Ca₃ZrSi₂O₉塗層—鈦合金的骨替換材料及製備方法

2023-07-07 07:12:51 2

專利名稱：Ca3ZrSi2O9塗層—鈦合金的骨替換材料及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種CaJrSi2O9塗層-鈦合金的骨替換材料及製備方法，更確切的說 是在鈦合金基材上，採用CaJrSi2O9陶瓷粉體，以等離子體噴塗方法製備長效穩定的生物活 性塗層，屬於醫用生物陶瓷塗層領域。
背景技術：
採用等離子體噴塗工藝在鈦合金表面沉積的鈦、羥基磷灰石(HA)塗層在臨床 上已得到廣泛應用。鈦塗層與基材結合強度高，通過製備多孔鈦塗層能夠提高金屬植入 體與骨組織的結合。但鈦是生物惰性材料，不具有生物活性，與骨組織不能形成骨性結 合，限制其臨床應用。HA塗層具有良好的生物活性和骨傳導性能，但與鈦合金基材熱膨 脹係數不匹配，結合強度較低；另外，HA的脆性以及在體液中的溶解易導致塗層在生理 環境中磨損並且過早的剝落K. A. Khor. Y. W. Gu，D. Pan, P. Cheang. Microstructure and mechanicalproperties of plasma sprayed HA/YSZ/Ti-6Al-4V composite coatings. Biomaterials,2004 ；25(18) :4009_4017。CaO-SiO2基陶瓷材料具有良好的生物活性和生物相容性，近年來研究較多。此 類材料在體內溶解，釋放的離子對機體無害，可參與體內代謝。在體液中，此種材料還能 夠誘導磷灰石形成，促進缺損組織修復和重建，與自然骨之間能形成骨性結合界面。本實 驗室的研究發現等離子體噴塗矽酸鈣(CaSiO3)、矽酸二鈣(Ca2SiO4)等Ca O-SiO2基塗層 材料生物活性優良，且與鈦合金基體結合強度較高。然而，此類塗層在生理體液侵蝕下降 解較快，影響其長效穩定性；並且降解過程中鈣離子與體液中的氫離子交換引發周圍環 境的P H值升高，抑制細胞生長，進而影響骨組織重建W. Xue，X. Liu, X. Zheng, C. Ding. Invivo evaluation of plas ma-sprayed wollastonite coating. Biomaterials,2005 ； 26(17) :3455-3460 ；C. Wu, Y. Ramaswamy, A. Soeparto, H. Zreiqat. Incorporation of titanium into calcium silicate improved their che micalstability and biological properties. J Biomed Mater Res A, 2008 ；86 (2) :402_410。氧化鋯陶瓷具有優良的機 械性能、生物相容性和化學穩定性，已廣泛應用於骨植入體材料。將氧化鋯引入CaO-SiO2 體系，能夠獲得化學性能穩定的氧化鋯改性矽酸鈣陶瓷材料。Y. Ramaswamy等人研究 了 CaJrSi2O9塊體材料的生物學性能，發現在CaJrSi2O9陶瓷塊體表面，細胞能夠很好的 粘附、增殖和分化Y. Ramaswamy, C. ffu, Α. V. Hummel, V. Combes, G. Grau, H. Zreiqat. The responses of osteoblasts,osteoclastsand endothelial cells to zirconium modified calcium-silicate-basedceramic. Biomaterials, 2008 ；29 :4392-4402目前尚未見利用 等離子體噴塗技術在鈦合金基材上沉積具有生物活性且能長期承受體液侵蝕的CaJrSi2O9 生物醫用塗層的相關報導。

發明內容
基於氧化鋯改性的矽酸鈣陶瓷材料CaJrSi2O9具有生物活性和生物相容性，化學穩定性優異，本發明目的在於提供一種以鈦合金為基材的CaJrSi2O9塗層及製備方法。具 體的說本發明利用等離子體噴塗技術，選用合適的工藝條件，將CaJrSi2O9沉積在鈦合金基 體上，製備出一種具有良好的生物活性，抗生理體液侵蝕，又與鈦合金基體結合強度較高的 承載骨替換材料。本發明的具體工藝過程如下(1)首先合成QiJrSi2O9粉體。將高純度的CaC03、SiO2以及^O2粉體按摩爾比 3:2: 1配料，在水介質中進行球磨混合6-10小時，乾燥後以3-10°C/分鐘的升溫速率 從室溫升至1380-1450°C，保溫5-10小時，爐冷至室溫，研磨過篩後製得CaJrSi2O9粉體，粒 徑為 5-100 μ m。(2)粘結劑造粒。為了改善製得粉體的流動性，提高噴塗效率和質量，利用聚乙烯 醇(PVA)作為粘結劑對粉體進一步造粒。過程如下將過篩粉體與5-10wt%的PVA水溶液 按6 1-9 1(質量比)均勻混合，烘乾後研磨過篩，得到等離子體噴塗用粉。C3)塗層製備。採用大氣等離子體噴塗工藝將造粒後的CaJrSi2O9粉體沉積於已 清洗和噴砂的鈦合金基材上，噴塗參數見表1。表1 噴塗參數
權利要求
1.Ca3ZrSi2O9塗層-鈦合金的骨替換材料，其特徵在於，以鈦及其合金為基材，利用等 離子體噴塗在基材表面沉積CaJrSi2O9塗層。
2.按權利要求1所述CaJrSi2O9塗層-鈦合金的骨替換材料，其特徵在於沉積的塗層 由單斜晶相和玻璃相的CaJrSi2O9組成。
3.按權利要求1所述CaJrSi2O9塗層-鈦合金的骨替換材料，其特徵在於沉積的 Ca3ZrSi2O9 塗層厚度為 50-420 μ m。
4.按權利要求1所述CaJrSi2O9塗層-鈦合金的骨替換材料的製備方法，其特徵在於 製備步驟為(1)高溫固相反應合成Ca3ZrSi2O9粉體；(2)將合成的粉體與5-10wt%的PVA水溶液按6 1-9 1 (質量比)均勻混合，烘乾 後篩取80目到320目之間的粉體，得到等離子體噴塗用粉。(3)採用大氣等離子體噴塗技術，將以上噴塗用粉沉積於經清洗和噴砂的鈦合金基體上。
5.按權利要求4所述的CaJrSi2O9塗層-鈦合金的骨替換材料的製備方法，其特徵 在於Ci^rSi2O9的合成原料為高純度(> 98. 0% )的CaC03、SiO2以及&02，且配料比為 CaCO3 SiO2 ZrO2 = 3 2 1(摩爾比)。在水介質中球磨混合6-10小時，烘乾後以 3-10°C /分鐘升溫至1380-1450°C，保溫5_10小時高溫固相反應合成。
6.按權利要求4所述的CaJrSi2O9塗層-鈦合金的骨替換材料的製備方法，其特徵在 於所述等離子體噴塗技術的工藝參數為等離子體形成氣體為Ar和H2,流量分別為35-45和 8-15標準升/分，噴塗距離為80-140mm，粉末載氣Ar流量為1. 5-3. 5標準升/分，送粉速 率為12-18克/分，電流為550-650A。
全文摘要
本發明涉及一種Ca3ZrSi2O9塗層-鈦合金的骨替換材料及製備方法，其特徵在於以醫用鈦及鈦合金(Ti-6Al-4V等)為基體，在其表面沉積Ca3ZrSi2O9塗層，該塗層由單斜晶系和玻璃相的Ca3ZrSi2O9組成，厚度為50-420μm。其製備方法是先合成Ca3ZrSi2O9粉體，然後用等離子體噴塗工藝在鈦合金基體上沉積Ca3ZrSi2O9塗層。塗層與鈦合金基材的結合強度為25-35MPa。所提供的塗層在模擬體液中能夠誘導類骨磷灰石形成，具有良好的生物活性；在Tris-HCl緩衝溶液中降解緩慢，長效穩定性優異。
文檔編號C23C4/10GK102049065SQ20091019840
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月6日 優先權日2009年11月6日
發明者季珩, 梁瑩, 謝有桃, 鄭學斌, 黃利平 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所