專利名稱：納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過電化學沉積在醫(yī)用金屬表面可控制備納米有序結構鈣磷化合物(CaP)/膠原復合涂層的新方法。
背景技術：
自然骨是由無機成分和有機成分巧妙地結合在一起的多級復雜系統(tǒng)，它基本是由鈣磷鹽與膠原纖維構建的。這兩種基本成分有著極其不同的機械性能鈣磷礦物硬而脆，膠原則柔軟而堅韌。自然骨中二組份相互結合，具有優(yōu)異的力學性能(P.Fratzl，H.S.Gupta，E.P.Paschalis etal..J.Mater.Chem.，2004，142115)。傳統(tǒng)的骨替代材料，如金屬、陶瓷、醫(yī)用高分子常常用來恢復骨的部分功能。當單一使用醫(yī)用金屬材料、生物陶瓷材料時，可能存在不同的缺點和不足。如金屬材料的生物相容性和生物活性較差，陶瓷材料力學性能難以滿足要求，從而使傳統(tǒng)材料難以滿足人體生理環(huán)境的使用條件。為了得到新一代性能優(yōu)異的骨替代材料，人們模擬骨骼的結構與成分，將不同的單一材料復合，把材料各自的優(yōu)點集于一體。近年來，由于膠原、鈣磷陶瓷與自然骨成分類似，將二者復合具有極其優(yōu)異的性能，人們對于膠原與鈣磷陶瓷復合物的研究具有極大的興趣。有研究者采用pH控制同時滴定法(Yung chui Chang，T.Ikoma，M.Kikuchi et al..J.Materials Science Letters，2001，201199；W.Zhang，S.S.Liao，F(xiàn).Z.Cui.J.Chem.Mater.2003，153221)或生物模擬的方法(X.Lin et al..J.Materials Letters，2004，583569；M.Kikuchi et al.J.Science and Technology，2004，64819)體相合成了膠原與鈣磷礦物的復合材料。在眾多的制備方法中，電化學沉積法是一種極具潛力的制備骨替代材料的方法。它的制備條件溫和，并且是一種原位合成方法，近年來的研究表明，該方法在制備有機與無機復合型生物涂層材料上具有不可比擬的優(yōu)勢(M.Kikuchi et al.J.Science and Technology，2004，64819；X.Cheng et al..J.Biomaterials，2004，255395-5403；H.Schliephake，D.Schamweber et al..J.Biomedical Materials Research.2003，64A225；Yuwei Fan，Ke Duan，Rizhi Wang.J.Biomaterials.2005，261623)。眾所周知，自然骨中羥基磷灰石的c軸(長軸)方向沿膠原纖維的延伸方向擇優(yōu)排列(P.Fratzl，H.S.Gupta，E.P.Paschalis et al..J.Mater.Chem.，2004，142115；M.Kikuchi，Toshiyuki Ikoma，Soichiro Itoh et al..Composites Science and Technology.2004，64819.)。而通過電化學沉積得到的鈣磷鹽晶粒的c軸一般在電極表面是沿沉積面的法線方向外延生長的。通過改變電化學沉積法的工藝條件，能方便地控制涂層厚度和表面形貌等涂層性質，從而使復合生物涂層的制備過程可控性顯著提高。通過在電解液中摻入膠原，控制一定的沉積模式、沉積溫度等條件，可在醫(yī)用金屬表面共沉積得到膠原與鈣磷鹽的復合膜層。膠原的加入可直接參與沉積過程，或影響沉積層的生長，并且顯著提高材料的生物活性以及涂層與基底的結合力。通過電化學方法制備的該種具有生物活性表面的替代材料可望加速骨骼的生長與植入材料在體內的固定，縮短患者的治療周期。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種可在溫和條件下，具有類骨結構和均一化學性質的生物材料，可大幅度提高材料的生物相容性和生物活性，并可實現(xiàn)臨床應用的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法。
本發(fā)明的步驟為1)將基底表面預處理，所說的基底為鈦及其合金；2)對基底進行陰極電化學沉積，沉積溶液為在5～30ml含0.042mol/L[Ca2+]和0.025mol/L[PO43-]的鈣磷鹽溶液中加入0～10ml 1mg/ml的膠原分散液，電解液pH＝3～6，電流密度為0.1～1.0mA/cm2，溫度為60～70℃，時間為10～30min，即在基底表面獲得納米有序磷酸八鈣/膠原復合涂層。
在步驟1)中，所說的表面預處理可對基底表面機械打磨，在10％HNO3+1％HF中處理并清洗干凈。所說的鈦合金為Ti6Al4V。
在步驟2)中，沉積溶液采用Ca(NO3)2·4H2O和NH4H2PO4配置；所說的膠原分散液可采用I型膠原蛋白(購于sigma公司)分散在0.01mol/L醋酸溶液中，冰水浴中操作。
本發(fā)明通過電化學定向沉積在醫(yī)用金屬表面構筑與自然骨結構成分相似的納米有序鈣磷陶瓷/膠原復合涂層，磷酸八鈣/膠原復合涂層材料是一種具有類骨結構和均一化學性質的生物材料。
本發(fā)明通過系統(tǒng)考察一系列電化學沉積參數(shù)對鈣磷陶瓷與膠原復合涂層沉積行為的影響，找到制備納米有序磷酸八鈣/膠原復合涂層的方法。磷酸八鈣晶粒尺寸由于膠原的影響可控制在納米尺度，磷酸八鈣與膠原形成微觀形貌為微孔狀的具有二級結構的納米有序復合涂層。運用電沉積方法實現(xiàn)了鈣磷陶瓷/膠原復合膜層的表面構筑，首次制得具有特殊表面形貌的納米有序磷酸八鈣/膠原復合涂層。本發(fā)明為納米有序復合人工骨材料的研制提供了重要基礎。


圖1為電化學沉積涂層不同放大倍數(shù)的SEM圖像。其中圖a、b是電解液中沒有加入膠原而得到的OCP涂層的表面形貌(圖a為1000倍，圖b為5000倍)圖c、d、e是電解液中加入膠原得到的OCP/膠原復合涂層的表面形貌(圖c為1000倍，圖d為5000倍，圖e為50000倍)。二者比較可以觀察到，當沒有膠原加入時，得到的多孔鈣磷鹽涂層，其孔洞尺寸大約為十幾微米，涂層的基本構造單元為寬幾百納米的長帶狀晶體。當電解液中加入膠原時，得到的多孔鈣磷鹽/膠原復合沉積層表面形貌發(fā)生了有趣的變化，孔洞尺寸減小到幾微米，OCP晶體呈細絲狀，寬度大約只有幾十納米。并且細絲狀的晶體會平行成束，束狀物再構建多孔結構。該復合沉積層具有較大的反應表面積和微晶結構，有利于作為植入材料與人體組織形成大面積的骨結合界面和強的化學作用。
圖2為鈣磷鹽/膠原復合涂層的EDS譜圖。其元素分析見表1。在圖2中，橫坐標為x射線能量。根據(jù)電化學沉積涂層的EDS譜可知涂覆層主要由鈣磷鹽組成，鈣磷比約為1.37～1.46，高于磷酸八鈣的鈣磷比理論值(1.33)。C元素則來源于膠原蛋白以及CO2。
表1.

圖3為電化學沉積涂層以及涂層刮下后粉末的XRD譜圖比較。在圖3中，橫坐標為2Theta(deg)。由圖3中OCP/膠原復合涂層XRD譜圖(曲線b)與磷酸八鈣標準譜圖(曲線a)比較可知在一定電化學制備條件下得到的鈣磷鹽/膠原復合沉積層中鈣磷鹽主要為磷酸八鈣(OCP)的形式。OCP/膠原復合涂層粉末(曲線b)與OCP涂層粉末(曲線c)的XRD譜圖比較峰位基本一致，但OCP/膠原復合涂層粉末的(010)衍射峰明顯減弱，其他晶面除(002)的衍射峰都有一定的寬化。這可能是由于OCP/膠原復合涂層中晶粒尺寸減小到納米級所引起的。在電極上的OCP涂層(曲線d)和OCP/膠原復合涂層(曲線e)都在(002)晶面上具有一定的擇優(yōu)取向，并且OCP/膠原復合涂層在(002)晶面的擇優(yōu)強度更明顯。
圖4為不同涂層與基準物質的傅立葉變換紅外譜圖。在圖4中，橫坐標為波數(shù)Wavenumber(cm-1)，縱坐標為透過率(％)。OCP/膠原復合涂層(線b)與OCP涂層(線a)、膠原與OCP機械混合物(線c)、純膠原(線d)的譜峰相比較，各譜峰具體歸屬列于表2。OCP/膠原復合涂層與膠原與OCP機械混合物的譜峰基本一致，復合涂層中鈣磷鹽在1103、1070、1024cm-1出現(xiàn)P-O伸縮振動峰，在916、861cm-1出現(xiàn)HPO4中P-(OH)伸縮振動峰，在602、561cm-1出現(xiàn)P-O彎曲振動峰，這是磷酸八鈣的特征吸收峰。這些吸收峰都與OCP涂層的譜峰相一致。膠原的FTIR譜圖有幾個特征吸收峰3306cm-1(amide A)，3064cm-1(amide B)，1655cm-1(amide I)，1541cm-1(amide II)，1242cm-1(amide III)。OCP/膠原復合涂層在1652cm-1出現(xiàn)C＝O伸縮振動峰(amide I，與H2O在1639的吸收峰有交疊)，在1540cm-1出現(xiàn)N-H變性振動峰(amide II)。由FTIR結果可知涂層確為膠原蛋白與磷酸八鈣礦物的復合物。
表2.

具體實施方式
以下實施例將結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例1基底材料采用15mm×20mm×2mm純鈦板。鈦板表而經(jīng)砂紙打磨后，依次在丙酮、乙醇和三次水中超聲清洗10min，并在10％HNO3+1％HF中預處理60s，取出后用三次水沖洗，涼干待用。電解液中含有0.042mol/LCa(NO3)2和0.025mol/LNH4H2PO4。電解液pH＝4.2，控制電流密度為0.5mA/cm2，進行陰極電化學沉積。控制溫度為65±5℃，沉積時間為20min，在鈦表面獲得微孔狀納米有序磷酸八鈣沉積層。參見圖1a，b和表3。
實施例2基底材料采用15mm×20mm×2mm純鈦板。鈦板表面經(jīng)砂紙打磨后，依次在丙酮、乙醇和三次水中超聲清洗10min，并在10％HNO3+1％HF中預處理60s，取出后用三次水沖洗，涼干待用。電解液是將10ml1mg/ml的膠原分散液加入到20ml含有0.042mol/LCa(NO3)2和0.025mol/LNH4H2PO4的鈣磷鹽溶液(冰水浴中操作)。1mg/ml的膠原分散液是將適量膠原分散在0.01mol/L的醋酸溶液中(冰水浴中操作)。用0.05mol/L的NaOH調節(jié)電解液pH＝4.2，控制一定的電流密度為0.5mA/cm2，進行陰極電化學沉積?？刂茰囟葹?5±2℃，沉積時間為20min，在鈦表面獲得微孔狀納米有序CaP/膠原復合沉積層。參見圖1c，d，e和表3。
表3

實施例3與實施例2類似，其區(qū)別在于基底材料采用鈦合金Ti6Al4V。用0.05mol/L的NaOH調節(jié)電解液pH＝3，控制的電流密度為0.1mA/cm2，進行陰極電化學沉積?？刂茰囟葹?3±3℃，沉積時間為10min，在鈦表面獲得微孔狀納米有序CaP/膠原復合沉積層。
實施例4與實施例2類似，其區(qū)別在于基底材料采用鈦合金(Ti6Al4V)。用0.05mol/L的NaOH調節(jié)電解液pH＝6，控制的電流密度為1.0mA/em2，進行陰極電化學沉積?？刂茰囟葹?5±2℃，沉積時間為30min，在鈦表面獲得微孔狀納米有序CaP/膠原復合沉積層。
實施例5
與實施例2類似，其區(qū)別在于基底材料采用鈦合金(Ti6Al4V)。用0.05mol/L的NaOH調節(jié)電解液pH＝5.5，控制的電流密度為1.0mA/cm2，進行陰極電化學沉積?？刂茰囟葹?8±2℃，沉積時間為30min，在鈦表面獲得微孔狀納米有序CaP/膠原復合沉積層。
權利要求
1.納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于其步驟為1)將基底表面預處理，所說的基底為鈦及其合金；2)對基底進行陰極電化學沉積，即在基底表面獲得納米有序磷酸八鈣/膠原復合涂層。
2.如權利要求1所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于在步驟1)中所說的鈦合金為Ti6Al4V。
3.如權利要求1所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所說的表面預處理為對基底表面機械打磨，在10％HNO3+1％HF中處理并清洗干凈。
4.如權利要求1所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于在步驟2)中，對基底進行陰極電化學沉積的沉積溶液為在5～30ml含0.042mol/L[Ca2+]和0.025mol/L[PO43-]的鈣磷鹽溶液中加入0～10ml 1mg/ml的膠原分散液。
5.如權利要求4所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于沉積溶液采用Ca(NO3)2·4H2O和NH4H2PO4配置。
6.如權利要求4或5所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于沉積溶液pH＝3～6。
7.如權利要求1所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于電化學沉積的電流密度為0.1～1.0mA/cm2。
8.如權利要求1所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于電化學沉積的溫度為50～100℃。
9.如權利要求1所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于電化學沉積的時間為10～30min。
10.如權利要求1所述的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，其特征在于所說的膠原分散液采用I型膠原蛋白分散在0.01mol/L醋酸溶液中，冰水浴中操作。
全文摘要
納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法，涉及一種通過電化學沉積在醫(yī)用金屬表面可控制備納米有序結構CaP/膠原復合涂層的方法。提供一種可在溫和條件下，具有類骨結構和均一化學性質的生物材料，可大幅提高材料生物相容性和生物活性，可實現(xiàn)臨床應用的納米有序結構鈣磷化合物/膠原復合膜層的制備方法。步驟為基底預處理，對基底進行陰極電化學沉積，沉積溶液為在5～30m含0.042mol/L[Ca
文檔編號C25D9/08GK1740400SQ200510085770
公開日2006年3月1日 申請日期2005年8月8日 優(yōu)先權日2005年8月8日
發(fā)明者林昌健, 王卉, 胡仁 申請人:廈門大學