一種氟磷灰石塗層及其製備方法
2023-08-02 08:26:36 1
專利名稱：一種氟磷灰石塗層及其製備方法
技術領域：
本發明屬於材料科學、仿生學和生物醫學 的交叉領域，涉及一種模擬人體內環境， 採用生物礦化法製備的氟磷灰石塗層。
背景技術：
目前，醫學上常用的人體硬組織修復和植入材料多為具有較好的綜合力學性能和 優良的加工性能的金屬材料，如醫用不鏽鋼、鈦及其合金、鈷鉻鉬合金。由於金屬材料在人 體內生物相容性及耐腐蝕性能較差，且腐蝕產生的金屬離子對人體組織器官會產生不良影 響等因素，通常對此類材料進行表面改性或修飾後再進行臨床應用。磷灰石(含羥基磷灰 石(HAP)、氟磷灰石(FAP)和碳酸磷灰石)是脊椎類動物骨和牙齒的主要無機成分，具有優 良的生物活性和生物相容性。採用各種表面改性技術將磷灰石塗覆在植入材料基體表面形 成塗層，能充分結合這兩類材料的優點。人工製備的HAP在體液中有一定溶解度，長期穩定 性不佳。FAP是HAP的OH-被F-完全取代的產物，多存在於牙的無機相中。與HAP相比，由 於F-體積比OH-基團體積小，使得FAP晶體結構更緊密，在人體內的溶解度較小，且耐酸鹼 度更好，故可以替代HAP，作為塗層材料。生物礦化是指在生命體內進行的，以有機大分子， 如蛋白質、DNA、磷脂膜為模板，調控無機相形成並生長的結構過程。採用生物礦化製備磷灰 石塗層，在與人體組織內環境相近的條件下，生成的磷灰石成分更接近人體的骨無機質，具 有高的生物相容性和骨結合能力；而且反應進行的溫和環境，為共沉積蛋白質等生物大分 子提供了條件。
發明內容
本發明的目的在於提供一種生物相容性和生物活性優異，在體內長期穩定存在， 且與基體結合牢固的、在臨床醫學上獲得實際應用的塗層材料一氟磷灰石塗層，其有效 克服了現有植入材料的不足。本發明所述氟磷灰石塗層的製備過程是，首先要配製生物礦化所需凝膠，凝膠分 為兩層，分別為離子包覆凝膠和屏蔽層凝膠；然後對上述生物礦化凝膠進行氟磷灰石塗層 的仿生製備。具體的，本發明所述氟磷灰石塗層由以下方法製得1)向蒸餾水中按酸鹼體積比3 2加入2mol/l的AcOH和2mol/l的NaOH ；按磷 和氟的原子摩爾比為3 1的量分別稱量NaF和Na2HPO4 · 12H20,先後溶解於上述溶液中， 然後按丙三醇與上述H20+Ac0H+Na0H的質量比為40-50%的量加入體積分數為85%的丙三 醇，攪拌均勻後，按明膠與上述丙三醇+H20+Ac0H+Na0H的質量比為10-25%的量加入明膠， 待其吸水膨脹軟化後，水浴加熱到60°C，攪拌至完全溶解，冷卻至室溫，製得包覆HPO4-和 F—的離子凝膠；2)取與步驟1)中所述蒸餾水+AcOH+NaOH體積量相等的蒸餾水，加入與步驟1)中 相等量的體積分數為85%的丙三醇，攪拌均勻後，加入與步驟1)中相等量的明膠，待其吸水膨脹軟化後，水浴加熱到60°C，攪拌至完全溶解，冷卻至室溫，製得屏蔽層凝膠；3)先將設定體積的基片置於聚四氟乙烯管中，然後將步驟1)所得的凝膠塗覆在 基片上，凝膠厚度設為2-3mm ；待上述凝膠冷卻後，再將步驟2)所得屏蔽層凝膠塗覆在基片 上，凝膠厚度設為2-3mm，放置至完全冷卻凝固；4)配製0. 3125-0. 625mol/l的中性無水氯化鈣溶液，加入步驟3)所述的聚四氟乙 烯管中，浸泡塗覆凝膠的基片0. 5-lh，然後倒掉無水氯化鈣溶液； 5)將步驟3)和4)所述反應體系置於37°C的水浴中，反應24h後重複步驟4) 一 次；反應48h後，取出基片，去除基片上的殘餘凝膠；6)以上述步驟3)、4)和5)為一個循環，如此反覆進行設定次數的循環，塗層的厚 度隨著循環次數的增加而增加，再經過自然乾燥，即獲得設定厚度的氟磷灰石塗層。其中步驟3)所述的基片優選燒結羥基磷灰石基片、牙齒切片或鈦及其合金薄片。步驟4)所述中性無水氯化鈣溶液的濃度優選0. 3125mol/l。本發明所述氟磷灰石塗層及其製備中，採用生物礦化方法，模擬人體內磷灰石形 成條件，明膠水解後的多肽為氟磷灰石提供形核位點，並控制氟磷灰石的晶體生長。塗層的 厚度隨著反應時間的延長而增加，製備的塗層中殘存有少量明膠或其水解產物，直接或者 經低溫燒結處理後植入體內，明膠經分解或者燒結後留下的孔隙可為骨生長提供空間，具 有較高的生物活性、生物相容性及骨結合能力，有效克服了現有植入材料的不足。
具體實施例方式實施例11)向 7. 3ml 的蒸溜水中加入 2. 7ml 的 Ac0H(2mol/l)禾口 1. 8ml 的 Na0H(2mol/l) 溶液，稱量0. 0525g NaF和1. 3425g Na2HPO4 · 12H20粉末，先後溶解於上述溶液，然後加入 8. 2g體積分數為85%的丙三醇，攪拌均勻後，加入2. 25g的明膠，待吸水膨脹軟化後，水浴 加熱到60°C，完全溶解並攪拌均勻，冷卻至室溫製得離子包覆凝膠；2)向11.8ml的蒸餾水中，加入8. 2g體積分數為85%的丙三醇，攪拌均勻後，加入 2. 25g的明膠，待吸水膨脹軟化後，水浴加熱到60°C，完全溶解並攪拌均勻，冷卻至室溫制 得屏蔽層凝膠；3)將步驟1)和2)所得的凝膠先後塗覆在聚四氟乙烯管中的燒結HAP基片上，厚 度均為2-3mm ；4)將反應體系置於溫度為37 °C的水浴中，向聚四氟乙烯管中加入IOml的 0. 3125mol/l的中性無水氯化鈣溶液，浸泡0. 5h後，將溶液倒掉；5)反應體系始終置於37°C的水浴中，每隔24h重複用中性無水氯化鈣溶液浸泡一 次，反應48h後，取出基片，去除基片上的殘餘凝膠；6)以上述步驟3)、4)和5)為一個循環，如此反覆進行18個循環，獲得一定厚度的
氟磷灰石塗層。經測定，獲得氟磷灰石塗層平均厚度為45 μ m，與基體結合緊密，納米壓痕硬度測 試顯示，仿生法所製備塗層的硬度接近牙本質的硬度。實施例2
1)向 7. 3ml 的蒸餾水中加入 2. 7ml 的 Ac0H(2mol/l)和 1. 8ml 的 Na0H(2mol/l)溶 液，稱量0. 0525g NaF和1. 3425g Na2HPO4 ·12Η20粉末，先後溶解於上述溶液，然後加入8. 2g 體積分數為85%的丙三醇，攪拌均勻後，加入2. 5g的明膠，待吸水膨脹軟化後，水浴加熱到 600C，完全溶解並攪拌均勻，冷卻至室溫製得離子包覆凝膠；2)向11. 8ml的蒸餾水中，加入8. 2g體積分數為85%的丙三醇，攪拌均勻後，加入 2. 5g的明膠，待吸水膨脹軟化後，水浴加熱到60°C，完全溶解並攪拌均勻，冷卻至室溫製得 屏蔽層凝膠；3)將步驟1)和2)所得的凝膠先後塗覆在聚四氟乙烯管中的燒結HAP基片上，厚度均為2-3mm ；4)將反應體系置於溫度為37 °C的水浴中，向聚四氟乙烯管中加入IOml的 0. 3125mol/l的中性無水氯化鈣溶液，浸泡Ih後，將溶液倒掉；5)反應體系始終置於37°C的水浴中，每隔24h重複用中性無水氯化鈣溶液浸泡一 次，塗覆在基片上的兩層凝膠每隔48h去除一次；6)以上述步驟3)、4)和5)為一個循環，如此反覆進行3個循環，獲得一定厚度的 氟磷灰石塗層。7)所得氟磷灰石塗層經800°C熱處理30min。經測定，獲得氟磷灰石塗層平均厚度為4 μ m,與基體結合緊密，800°C熱處理的塗 層出現均勻的孔隙結構。實施例31)向36. 5ml蒸餾水中按酸鹼體積比3 2加入2mol/l的AcOH和2mol/l的NaOH ； 按磷和氟的原子摩爾比為3 1的量分別稱量NaF和Na2HPO4 ·12Η20，先後溶解於上述溶液 中，然後按丙三醇與上述H20+Ac0H+Na0H的質量比為45%的量加入體積分數為85%的丙三 醇，攪拌均勻後，按明膠與上述丙三醇+H20+Ac0H+Na0H的質量比為20%的量加入明膠，待其 吸水膨脹軟化後，水浴加熱到60°C，攪拌至完全溶解，冷卻至室溫，製得包覆HPO4-和F—的離 子凝膠；2)取與步驟1)中所述蒸餾水+AcOH+NaOH體積量相等的蒸餾水，加入與步驟1)中 相等量的體積分數為85%的丙三醇，攪拌均勻後，加入與步驟1)中相等量的明膠，待其吸 水膨脹軟化後，水浴加熱到60°C，攪拌至完全溶解，冷卻至室溫，製得屏蔽層凝膠；3)先將設定體積的牙齒切片或鈦薄片置於聚四氟乙烯管中，然後將步驟1)所得 的凝膠塗覆在基片上，凝膠厚度設為2-3mm ；待上述凝膠冷卻後，再將步驟2)所得屏蔽層凝 膠塗覆在基片上，凝膠厚度設為2-3mm，放置至完全冷卻凝固；4)配製0. 625mol/l的中性無水氯化鈣溶液，加入步驟3)所述的聚四氟乙烯管中， 浸泡塗覆凝膠的基片lh，然後倒掉無水氯化鈣溶液；5)將步驟3)和4)所述反應體系置於37°C的水浴中，反應24h後重複步驟4) 一 次；反應48h後，取出基片，去除基片上的殘餘凝膠；6)以上述步驟3)、4)和5)為一個循環，如此反覆進行10個循環，再經過自然幹 燥，即獲得設定厚度的氟磷灰石塗層。
權利要求
一種氟磷灰石塗層，其特徵在於由以下方法製得1)向蒸餾水中按酸鹼體積比3∶2加入2mol/l的AcOH和2mol/l的NaOH；按磷和氟的原子摩爾比為3∶1的量分別稱量NaF和Na2HPO4·12H2O，先後溶解於上述溶液中，然後按丙三醇與上述H2O+AcOH+NaOH的質量比為40-50％的量加入體積分數為85％的丙三醇，攪拌均勻後，按明膠與上述丙三醇+H2O+AcOH+NaOH的質量比為10-25％的量加入明膠，待其吸水膨脹軟化後，水浴加熱到60℃，攪拌至完全溶解，冷卻至室溫，製得包覆HPO4-和F-的離子凝膠；2)取與步驟1)中所述蒸餾水+AcOH+NaOH體積量相等的蒸餾水，加入與步驟1)中相等量的體積分數為85％的丙三醇，攪拌均勻後，加入與步驟1)中相等量的明膠，待其吸水膨脹軟化後，水浴加熱到60℃，攪拌至完全溶解，冷卻至室溫，製得屏蔽層凝膠；3)先將設定體積的基片置於聚四氟乙烯管中，然後將步驟1)所得的凝膠塗覆在基片上，凝膠厚度設為2-3mm；待上述凝膠冷卻後，再將步驟2)所得屏蔽層凝膠塗覆在基片上，凝膠厚度設為2-3mm，放置至完全冷卻凝固；4)配製0.3125-0.625mol/l的中性無水氯化鈣溶液，加入步驟3)所述的聚四氟乙烯管中，浸泡塗覆凝膠的基片0.5-1h，然後倒掉無水氯化鈣溶液；5)將步驟3)和4)所述反應體系置於37℃的水浴中，反應24h後重複步驟4)一次；反應48h後，取出基片，去除基片上的殘餘凝膠；6)以上述步驟3)、4)和5)為一個循環，如此反覆進行設定次數的循環，塗層的厚度隨著循環次數的增加而增加，再經過自然乾燥，即獲得設定厚度的氟磷灰石塗層。
2.如權利要求1所述的氟磷灰石塗層，其特徵在於步驟3)所述的基片是燒結羥基磷 灰石基片、牙齒切片或鈦及其合金薄片。
3.如權利要求1所述的氟磷灰石塗層，其特徵在於步驟4)所述中性無水氯化鈣溶液 的濃度為0. 3125mol/l。
全文摘要
本發明公開了一種氟磷灰石塗層，經離子包覆凝膠的配製、屏蔽層凝膠的配製以及生物礦化過程製得。本發明的氟磷灰石塗層具有較高的生物活性、生物相容性及骨結合能力，有效克服了現有植入材料的不足。
文檔編號A61L27/32GK101856511SQ20101019043
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月3日 優先權日2010年6月3日
發明者孫康寧, 徐欣, 梁延傑, 王洪友 申請人:山東大學