一種鎂合金表面生物活化溶液及其應用的製作方法

2023-09-19 13:58:10

專利名稱：一種鎂合金表面生物活化溶液及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在f鈴金表面形成生物活性塗層的生物活化溶艦其應用，
該塗層有利於細胞粘附、生長，減少SA初期的不良反應並iSS早期骨癒合。此 外，該塗層在一定禾號上會,高齢金基體的耐腐蝕性能。本發明特別適用於 齢錄植入體的表面生物活化處理。
背景技術：
不,辯ra、 Co-Cr合金、鈦及鈦合金以其優良的力學性能、生物相容性和耐腐 蝕性能己廣泛應用於骨科治療。但是由於它們的力學性能特別是彈性模量和骨組 織不匹配，在使用過程中產生"應力屏蔽"，從而導致植入物周圍的骨組織出現萎 縮或疏鬆1#。並且在骨組織癒合後需要二次手術將其取出，增加了患者的痛苦 和經濟負擔。生物醫用可,軍高肝材料如PLLA已用於臨床，但是由於其彈性 模量較小(約為3-5GPa)，只會調於不7承力的部位，因而限制了其廣泛應用。
,其合金具有與骨組織接近的彈性模量，而且具有較大的抗拉強度，並且 在生理環境下能夠腐蝕^l率，因此作為骨植入材料其既可以有效地 不鏽鋼或 鈦合金等IIA材料造成盼'應力屏蔽"效應，又可以彌補可降解高肝材料的不足， 用於承力部位。儘管己有的關於,其合金作為生物材料的研究表明其具有良好 的生物相容性，但是由於其在人體環境發生腐蝕的過程中伴隨有OH"的釋放(特別 是植入的初期)導致植入物周圍呈鹼性，從而破壞了周圍的生理平衡。當局部pH 超過7.8時，甚至會產生嚴重盼'鹼中毒"，^X寸細胞在植入物表面的粘附、生長 和骨組織癒合是極為不利的。因此，減緩植入初期OH"的釋放，f腿細胞在植入 物表面的粘附、生長，從而加快早期治癒速度，對生物可降解鎂合金的應用具有 重要意義。
採用表面改性方法是解決這一問題的有效方法之一。有報導採用等離子純Ti 鍍層提高鎂合金的耐蝕性能。香港城市大學的P.K.Chu表面A1203 /Al塗層、ZrCVZr 鍍層提高了鎂合金的耐蝕性能。重慶大學高家誠教授採用鹼-熱處理及熱-有機塗層有效i也提高了純鎂的耐蝕性能和生物相容性。鄭州大學的關少康教麟用電化
學方法在g金表面製備羥WI酸韓塗層提高fl^金表面的生物相容性。上述研
究在一定禾號上控制了控制li^金的降解速度，解決了fl^金的溶血問題。但是
部分方法為了提高傲金的耐蝕性能，甚至完全抑制了齢金的,率，喪失了其
作為可降解材料的優勢和生物活性。由於f鈴金作為可降解ttA材料^頓，因而
要發展無毒、可生物降解並且具有^(子生物相容性的表面改性層。

發明內容
本發明的目的在於提供一種在#^金的表面製備一層生物活性塗層的生物活 化溶 其應用，該塗層具有良好的細胞相容性，並在一定驗上能提高齢金 基體的耐腐蝕性，從而提高醫用可降解齢金的表面生物活性。
本發明的技術方案是
一種餘金表面生物活化溶液，溶液的化學組成為
H3P04:5.0-14g/L，CaH2PO4: 5.4-10.2g/L，ZnH2PO4:0.8-3.8 g/L，NaN03:1-3 g/L， NaN02:2-6g/L，其餘為水。
所述的鎂合金表面生物活化溶液，溶液中鈣離子與鋅離子的摩爾比，即 Ca/Zn>1.50。
本發明鎂合金表面生物活化溶液的應用，是4OT鎂合金表面生物活化溶液，
在齢金表面形成生物活性塗層，分為表面預處理和化學處理，包括以下步驟:
1、 合^f頁處理將待處理齢爐行打磨，除去異物。
2、 脫脂將鎂合金放入65。C的質量百分比濃度為6-10%的氫氧化鈉溶液中 脫脂10-20餘
3、 活化室溫下，將鎂合金方1A質量百分比濃度為1%"5%的磷酸溶液中， 活化5秒鐘-3分鐘。其中，磷酸溶液的體積與待活化鎂合金的表面積比為不小
於100mL/cm2。
4、 配置化學處理液取適量蒸餾水，按照5.0-14g/L的量加入H3P04，攪拌 均勻。然後，分別按照5.4-l(X2g/L的CaH2P04和0.8-3.8 g/L的ZnH2P04依次加 入，進行攪拌直至完全溶解。再按照1-3 g/L和2-6 g/L分別加入NaN03和NaN02 並攪拌均勻。加入適量的NaOH或磷酸將溶液的pH調製2-6。
5、 將按照步驟4配置的溶液加熱至40-6(TC，然後將活化後的鎂合金樣品浸 沒其中，處理3-50分鐘。之後取出樣品用蒸餾水清洗並吹乾，獲得的鎂合金表面
4生物活性塗層厚度為3pm-50jxm。塗層的化學成分以含f5磷酸鹽為主，並含有少 量含Zn的磷酸鹽或含Zn、 Mg的磷 。
本發明li^金表面生物活化溶液的設計思想如下
溶液中含有較大量CaH2P04是為了iKl7K解反應在鎂合金表面沉積難溶的磷 酸轉鹽，因為各種磷^l丐鹽都具有良好的生物相容性。溶液中引入少量ZnH2P04 的主要目的是為了在反應層中引入Zn離子，因為Zn在提高細胞活性、創傷修復 及骨折愈^1程中具有重要作用。具體原理^1過水解反應在^金表面沉積含 有Zn的磷酸鹽，或者與CaH2P04水解生成的Ca2+和齢^f華放出的Mg2+結合， 在鎂合金基體表面沉積含有或含Zn、 Ca、 Mg的磷酸鹽，從而達到引入Zn離子 的目的。正交微結果證實Ca/Zn摩爾比過低(<1.50)時，不能形成以銬磷 為主的反應層。H3P04主要用來控制磷化液中磷酸二氫鹽的離解度及溶液酸度， NaN03、 NaN02能夠加速反應進行o
本發明的有益效果是
1 、使用本方法處理後的合金表面可獲得一層以Ca-P鹽為主並含有少量Mg、 Zn的反應層，該反應層具有良好的生物相容性，利於細胞黏附、生長和分化，有 利於減少植入初期的不良反應，加速骨癒合。
2、本發明生物活化溶液可以應用於醫用g金的表面生物活化處理，特別適 用於^金骨IIA體表面的生物活化。
3 、本發明g金表面生物活化溶液的應用，是使用g金表面生物活化溶液， 在牽I^金表面形成生物活性塗層，分為表面預處理和化學處理。預處理的目的 ^H^金表面進行脫脂和活化處理，再經過化學處理後，進而在^金表面形 成一層含有Ca、 P磷酸鹽及少量Mg， Zn的反應層。該層有利於細胞黏附，生長， 並在一定程度上減緩鎂合金基體的腐蝕。


圖l經本方法處理後合金表面的XPS分析。
圖2 L929細胞在經本方法處理後鎂合金表面i咅養1天後的表面形貌。 圖3 L929細胞在未處理的鎂合金合金表面培養1天後的表面形貌。 圖4經本方法處理後的鎂合金與裸鎂合金在0.9%wMaCl溶液中的電化學 極化曲線。
圖5實施例2經本方法處理後合金表面的掃描電鏡圖。圖6實施例2經本方法處理後合金表面的能譜分析圖(圖5中位置1處的 EDS分析)。
圖7實施例2經本方法處理後合金表面的慰普分析圖(圖5中位置2處的 EDS分析)。 具體實駄式
M:下述實施例可以更好i也理解本發明，但這些實例並不用來限制本發明。 實施例i
所用^金為Mg-Mn-Zn，合金牌號為MZll。
1、 將經常規打磨、脫脂後的合金樣品，在質量百分比濃度為2%的113 04溶 液中活化5秒，本實施例磷酸溶液的體積與待活化鎂合金的表面積比為110 mL/cm2，用蒸水衝洗並吹乾待用。
2、 取適量蒸餾水，按照下列成分用量:H3P04 7g/L， CaH2P047.47g/L， ZnH2P04 1.60g/L， NaN03 2g/L， NaN023g/L配製溶液，本實施例溶液中鈣離子與鋅離子 的摩爾比約為6: 1，並調節pH至4.0。
3、 將配製好的處理液加熱至60°C，然後將活化後的合金樣品放入處理也中 浸泡5分鐘，取出後用蒸餾水清洗並吹乾，獲得的鎂合金表面生物活性塗層厚度 約為5nm。
4、 將按上述方法處理後的樣品表面進行XPS分析，其結果如附圖1所示。 由XPS分析可知該處理層主要由含Ca的磷酸鹽，少量Mg的磷酸鹽、和微量Zn 的磷酸鹽組成。本實施例中，Ca、 Mg、 Zn的原子比為Ca: Mg: Zn-10: 7: 1。
5、 在按，方法處理後的樣品表面Jtit行體外細胞培養試樣，並與未處理的 樣品做對比，其結果如附圖2、 3所示。由圖可知，經本方法處理後的合金，表面 細胞數量、狀態均明顯優於未處理的合金。
實施例2
與實施例1不同之處在於
所用鎂合金為Mg-Mn-Zn，合金牌號為MZll。
1、 將經打磨、脫脂後的合金樣品，在質量百分比濃度為2。/。的H3P04溶液中 活化5秒，本實施例磷酸溶液的體積與待活化鎂合金的表面積比為120mL/cm2， 用蒸水衝洗並吹乾待用。
2、 取適量蒸餾水，按照下列成分H3P04 8g/L， CaH2PO48.00g/L， ZnH2P041.02g/L， NaN03 2g/L， NaN02 3g/L配製溶液，本實施例溶液中鈣離子與鋅離子 的摩爾比為10: 1，並調節pH至3.5。
3、 將配帝附的處理液加熱至50°C，然後將活化後的合金樣品放入處理也中 浸泡20射中，取出後用蒸餾水清洗並吹乾，獲得的^金表面生物活性塗層厚度 約為20pm。
4、 將按上述方法處理的合金在0.9%wt的NaCl溶液中進行電化學極化曲線 測試，並與未處理的合M行對比，其結果如附圖4所示。由圖4可知，經本方 法處理合金比未處理的合金顯示出較好的耐腐蝕性能。
如圖5所示，掃描電鏡分析可以看出，本實施侈啲反應層由大量片狀結晶和 少量小球狀結晶構成。圖6、圖7分別為片狀結晶和小球狀結晶的EDS分析結果。 其中，片狀結晶主要由0、P和Ca三種元素組成；小球狀結晶主要由0，N4P,Ca 和Zn組成，Na元素的存在是由於樣品從處理液中取出時殘留在樣品表面的，其 中Ca、 Zn的原子比為1: 6。
權利要求
1、一種鎂合金表面生物活化溶液，其特徵在於，溶液的化學組成為H3PO45.0-14g/L，CaH2PO45.4-10.2g/L，ZnH2PO40.8-3.8g/L，NaNO31-3g/L，NaNO22-6g/L。
2、 按照權利要求書1所述的鎂合金表面生物活化溶液，其特徵在於溶液中鈣離子與鋅離子的摩爾比，即Ca/Zn〉1.50。
3、 按照權利要求書1所述的鎂合金表面生物活化溶液的應用，其特徵在於，^OT鎂合金表面生物活化溶液，在鎂合金表面形成生物活性塗層，分為表面預 處理和化學處理；其中，表面預處理是將鎂合金放入質量百分比濃度為1%-5%的磷酸溶液，活化5秒 鍾-3分鐘；化學處理是將表面預處理後的鎂合^i式樣置於鎂合金表面生物活化溶液中， 溶液的^it為40-6(TC，酸鹼度為pH2-6，處理時間為3-50分鐘。
4、 按照權利要求書3所述的鎂合金表面生物活化溶液的應用，其特徵在於， 表面預處理時，磷酸溶液的體積與待活化鎂合金的表面積比為不小於100 mL/cm2。
全文摘要
本發明涉及一種在鎂合金表面形成生物活性塗層的生物活化溶液及其應用，該溶液的化學組成為，H3PO45.0-14g/l，CaH2PO45.4-10.2g/l，ZnH2PO40.8-3.8g/l，NaNO31-3g/l，NaNO22-6g/l。使用鎂合金表面生物活化溶液，在鎂合金表面形成生物活性塗層，主要分為表面預處理和化學處理。預處理的目的是對鎂合金表面進行脫脂和活化處理。將經過預處理的鎂合金在上述溶液中進行化學處理，溶液溫度在40-60℃，處理時間為3-50分鐘，溶液的酸鹼度為2-6。經過上述處理，進而在鎂合金表面形成一層含有Ca、P磷酸鹽及少量Mg，Zn的反應層。該層有利於細胞黏附，生長，並在一定程度上減緩鎂合金基體的腐蝕。本發明的化學方法適合於鎂合金骨植入體的表面生物活化處理。
文檔編號A61L27/32GK101642585SQ20081001265
公開日2010年2月10日 申請日期2008年8月6日 優先權日2008年8月6日
發明者張二林, 徐麗萍, 柯 楊 申請人:中國科學院金屬研究所