[發(fā)明專利]鈣磷鹽生物膜層及其脈沖電化學(xué)改性方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210537251.4
• 申請(qǐng)日: 2012-12-12
• 公開（公告）號(hào): CN103866368A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林昌健;林理文;段紅平;王琴琴;楊云
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京納通科技集團(tuán)有限公司
• 主分類號(hào): C25D9/08
• 分類號(hào): C25D9/08;C25D5/18
• 代理公司: 隆天國(guó)際知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 72003
• 代理人: 劉春生;于寶慶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)沉積法，尤其涉及一種鈣磷鹽生物膜層及其脈沖電化學(xué)改性方法。

背景技術(shù)

鈣磷鹽，包括羥基磷灰石（HA）、磷酸八鈣（OCP,HA前驅(qū)體）等是人體骨骼和牙齒的主要無機(jī)成分，具有良好的生物相容性。鈣磷鹽化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)與人骨相似，是理想的人骨替代膜層。但因鈣磷鹽脆性大、強(qiáng)度低，其直接應(yīng)用受到限制。通常需要將鈣磷鹽涂覆于力學(xué)性能優(yōu)良的金屬合金表面，形成金屬/鈣磷鹽復(fù)合膜層，這樣既可保持金屬膜層高強(qiáng)度性能又兼?zhèn)溻}磷鹽良好的生物性能。

采用等離子噴涂法在金屬表面涂覆鈣磷鹽膜層是至今FDA批準(zhǔn)的唯一可用于臨床的植入物膜層。等離子噴涂是采用剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，將鈣磷鹽加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，通過高速氣流使其噴射并沉積到經(jīng)預(yù)處理的金屬表面，從而在金屬基體表面形成附著牢固的膜層。等離子體噴涂技術(shù)自20世紀(jì)50年代中期在聯(lián)碳公司（Union?Carbide?Corporation）出現(xiàn)以來，廣泛地用于制備陶瓷膜層。于股骨植入體表面采用等離子體噴涂技術(shù)制備的生物活性陶瓷膜層，在臨床上獲得較好的應(yīng)用，其具有沉積速度高（80g/分鐘）、厚度高（有些膜層可噴涂5mm）、膜層表面粗糙度大、與基底膜層結(jié)合力強(qiáng)等特點(diǎn)。De?Groot等利用常規(guī)等離子噴涂技術(shù)在金屬表面制備HA膜層，制備的軟合金人工骨、人工齒植入體在臨床上已成功應(yīng)用。

隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)采用等離子噴涂法在金屬表面涂覆鈣磷鹽膜層，用于多孔或形狀復(fù)雜的基底表面難以獲得均勻膜層，制備過程中的高溫使冷卻后基底與膜層的界面存在很高的殘余應(yīng)力，因此在臨床上的廣泛應(yīng)用受到了極大的限制。此外，等離子噴涂過程中的高溫（瞬間可達(dá)6000-10000℃），可導(dǎo)致羥基磷灰石發(fā)生嚴(yán)重相變和分解（羥基磷灰石在600-700℃即開始不穩(wěn)定，當(dāng)高于1330℃時(shí)可發(fā)生嚴(yán)重相變和分解）。由于自然骨中的鈣磷鹽主要以長(zhǎng)10-60nm、寬2-6nm的細(xì)針狀或薄片狀存在，并沿長(zhǎng)軸方向與膠原纖維有序復(fù)合，形成微/納米級(jí)結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳的生物和力學(xué)性能。所以常規(guī)等離子噴涂法無法得到與自然骨的成分和結(jié)構(gòu)相似的羥基磷灰石，高溫過程完全破壞了羥基磷灰石的化學(xué)組分及微/納米級(jí)結(jié)構(gòu)，且經(jīng)化學(xué)后處理也難以恢復(fù)其確定的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)。眾所周知，膜層化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)決定了膜層的性能和功能，因此，等離子噴涂法制備的金屬/鈣磷鹽植入物的綜合生物性能遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的效果。

采用電化學(xué)沉積法在金屬基底表面制備鈣磷鹽膜層時(shí)，鈣磷鹽膜層與金屬基底的結(jié)合力低，使其難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供的鈣磷鹽生物膜層及其脈沖電化學(xué)改性方法（其中的鈣磷鹽生物膜層是采用等離子噴涂法制備于金屬植入物表面的，以下簡(jiǎn)稱為植入物），包括下述步驟（如圖1所示）。

（1）酸刻蝕預(yù)處理：將植入物放入稀酸溶液中震蕩1-2分鐘，于去離子水中超聲清潔1-50秒，取出后晾干備用。在本實(shí)施例中，采用濃度為0.1-2%的硝酸溶液。因植入物表面上等離子噴涂的鈣磷鹽膜層電阻大且分布不均，酸刻蝕預(yù)處理步驟可降低鈣磷鹽膜層的電阻、改善電阻分布，以利于后續(xù)電化學(xué)沉積步驟的進(jìn)行。

（2）配制電解液：電解液是濃度為0.001-0.5mol/L?Ca(NO₃)₂與濃度為0.001-0.5mol/L?NH₄H₂PO₄的混合去離子水溶液，電解液的pH值為3至7。

（3）電化學(xué)沉積：于加熱的電解液中，以預(yù)處理后的植入物作為陰極，鉑電極作為陽(yáng)極，進(jìn)行循環(huán)脈沖電位的電化學(xué)沉積。電解液的加熱溫度為50-100℃。循環(huán)脈沖的電位如圖2所示，在電位V’為-1.0至-1.2V下保持時(shí)間T’略小于30秒、Vn為-2.0至-3.0v下保持時(shí)間Tn為10-90秒、在電位V1為-2.0至-2.4v下保持時(shí)間T1為0-90秒、在電位V2為-2.5至-2.9v下保持時(shí)間T2為30-90秒，且需滿足Vn>V2>V1，Tn、T1、T2之和為60-180秒。其中，V’為鈣磷鹽成核前為使電極表面呈堿性的電位，Vn為鈣磷鹽成核電位，V1為鈣磷鹽穩(wěn)定生長(zhǎng)電位，V2為鈣磷鹽生長(zhǎng)調(diào)控電位。V1與V2為一個(gè)脈沖循環(huán)，整個(gè)過程的循環(huán)次數(shù)1≤N≤40。所得到膜層是孔徑范圍為10至100微米的微/納米級(jí)有序結(jié)構(gòu)。所圖3所示，a為所得到的鈣磷鹽生物膜層的XRD曲線，b為未覆有鈣磷鹽生物膜層的植入物的XRD曲線?？梢?，所經(jīng)過上述過程所得到的為純磷酸八鈣膜層。因其微/納米結(jié)構(gòu)與自然骨結(jié)構(gòu)相近，骨細(xì)胞易生長(zhǎng)，從而加速骨的整合能力。