[發(fā)明專利]一種多孔金屬材料表面的生物活性涂層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510370443.4
• 申請日: 2015-06-30
• 公開（公告）號: CN104911674B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱向東;肖占文;陳宏杰;王春利;張凱;樊渝江;張興棟
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: C25D11/26
• 分類號: C25D11/26;C25D9/08;C25D5/18;C25D5/48
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司51214
• 代理人: 曾曉波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多孔金屬材料表面的生物活性涂層及其制備方法，屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。

技術(shù)背景

金屬材料優(yōu)異的力學(xué)性能使其在生物醫(yī)用領(lǐng)域，尤其是骨科方面得到了廣泛的應(yīng)用。

鈦及其合金具有生物相容性好、毒性低、足夠的力學(xué)強度和耐腐蝕性而成為人體承重部位受損硬組織(牙齒,關(guān)節(jié)等)置換的首選材料。可是，未經(jīng)特殊表面處理的鈦及其合金卻是生物惰性的。這種表面生物惰性的植入體由于很難與其周圍組織形成有效的骨整合，常常導(dǎo)致植入體松動而引起慢性炎癥，最終不得不二次手術(shù)取出植入體，這是導(dǎo)致鈦基植入體植入失敗的主要原因。大量的研究表明，鈦基植入體表面生物活化可促進植入體與周圍組織的骨整合,從而克服因植入體松動而導(dǎo)致的植入失敗的問題。因此，鈦及其合金表面的生物活化就成為鈦基植入體研發(fā)的重點之一。

鈦及其合金表面生物活化的原理是通過修飾鈦表面使其具有誘導(dǎo)或促進類骨磷灰石形成能力。基于這個原理，人們已發(fā)展了很多方法來活化鈦基植入體。這些方法包括酸堿處理，水熱處理，陽極氧化，微弧氧化，表面離子注入和磷酸鈣（CaP）涂層等。其中，最有效的生物活化方法就是在鈦植入體表面制作CaP涂層，因為CaP涂層可以加速鈦基表面類骨磷灰石的形成，促進植體與宿主骨的整合。

CaP涂層的制備方法很多，主要包括等離子噴涂法，濺射法，脈沖激光沉積法，水熱合成法，溶膠-凝膠法，仿生溶液生長法等。其中，等離子噴涂技術(shù)是研究得最成熟且已廣泛用于鈦植入體表面CaP涂層的制作。該方法具有生產(chǎn)效率高、涂層均勻、涂層厚度易控、重復(fù)性好等優(yōu)點。但是，處于高溫高速等離子體射流中的磷酸鈣粉體很容易發(fā)生融化、相變甚至分解，從而導(dǎo)致磷酸鈣涂層成分復(fù)雜化，與基底金屬因熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致涂層在液體中容易剝脫等。此外，等離子體涂層制備技術(shù)還需要特殊的設(shè)備，而且，這種線性工藝也不能用于異形和多孔結(jié)構(gòu)的植入體上。因此，近年來，常溫液相非線性涂層制備技術(shù)得到了快速的發(fā)展，比如：溶膠-凝膠法、仿生溶液生長法、電化學(xué)和電泳沉積法等。溶膠-凝膠法和仿生溶液生長法具有工藝簡單，成本低，涂層組分均勻等優(yōu)點，但這兩種方法不僅制備周期長，而且涂層受基體金屬表面幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)均勻性的影響極大，因而很難用于多孔金屬支架的涂層的制備。相比之下，電化學(xué)沉積涂層法卻具有明顯的優(yōu)勢。

電化學(xué)沉積磷酸鈣涂層的基本原理是通過電解析氫引起金屬表面附近溶液的pH升高而加速CaP的成核和生長。影響CaP涂層性能的主要因素包括加電方式、金屬表面性質(zhì)、溶液傳質(zhì)過程、沉積溫度和時間。對平板金屬而言，常規(guī)的電化學(xué)沉積過程就可以獲得均勻的CaP涂層形成。可是，這種常規(guī)的電化學(xué)沉積過程用于多孔金屬支架時，卻很難使CaP涂層完全覆蓋支架內(nèi)部的孔壁, 其主要原因應(yīng)該是多孔支架內(nèi)部的孔道網(wǎng)絡(luò)對溶液傳質(zhì)過程的阻礙所致。

除了植入金屬部件表面涂層的生物活性外，另外一個影響植入體成敗的重要因素就是生物活性涂層與基體金屬的連接（粘結(jié)）強度。由于松動的涂層總是會引起機體的炎性反應(yīng)，長時間的炎性反應(yīng)導(dǎo)致植入的失敗。因此，理想的植入金屬器件表面的生物活性涂層應(yīng)該同時滿足三個條件：生物活性，力學(xué)穩(wěn)定性，以及對基體金屬自然腐蝕的抑制性。目前，尚無可同時滿足這種理想條件的涂層或其制備技術(shù)。因此，在多孔金屬植入體表面制備理想的生物活性涂層對發(fā)揮金屬植入體的設(shè)計性能，延長其使用壽命，降低返修/失效率，提高患者的生活質(zhì)量具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

以在多孔金屬表面制備理想涂層為目標，本發(fā)明提供了一種多孔金屬材料表面的多層生物活性涂層及其制備方法。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種多孔金屬支架表面的生物活性涂層，所述涂層為三層結(jié)構(gòu)：金屬表面的致密膜、中間的多孔凝膠層和涂層表面的松散層。所述底層致密膜為金屬氧化物，中間層為金屬氧化物凝膠，表層為磷酸鈣。基體金屬表面的致密層負責(zé)阻礙基體金屬的自發(fā)腐蝕，以及化學(xué)連接中間層；中間凝膠層負責(zé)緩沖應(yīng)力；表層的磷酸鈣負責(zé)加速類骨磷灰石的形成。

作為可選方式，在上述生物活性涂層中，基體金屬——致密層，致密層—中間凝膠層的界面均為化學(xué)耦合連接，而中間凝膠層—表層磷酸鈣為物理耦合連接。

作為可選方式，在上述生物活性涂層中，所述金屬氧化物凝膠中間層具有納米級的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，所述磷酸鈣外層具有納米棒狀或鱗片狀結(jié)構(gòu)。