[發明專利]鈣磷鹽生物膜層及其脈沖電化學改性方法

有效

• 申請號: 201210537251.4
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN103866368A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 林昌健;林理文;段紅平;王琴琴;楊云
• 申請（專利權）人: 北京納通科技集團有限公司
• 主分類號: C25D9/08
• 分類號: C25D9/08;C25D5/18
• 代理公司: 隆天國際知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 劉春生;于寶慶

技術領域

本發明涉及電化學沉積法，尤其涉及一種鈣磷鹽生物膜層及其脈沖電化學改性方法。

背景技術

鈣磷鹽，包括羥基磷灰石（HA）、磷酸八鈣（OCP,HA前驅體）等是人體骨骼和牙齒的主要無機成分，具有良好的生物相容性。鈣磷鹽化學組成和結構與人骨相似，是理想的人骨替代膜層。但因鈣磷鹽脆性大、強度低，其直接應用受到限制。通常需要將鈣磷鹽涂覆于力學性能優良的金屬合金表面，形成金屬/鈣磷鹽復合膜層，這樣既可保持金屬膜層高強度性能又兼備鈣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移型等離子弧為熱源，將鈣磷鹽加熱到熔化或半熔化狀態，通過高速氣流使其噴射并沉積到經預處理的金屬表面，從而在金屬基體表面形成附著牢固的膜層。等離子體噴涂技術自20世紀50年代中期在聯碳公司（Union?Carbide?Corporation）出現以來，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制備的生物活性陶瓷膜層，在臨床上獲得較好的應用，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、與基底膜層結合力強等特點。De?Groot等利用常規等離子噴涂技術在金屬表面制備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用。

隨著研究的深入，發現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力，因此在臨床上的廣泛應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6000-10000℃），可導致羥基磷灰石發生嚴重相變和分解（羥基磷灰石在600-700℃即開始不穩定，當高于1330℃時可發生嚴重相變和分解）。由于自然骨中的鈣磷鹽主要以長10-60nm、寬2-6nm的細針狀或薄片狀存在，并沿長軸方向與膠原纖維有序復合，形成微/納米級結構，達到最佳的生物和力學性能。所以常規等離子噴涂法無法得到與自然骨的成分和結構相似的羥基磷灰石，高溫過程完全破壞了羥基磷灰石的化學組分及微/納米級結構，且經化學后處理也難以恢復其確定的化學組分和結構。眾所周知，膜層化學組分和結構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未達到預期的效果。

采用電化學沉積法在金屬基底表面制備鈣磷鹽膜層時，鈣磷鹽膜層與金屬基底的結合力低，使其難以實現工業化應用。

發明內容

本發明提供的鈣磷鹽生物膜層及其脈沖電化學改性方法（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，以下簡稱為植入物），包括下述步驟（如圖1所示）。

（1）酸刻蝕預處理：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，以利于后續電化學沉積步驟的進行。

（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）電化學沉積：于加熱的電解液中，以預處理后的植入物作為陰極，鉑電極作為陽極，進行循環脈沖電位的電化學沉積。電解液的加熱溫度為50-100℃。循環脈沖的電位如圖2所示，在電位V’為-1.0至-1.2V下保持時間T’略小于30秒、Vn為-2.0至-3.0v下保持時間Tn為10-90秒、在電位V1為-2.0至-2.4v下保持時間T1為0-90秒、在電位V2為-2.5至-2.9v下保持時間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為鈣磷鹽穩定生長電位，V2為鈣磷鹽生長調控電位。V1與V2為一個脈沖循環，整個過程的循環次數1≤N≤40。所得到膜層是孔徑范圍為10至100微米的微/納米級有序結構。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。可見，所經過上述過程所得到的為純磷酸八鈣膜層。因其微/納米結構與自然骨結構相近，骨細胞易生長，從而加速骨的整合能力。