在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙-磷涂层的方法转让专利
申请号 : CN201811409538.2
文献号 : CN111218677B
文献日 : 2021-05-11
发明人 : 袁广银 , 贾高智 , 侯懿 , 裴佳 , 黄华
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙‑磷涂层的方法,其特征在于,包括以下步骤:
A、对可降解锌医用合金表面进行预处理;所述预处理包括碱溶液预处理和紫外臭氧清洗的步骤;
B、将步骤A处理后的可降解医用锌合金置于混合磷酸盐溶液中恒温浸泡,即得所述生物活性钙‑磷涂层;
所述碱溶液为包括碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液;所述碱溶液中,碳酸钠的浓度为
0.2‑2mol/L,氢氧化钠的浓度为0.1‑1mol/L;
所述混合磷酸盐溶液选自以下任一质量比混合形成的溶液:.
a)Ca(H2PO4)2H2O:H2O2=3:2;
. .
b)Ca(H2PO4)2H2O:NaH2PO42H2O:H2O2=6:5:4;
.
c)Ca3(PO4)2:Na2HPO412H2O:Ca(NO3)2:H2O2=6:4:10:7;
. .
d)Ca(H2PO4)2H2O:CaHPO42H2O:KNO3:H2O2=3:1:2:2;
.
e)CaHPO42H2O:NaNO3:H2O2=5:5:3。
2.根据权利要求1所述的在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙‑磷涂层的方法,其特征在于,所述碱溶液预处理的温度为20‑80℃,预处理时间为1‑120s;所述紫外臭氧清洗时间为1‑20min。
3.根据权利要求1所述的在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙‑磷涂层的方法,其特征在于,步骤B中,所述恒温浸泡的温度为4‑80℃,浸泡时间为1‑96小时。
4.根据权利要求1所述的在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙‑磷涂层的方法,其特征在于,步骤B中,所述制得的生物活性钙‑磷涂层的厚度为1‑100μm。
5.根据权利要求1所述的在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙‑磷涂层的方法,其特征在于,所述可降解医用锌合金选自Zn‑Cu系、Zn‑Mg系、Zn‑Sr系、Zn‑Mn系、Zn‑Li系、Zn‑Ag系或Zn‑RE系锌合金;
所述步骤A还包括在预处理前,将可降解医用锌合金制成骨内植物器械的步骤。
6.一种表面为生物活性钙‑磷涂层的可降解医用锌合金,其特征在于,所述生物活性钙‑磷涂层的厚度为1‑100μm;所述可降解医用锌合金选自Zn‑Cu系、Zn‑Mg系、Zn‑Sr系、Zn‑Mn系、Zn‑Li系、Zn‑Ag系或Zn‑RE系锌合金。
7.一种根据权利要求6所述的表面为生物活性钙‑磷涂层的可降解医用锌合金在制备骨内植物器械中的应用。
说明书 :
在可降解医用锌合金表面制备生物活性钙‑磷涂层的方法
技术领域
背景技术
免疫功能、以及味觉感官等都起到了重要的调节作用。锌的每日膳食推荐量在2‑10mg,最高
摄入量为40mg,但高于此值时仍不会导致明显毒性。因此,锌合金作为可降解医用植入材料
具有良好的生物安全性。其次,锌的腐蚀电位介于镁和铁之间,使其拥有更为适中的降解速
率,能够更好地与组织愈合速度相匹配。现有动物体内研究结果还发现,锌合金在体内呈现
“先慢后快”的降解模式,能够更好地满足临床治疗的使用要求。另外,锌合金的熔点较低,
且其熔体在空气中相对稳定,使得锌合金的熔炼和后续加工更加简单经济。
现出良好的应用优势。目前研究结果发现,锌合金植入肌体内不但不会引发周围组织的炎
性发应,甚至有利于骨组织的修复愈合,显示了良好的生物相容性。但是,锌合金降解所释
放的锌离子对成骨细胞会产生双效作用。低浓度的锌离子能够促进细胞的成骨分化、增强
骨组织再生以及提高骨界面的结合强度,而过高浓度的锌离子则显示出较高的细胞毒性,
不仅会降低细胞的增殖速度,还可能引起细胞的迅速凋亡。因此,为了保证植入前期种子细
胞在锌合金表面正常的粘附与增殖活动,必须要实现医用锌合金的可控降解,将锌离子的
释放速率控制在一定的范围内,以保证锌合金表面的生物相容性。
面改性,以提高材料表面的生物相容性。对于可降解的金属材料,钙‑磷涂层还能够有效调
控金属离子的释放速率,实现材料的可控降解。然而,尽管现如今锌合金作为新型可降解医
用金属材料的研究日趋火热,且大量研究结果已证明锌离子的过快释放会给细胞带来明显
毒害作用,但是到目前为止,仍旧没有可降解医用锌合金表面钙‑磷涂层制备技术的相关报
道。原因是常规钛合金植入器械表面的钙‑磷盐类涂层均是通过高温热喷涂的工艺获得结
合力较高的涂层,而锌合金熔点较低(纯锌熔点420℃),无法在锌合金材料表面采用常规热
喷涂工艺获得钙‑磷盐类涂层。常规的镁合金植入器械表面的钙‑磷盐类涂层是通过电化学
沉积、仿生矿化等工艺获得,而锌合金的腐蚀降解机理和速率与镁合金差异较大,不太适用
于上述常规工艺方法。
发明内容
合力高,能够有效降低锌合金表面的锌离子释放速率,从而显著提高锌合金表面的细胞相
容性。同时,该处理工艺还拥有操作简单易行,无需特殊设备的优点,所制备的钙‑磷涂层厚
度可调控。
涂层致密度较差,生物相容性提高效果不佳。
碱性太强,迅速产生大量沉淀无机盐颗粒,也会影响制备出的涂层微结构。
种或几种的组合。
点,不利于反应进行;温度过高,腐蚀反应占主导,不利于结晶层沉积。浸泡时间太短,涂层
太薄起不到提高生物相容性作用;而浸泡时间太长,反应已达到平衡,涂层厚度已很难增
加。
Zn‑Mn系、Zn‑Li系、Zn‑Ag系或Zn‑RE系锌合金。
通过在混合磷酸盐处理溶液中恒温浸泡一段时间,在锌合金内植物器械表面制备一层具有
生物活性的钙‑磷涂层。所述的生物活性钙‑磷涂层,不仅能有效调控锌合金内植物器械的
降解速率,提高锌合金内植物器械表面的生物相容性,还具备良好的骨诱导功能,可以促进
植入体和周围骨组织之间的界面结合,同时涂层自身可缓慢降解。
的生物相容性和降解特性。
需求调控可降解锌合金的前期降解速率,增强植入物与骨组织的结合强度。
附图说明
层晶粒簇之间紧密接触覆盖整个锌合金骨板表面;
孔锌支架依旧保持良好的三维连通结构;高倍下涂层形貌与在锌合金骨板表面涂层形貌相
似,但其条束状钙‑磷涂层晶粒的尺寸要更大一些,长度方向在5‑15μm,径向尺寸在1‑2μm。
具体实施方式
人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明
的保护范围。
正反两面各15min,吹干。将试样放在30℃的0.3mol/L碳酸钠和0.1mol/L氢氧化钠混合溶液
中超声清洗90s,随后用去离子水和无水乙醇依次清洗后,自然晾干。然后用紫外臭氧清洗
仪处理样品正反两面各5min后,将Zn‑3Cu合金接骨板样品放入Ca(H2PO4)2·H2O:H2O2=3:2
(wt%,浓度分别为45g/L和30g/L)的溶液中水浴恒温(30℃)静置浸泡4h。扫描电镜观察显
示钙‑磷涂层的厚度为8μm,钙‑磷涂层的XRD衍射图谱如图1所示,其主要成分为透钙磷石
(CaHPO4.2H2O),Ca/P原子比接近1:1。钙‑磷涂层的SEM照片如图2所示,钙‑磷晶粒成细条束
状,条束在长度方向约为3‑5μm,径向在0.5μm左右;条束之间相互堆积成簇,涂层晶粒簇之
间紧密接触覆盖整个锌合金骨板表面。涂层与Zn‑3Cu合金接骨板基体的结合力达到20MPa,
且使Zn‑3Cu合金骨板的前期降解速率降低至裸Zn‑3Cu合金骨板的40%,显著提高了锌合金
骨板表面的细胞相容性,使其细胞毒性由3级提升到了1级。
500um,主孔之间的连通孔孔径平均为200um)制备成φ15*5mm的样品,依次用煤油、丙酮、去
离子水和无水乙醇清洗切割后的样品,晾干。随后,在超声条件下将样品置于60℃的
0.5mol/L氢氧化钠溶液中预处理30s,依次用去离子水和无水乙醇清洗后晾干。用紫外臭氧
清洗仪处理样品正反两面各15min后,将Zn‑2Mg‑1Cu多孔样品放入Ca(H2PO4)2·H2O:
NaH2PO4·2H2O:H2O2=6:5:4(wt%,浓度分别为24g/L、20g/L和16g/L)的溶液中恒温(20℃)
浸泡12h,期间采用用电磁搅拌振荡溶液,使多孔锌合金组织工程支架内部溶液环境更加均
匀。扫描电镜观察显示涂层厚度为20μm,钙‑磷涂层的XRD衍射图谱如图1所示,其主要成分
为透钙磷石(CaHPO4·2H2O),Ca/P原子比接近1:1.1。钙‑磷涂层的SEM照片如图3所示,低倍
下可发现涂层均匀致密地覆盖在多孔锌合金组织工程支架的孔壁表面,涂层覆盖后多孔锌
支架依旧保持良好的三维连通结构。高倍下涂层形貌与在锌合金骨板表面涂层形貌相似,
但其条束状钙‑磷涂层晶粒的尺寸要更大一些,长度方向在5‑15μm,径向尺寸在1‑2μm。涂层
具有良好的生物活性,显著提高了多孔Zn‑2Mg‑1Cu合金组织工程支架的生物相容性,使其
细胞毒性由无涂层时的3级提升到了1级。并且,涂层覆盖后多孔锌支架依旧保持三维连通
的孔隙结构,支架的屈服强度略有上升。支架压缩到3%应变量时,涂层依旧与基体结合良
好,说明涂层与基体的结合力很强。同时使Zn‑2Mg‑1Cu合金组织工程支架的前期降解速率
降低至无涂层时的35%。
平,随后在无水乙醇中超声清洗20min,吹干。将试样放在50℃的1mol/L碳酸钠和0.5mol/L
氢氧化钠混合溶液中超声清洗15s,随后用去离子水和无水乙醇先后清洗后,自然晾干。用
紫外臭氧清洗仪处理样品正反两面各20min后,将Zn‑0.5Sr合金骨钉样品放入Ca3(PO4)2:
Na2HPO4·12H2O:Ca(NO3)2:H2O2=6:4:10:7(wt%,分别为18g/L、12g/L、30g/L、21g/L)的溶
液中水浴恒温(75℃)静置浸泡48h。扫描电镜观察发现钙‑磷涂层的厚度为30μm,Ca/P原子
比约为1:1.2,涂层具有良好的生物活性,且与Zn‑0.5Sr合金基体的结合力达到20MPa,并使
Zn‑0.5Sr合金骨钉的前期降解速率降低至无涂层骨钉的30%,显著提高了Zn‑Sr合金表面
的细胞相容性,使其细胞毒性由3级提升到了1级。
品,依次用600目和1200目砂纸打磨,随后在无水乙醇中超声清洗正反两面各15min,吹干。
将试样放在20℃的0.5mol/L碳酸钠和0.1mol/L氢氧化钠混合溶液中超声清洗60s,随后用
去离子水和无水乙醇先后清洗后,自然晾干。用紫外臭氧清洗仪处理样品正反两面各10min
后,将Zn‑1Ag合金髓内针样品放入CaHPO4·2H2O:NaNO3:H2O2=5:5:3(wt%,分别为30g/L、
35g/L、40g/L);的溶液中水浴恒温(25℃)静置浸泡72h。扫描电镜观察可见钙‑磷涂层的厚
度为60μm,Ca/P原子比约为1:1.3,涂层具有良好的生物活性,且与Zn‑1Ag合金基体的结合
力达到20MPa,并使Zn‑1Ag合金的前期降解速率降低至无涂层金属的28%以下,显著提高了
Zn‑1Ag合金表面的细胞相容性,使其细胞毒性由3级提升到1级。
正反两面各15min,吹干。将试样放在80℃的2mol/L碳酸钠和0.1mol/L氢氧化钠混合溶液中
超声清洗120s,随后用去离子水和无水乙醇依次清洗后,自然晾干。然后用紫外臭氧清洗仪
处理样品正反两面各5min后,将Zn‑3Cu合金接骨板样品放入Ca(H2PO4)2·H2O:H2O2=3:2
(wt%,浓度分别为45g/L和30g/L)的溶液中水浴恒温(4℃)静置浸泡96h。扫描电镜观察显
示钙‑磷涂层的厚度为1μm,Ca/P原子比接近1:1,涂层与Zn‑3Cu合金接骨板基体的结合力达
到20MPa,且使Zn‑3Cu合金骨板的前期降解速率降低至裸Zn‑3Cu合金骨板的40%,显著提高
了锌合金骨板表面的细胞相容性,使其细胞毒性由3级提升到了1级。
正反两面各15min,吹干。将试样放在60℃的1mol/L碳酸钠和1mol/L氢氧化钠混合溶液中超
声清洗1s,随后用去离子水和无水乙醇依次清洗后,自然晾干。然后用紫外臭氧清洗仪处理
样品正反两面各1min后,将Zn‑2Cu合金接骨板样品放入Ca(H2PO4)2·H2O:H2O2=3:2(wt%,
浓度分别为45g/L和30g/L)的溶液中水浴恒温(80℃)静置浸泡1h。扫描电镜观察显示钙‑磷
涂层的厚度为100μm,Ca/P原子比接近1:1,涂层与Zn‑3Cu合金接骨板基体的结合力达到
18MPa,且使Zn‑3Cu合金骨板的前期降解速率降低至裸Zn‑3Cu合金骨板的20%,显著提高了
锌合金骨板表面的细胞相容性,使其细胞毒性由3级提升到了0‑1级。
=Na2ZnO2+2H2O。经这种处理后材料细胞毒性依然很差,为3级。
毒性仅由3级提高到2‑3级,提高生物相容性效果不明显。
明通过简单易行的化学沉积法,无需专门设备,可方便调控涂层厚度,进而控制锌合金表面
锌离子的释放速率,从而显著改善可降解医用锌合金骨内植物表面的生物相容性和降解特
性。
响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相
互组合。