与骨的生物相容性。
以下通过多个实施例来举例说明上述在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法以及由该方法制备的医用植入体材料。
实施例1
一种在医用金属植入体材料表面形成复合陶瓷膜层的方法，包括如下步骤：
S11，将1cm²的316L不锈钢试样经丙酮、乙醇、去离子水各超声10分钟清洗；
S12，利用双向脉冲电源，以316L不锈钢试样为阴极，不锈钢电解槽作为阳极极，以含五氧化二磷(6g/L)、硝酸钙(20g/L)、硝酸铝(20g/L)溶液为电解液，在搅拌条件下进行阴极等离子体电解沉积处理；其中，电源模式采用恒压模式，电压恒定在400V；处理时间为30min，形成富含钙磷的氧化铝陶瓷膜；
S13，将制备有富含钙磷的氧化铝陶瓷膜的试样进行水热处理，水热处理在去离子水中进行，处理温度为150℃，处理时间10h，形成羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。
将步骤S12制备的富含钙磷的氧化铝陶瓷膜和步骤S13生成的羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层进行电子显微镜(SEM)扫描分析，其结果分别如图1、2所示。将步骤S13生成的羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层进行X射线衍射(XRD)分析，其结果分别如图3所示。
由图1、2可知，制备的膜层结构均匀，且在其表面具有多孔结构。由图3可知，水热后获得了含羟基羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)、加藤石型石榴石(Ca₃Al₂([OH]₄)₃)和软水铝矿(AlO(OH))的陶瓷膜。
实施例2
S21，将1cm²镍钛合金经过丙酮、乙醇、去离子水各超声10分钟清洗；
S22，利用双向脉冲电源，以镍钛合金试样为阴极，不锈钢电解槽作为阳极极，以含五氧化二磷(4g/L)、硝酸钙(15g/L)、硝酸锆(15g/L)溶液为电解液，在搅拌条件下进行阴极等离子体电解沉积处理；其中，电源模式采用恒压模式，电压恒定在480V；处理时间为20min。形成富含钙磷的氧化锆陶瓷膜；
S23，将制备有富含钙磷的氧化锆陶瓷膜的试样进行水热处理。水热处理在去离子水中进行，处理温度为150℃，处理时间8h，形成羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层。
将步骤S23生成的羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层进行X射线衍射(XRD)分析，其结果分别如图4所示。由图4可知，水热后获得了含羟基磷灰石和氧化锆的陶瓷膜。
实施例3
S31，将1cm²镍钛合金经过丙酮、乙醇、去离子水各超声10分钟清洗；
S31，利用双向脉冲电源，以镍钛合金试样为阴极，不锈钢电解槽作为阳极极，以含五氧化二磷(7g/L)、硝酸钙(25g/L)、硝酸锆(25g/L)溶液为电解液，在搅拌条件下进行阴极等离子体电解沉积处理；其中，电源模式采用恒流模式，电流密度恒定在0.4A/cm²；处理时间为15min。形成富含钙磷的氧化锆陶瓷膜；
S33，将制备有富含钙磷的氧化锆陶瓷膜的试样进行水热处理。水热处理在去0.1M氨水中进行，处理温度150℃，处理时间10h，最终得到含羟基磷灰石和氧化锆的陶瓷膜。
将步骤S33生成的羟基磷灰石/氧化物复合陶瓷膜层进行电子显微镜(SEM)扫描分析，其结果分别如图5所示。由图5可知，羟基磷灰石六方相的六棱柱状结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。