一种改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的制备与应用转让专利
申请号 : CN202110423738.9
文献号 : CN113174592B
文献日 : 2021-12-03
发明人 : 李华芳 , 郑宜星 , 林桂彩 , 黄金燕 , 王鹏宇 , 纪晓静 , 王鲁宁
申请人 : 北京科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的制备,其特征在于,制备步骤如下:(1)磷酸锌转化膜的制备
将锌/锌合金基体打磨,依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗表面的杂质和油污,室温下风干备用,将浓度为0.05‑0.5mol/L的硝酸锌、浓度为0.05‑0.5mol/L的磷酸加入去离子水中,搅拌均匀,调节pH值,制得磷酸锌转化液,再将洗净的锌/锌合金在室温下浸泡于磷酸锌转化液中,静置反应5‑60min后,在医用锌/锌合金表面形成磷酸锌转化膜;
(2)掺杂活性元素的钙磷涂层的制备将无水氯化钙溶于去离子水中,加入含有活性元素的可溶性盐,搅拌至溶解,制备含有生物活性元素的钙盐溶液,再将步骤(1)处理后的锌/锌合金浸入上述钙盐溶液中,在一定温度下水浴处理1‑12h,用去离子水冲洗干净后,室温下风干即得到主要成分为无定形磷酸钙(ACP),且掺杂活性元素的钙磷涂层。
2.如权利要求1所述的一种改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的制备,其特征在于,步骤(1)中所述调节pH值是加碱调节pH至1‑5的范围内。
3.如权利要求1所述的一种改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的制备,其特征在于,步骤(2)中所采用的钙盐溶液中添加的生物活性元素为Si、V、Sr、Cu、Mg中的一种或多种,其可溶性盐为硅酸盐、硝酸盐、盐酸盐或醋酸盐中的一种,氯化钙浓度为0.05‑0.5mol/L,活性元素离子的浓度为0.001‑0.5mol/L。
4.如权利要求1所述的一种改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的制备,其特征在于,步骤(2)中的水浴温度为40‑90℃。
5.如权利要求1所述的一种改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的制备,其特征在于,步骤(1)中,所述锌/锌合金基体打磨是依次用型号为150#、400#、800#、1500#的碳化硅砂纸进行打磨。
6.如权利要求1所述的一种改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的制备,其特征在于,所述掺杂活性元素的钙磷涂层的涂层与基体无不连续界面,涂层与基体之间的结合强度大于50MPa。
7.权利要求1‑6任一项所述制备的改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的应用,适用于锌/锌合金植入物,包括如下医用植入物:骨修复器械、齿科修复器械;
所述骨修复器械为骨组织修复支架、接骨器、固定线、固定螺丝、固定铆钉、固定针、夹骨板、髓内针或接骨套;
所述齿科修复器械为牙髓针或牙齿充填材料。
说明书 :
一种改善医用锌/锌合金表面生物相容性涂层的制备与应用
技术领域
背景技术
料、高分子材料、复合材料及仿生材料等。与其他材料相比,生物医用金属材料具有出色的
力学性能,因此常用作承重和硬组织的替换和修复中。常用的生物医用金属材料如:316L、
317L、304V不锈钢、Co‑Cr‑Mo合金、纯钛、Ti‑6Al‑4V、TiNi合金等。这些材料在人体内不可降
解,生物活性差,且在长期植入的过程中会被腐蚀释放有害离子。因此,具有独特生物可降
解性和生物相容性的可降解金属被认为是“革命性的医用植入材料”,成为生物材料领域的
研究热点之一。
速率十分缓慢,将纯铁支架植入血管中一年后大部分的支架依旧保持完整,这难以满足临
床应用的实际需求。而锌的化学活性介于镁和铁之间,腐蚀性能上满足作为可降解植入物
的要求,因此锌/锌合金成为了理想的替代材料。
有形成良好的结合,导致骨整合延迟。这是因为植入物周围锌离子浓度过高,新骨无法形成
而形成了显微结缔组织。因此,如何调节锌/锌合金植入物的离子释放,避免锌离子浓度过
高产生细胞毒性,是当前锌/锌合金植入物的研究关键。通常可采用合金化、后处理和表面
改性等方法。但添加合金元素难以控制植入物的局部腐蚀,从而无法保证其力学完整性。因
此,表面改性是改善可降解金属性能最简单有效的方法,在增强材料性能的同时还保持材
料的整体性能。在众多表面改性技术中,钙磷涂层是最常用于植入物表面改性的一种方法。
因为其具有良好的生物相容性、无毒、安全,且能传导骨生长,已在临床广泛用于骨缺损的
修复和填充整形骨材料的表面改性中。
沉积法在镁合金表面合成了HA和F‑HA涂层。浸泡实验发现,HA和F‑HA涂层可促进骨状磷灰
石或β‑TCP的形核。但此类电化学方法制备涂层的过程中Ca‑P的快速沉积会导致大量氢气
的逸出,试样表面堆积的氢气气泡可能会分离并损坏Ca‑P涂层,从而导致形成疏松不均匀
的涂层结构。Zhou(Zhiwei Zhou,et al.Surf Interfaces,2020,19:100501)等采用碱热处
理后,使用水热处理制备聚多巴胺诱导的新型羟基磷灰石涂层。研究发现,聚多巴胺涂层诱
导的羟基磷灰石涂层比纯羟基磷灰石涂层更加致密,同时显著促进了成骨细胞的增殖、黏
附和扩散。但是Zn(OH)2是两性氢氧化物,无法对锌/锌合金进行碱热处理,因此无法采用相
同的方法在锌/锌合金上制备羟基磷灰石涂层。
能。仿生沉积法的沉积速率较慢,制备致密的钙磷层需要更长的沉积时间。采用各类方法合
成的纯羟基磷灰石涂层整体性能较差,存在生物反应滞后的问题。
发明内容
先制备磷酸锌转化膜,然后在此基础上水浴沉积掺杂活性元素的钙磷涂层。通过该方法制
备的涂层在锌/锌合金植入材料表面均匀分布,且具有超亲水性,有利于成骨细胞在其表面
附着。该方法适用于各类活性元素的掺杂,通过改变掺杂元素的种类,可以使得材料在特定
条件下早期促成骨性能达到最大化的同时不损害人体细胞。
锌转化液,再将洗净的锌/锌合金在室温下浸泡于磷酸锌转化液中,静置反应后,在医用锌/
锌合金表面形成磷酸锌转化膜
一定温度下水浴处理一定时间,用去离子水冲洗干净后,室温下风干即得到掺杂活性元素
的钙磷涂层。
一种,氯化钙浓度为0.05‑0.5mol/L,活性元素离子的浓度为0.001‑0.5mol/L。
性元素,可进一步改善锌/锌合金植入物的生物相容性并调节离子释放,同时赋予涂层活性
元素独特的生物学特性,可以满足临床需求。
附图说明
具体实施方式
通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以进行若干变形和改进,这些都属于
本发明的保护范围。
其次,通过一次水浴处理工艺,在水浴溶液中添加不同的生物活性元素,制备出具有独特的
生物学特性的钙磷涂层。
丙酮、酒精和去离子水超声清洗10min,去除表面的杂质和油污,室温下风干备用。配置
0.05mol/L硝酸锌、0.2mol/L磷酸浓度的磷酸锌溶液,并使用NaOH将制得的转化液pH调整至
3,将洗净的锌合金在室温下浸泡于磷酸锌转化液中1h后取出用纯水洗净吹干。随后,配置
0.5mol/L氯化钙、0.001mol/L硅酸钠溶液,将预处理后的样品放入溶液中,在90℃恒温水浴
8h后取出并用纯水冲洗后吹干,即得Zn‑Mg合金表面制备的掺硅生物活性钙磷涂层。其表面
微观形貌SEM照片参阅图1,可得到由球状颗粒组成的致密涂层。
锌、0.15mol/L磷酸浓度的磷酸锌溶液,并使用NaOH将制得的转化液pH调整至2.5,将洗净的
锌合金在室温下浸泡于磷酸锌转化液中1h后取出用纯水洗净吹干。随后,配置0.5mol/L氯
化钙、0.005mol/L硝酸锶溶液,将预处理后的样品放入溶液中,在90℃恒温水浴4h后取出并
用纯水冲洗后吹干,即得Zn‑Sr合金表面制备的掺锶生物活性钙磷涂层。
0.25mol/L磷酸浓度的磷酸锌溶液,并使用NaOH将制得的转化液pH调整至2,将洗净的锌合
金在室温下浸泡于磷酸锌转化液中50min后取出用纯水洗净吹干。随后,配置0.4mol/L氯化
钙、0.4mol/L氯化铜溶液,将预处理后的样品放入溶液中,在80℃恒温水浴10h后取出并用
纯水冲洗后吹干,即得Zn‑Li合金表面制备的掺铜生物活性钙磷涂层。
0.15mol/L硝酸锌、0.2mol/L磷酸浓度的磷酸锌溶液,并使用NaOH将制得的转化液pH调整至
3,将洗净的锌合金在室温下浸泡于磷酸锌转化液中60min后取出用纯水洗净吹干。随后,配
置0.10mol/L氯化钙、0.10mol/L硝酸锶、0.10mol/L氯化铜溶液,将预处理后的样品放入溶
液中,在60℃恒温水浴12h后取出并用纯水冲洗后吹干,即得Zn‑Mg‑Ca合金表面制备的锶和
铜共掺杂的生物活性钙磷涂层。
属对照组,表明涂层具有显著的促成骨作用
24孔细胞培养板中,裸金属试样作为阴性对照组,每孔滴加1ml浓度为5×10 /ml的MC3T3‑
E1细胞悬液。随后将细胞培养板置于37℃、5%CO2培养箱中培养,2天后取出培养板,在倒置
相差显微镜下观察活细胞的形态(如图2所示)。结果表明:与阴性对照组相比,细胞数量处
于同一数量级,且形貌呈现为健康伸展的梭形汇聚生长,说明涂层试样具有优异的细胞相
容性。
2H2O 0.06g,MgSO4·7H2O 0.06g,KH2PO4 0.06g溶解于1L去离子水中)中,裸金属作为对照,
浸泡不同时间间隔后取出,收集溶液并观察样品表面。结果表明,涂层样品表面保持完整且
沉积大量的羟基磷灰石矿物,表明涂层能够促进骨矿物质的沉积,从而在体内可以促进骨
修复。使用ICP‑AES测定溶液中的离子浓度,结果表明涂层样品的锌离子释放量保持在较低
水平,说明涂层能够调节合金的腐蚀速率,并降低锌离子的释放速度。
例稀释制成稀释血液样本。将试样浸泡在10mL生理盐水,37±0.5℃保温30min,加入0.2mL
稀释血液样本,37±0.5℃保温60min。采用10mL生理盐水作为阴性对照组,10mL去离子水作
为阳性对照组。经3000rpm离心5分钟,取上清液用Unic‑7200紫外可见分光光度计545nm测
量吸光度OD值,设置三组平行样以进行统计学分析。
去未黏附血小板。固定血小板方法为:每孔加入500μL浓度为2.5%的戊二醛固定液,室温下
固定60分钟,然后将固定液吸出,使用PBS清洗3遍,使用浓度为50%,60%,70%,80%,
90%,95%,100%酒精进行梯度脱水,每个浓度梯度脱水10分钟,真空干燥后使用扫描电子
显微镜(SEM)察血小板黏附数量及形态,每个试样随机选择6个区域进行血小板计数和统计
学分析。
后进行X光观察,micro‑CT观察和组织切片荧光观察,结果表明,植入物发生缓慢降解,术后
两个月仍能保持基本形貌,能够继续提供骨修复所需要的力学支撑力。术后两个月裸金属
对照组很难观察到新生骨组织,而实验组植入体周围观察到大面积的新生骨组织,表明涂
层能够促进骨组织的生成,缩短骨折等创伤修复时间。
响本发明的实质内容。