一种医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层及其制备方法
阅读说明：本技术 一种医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层及其制备方法 (Medical titanium alloy surface manganese-containing hydroxyapatite/titanium dioxide biological ceramic coating and preparation method thereof ) 是由 赵全明 董健 于 2018-11-01 设计创作，主要内容包括：一种医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层及其制备方法,将锰盐、钙盐、磷盐、甘油和膜层稳定剂溶于水中,配制成电解液；以医用钛合金为阳极、不锈钢为阴极,将医用钛合金和不锈钢置于解液中,对医用钛合金进行微弧氧化处理,制备含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。本发明配制的电解液成分简单、易于控制、不含易分解成分、工艺稳定,有利于涂层的大规模批量化生产。本发明制备的涂层与基体之间无不连续界面,具有高的结合强度和结构稳定性,在植入使用过程中不易剥落,能够与基体结合构建出具有良好机械和生物学性能的人体硬组织修复或替换器件。该复合涂层具有良好的生物活性、生物相容性及成骨功能。(Manganese-containing hydroxyapatite/titanium dioxide biological ceramic coating on the surface of medical titanium alloy and a preparation method thereof, manganese salt, calcium salt, phosphorus salt, glycerol and film stabilizer are dissolved in water to prepare electrolyte; and (3) taking the medical titanium alloy as an anode and the stainless steel as a cathode, placing the medical titanium alloy and the stainless steel in the electrolyte, and performing micro-arc oxidation treatment on the medical titanium alloy to prepare the manganese-containing hydroxyapatite/titanium dioxide biological ceramic coating. The electrolyte prepared by the method has simple components, is easy to control, does not contain easily decomposed components, has stable process, and is beneficial to large-scale batch production of coatings. The coating prepared by the invention has no discontinuous interface with the substrate, has high bonding strength and structural stability, is not easy to peel off in the implantation use process, and can be combined with the substrate to construct a human hard tissue repair or replacement device with good mechanical and biological properties. The composite coating has good biological activity, biocompatibility and osteogenesis function.)
技术领域
本发明涉及一种生物涂层，具体涉及一种医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
钛金属具有耐蚀性好、化学稳定性强、比强度高、生物相容性优异等优点，在骨科、矫形外科和口腔科等方面有重要应用潜力。但钛金属属于生物惰性材 料，植入体后不能与宿主骨形成化学结合，也没有促进新骨形成的能力，而且易受细菌感染，严重影响了植入效果，因此需对其进行表面生物活化改性。
羟基磷灰石(HA) 化学成分与人体骨组织及牙齿硬组织的无机成分相似，具备良好的生物活性，广泛应用于生物材料的表面改性。
HA 虽然化学组成 与生物体组织很相似，但其结晶程度和结构稳定性要比自然骨中的骨磷灰石晶体高。因此植入生物体内后不易降解，作为一种异质体残留于骨组织中，有可能成为感染源和一些种植器件植入时的障碍物，不利于该部位骨组织的恢复。因此如何改善 HA 的结晶性和降解性，使其与自然骨能有更良好的 匹配和融合成为 HA 研究的新思路和方向。
羟基磷灰石掺锰后，其主要生物特性发生以下改变: 1)溶解性能改善，溶解度和速度增加；2）生物降解率增大，比纯体具有更好的骨诱导性和生物降解性，并且成骨量也明显提高；3）机械性能提高，强度和硬度均比HA增加；4）细胞相容性增加，细胞毒性减弱。
人体骨组织是由微米级别的骨小梁和纳米级别的微丝、微管、微绒毛等通过层层组装形成的，微纳米结构骨植入材料的表面结构特征对细胞行为有非常重要的影响，尤其是对成骨细胞的黏附、增殖和成骨，有着至关重要的作用，继而对植体材料与周围骨组织的骨整合及植入体的稳定性产生巨大影响。
锰是人体必需的微量元素，在维持人身体健康方面却发挥着重要作用，主要有以下几点：促进骨骼的正常生长和发育。锰参与活化硫酸软骨素合成的酶系统，促进骨质的合成，锰能够减少骨流失，防止骨质疏松的发生，当体内缺锰时，破骨细胞的活性便增强，而成骨细胞的活性却受到抑制；锰参与人体蛋白质的代谢，提高蛋白质在人体内的吸收利用，促进胆固醇在人体内的合成；锰在维持正常脑功能中必不可缺，与智能发展、思维、情感、行为均有一定关系；体内超氧歧化酶必须在锰离子的催化下才能发挥作用，因此锰具有抗衰老和抗氧化的作用；此外锰具有预防癌症和促进早训的作用。
现有的等离子喷涂、磁控溅射、溶胶-凝胶法等方法可在医用钛金属基体表面制备的羟基磷灰石涂层，主要将钛和羟基磷灰石两种不同物质粘合在一起，又有两种物质相的不同，羟基磷灰石涂层与钛基体的结合强度较低，植入体内羟基磷灰石容易脱落；2. 羟基磷灰石纯度差，生物结晶度低，结构不稳定，缺乏生物活性；3. 等离子喷涂等方法价格昂贵，费用高；4.钛植入物表面缺乏和人体骨组织类似的微纳米结构，仿生性能差，骨诱导能力差，不能和骨组织形成骨整合；5.体内环境附在，目前单一羟基磷灰石诱导成骨能力有限，缺乏多种生物活性元素或者微量元素联合诱导成骨，往往出现植入物的失败，6.钛植入物的表面形貌和化学成分是骨诱导和骨传导的关键，目前只关注了表面化学成分，忽略了表面形貌的诱导成骨作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层制备方法，包括以下步骤：
1)配制电解液：
将锰盐、钙盐、磷盐、甘油和膜层稳定剂溶于水中，混合均匀，配制成电解液；
2)微弧氧化：
以医用钛合金为阳极、不锈钢为阴极，将医用钛合金和不锈钢置于步骤1) 配制的电解液中，对医用钛合金进行微弧氧化处理，在医用钛合金表面制备含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。
本发明进一步的改进在于，电解液中锰离子浓度为：0.05～0.3mol/L，钙离子的浓度为0.05～0.3mol/L，磷酸根离子的浓度为0.01～0.05mol/L，膜层稳定剂的浓度为0.01～0.04mol/L，甘油的浓度为0.01～0.03mol/L。
本发明进一步的改进在于，所述锰盐为乙酸锰、葡糖糖酸锰或碳酸锰，钙盐为乙酸钙，磷盐为β-甘油磷酸钙，膜层稳定剂为柠檬酸钠或EDTA。
本发明进一步的改进在于，在对医用钛合金进行微弧氧化处理前先对其进行预处理，预处理包括抛光和清洗。
本发明进一步的改进在于，所述抛光是将医用钛合金依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#砂纸打磨抛光。
本发明进一步的改进在于，所述清洗是依次用丙酮、无水乙醇和去离子水对抛光后的医用钛合金进行超声清洗。
本发明进一步的改进在于，所述步骤2)在进行微弧氧化处理时，采用直流脉冲电源，脉冲电压为100～550V、频率为100～1000Hz、占空比为10～80％、钛或钛合金与不锈钢的间距为50～100mm。
本发明进一步的改进在于，所述步骤2)在进行微弧氧化处理时，电解液的温度为0～50℃以下，微弧氧化处理的时间为5～40min。
一种根据上述方法制备的医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层，涂层由内到外分为三层：内层、中间层和外层；中间层成分为二氧化钛，外层为微纳米多孔结构。
本发明进一步的改进在于，所述该涂层和医用钛合金的结合强度为27.6～35.8MPa；所述外层中含粒径为70～165nm锰羟基磷灰石。
相对于现有方法，本发明的有益效果为：
本发明中先配制好含有锰离子、钙离子、磷酸根离子和膜层稳定剂的电解液；然后以医用钛合金为阳极，不锈钢为阴极，采用微弧氧化方法，直接在医用钛合金基体表面制备出含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。该方法所用的电解液绿色环保，对环境无污染，所制备的涂层无毒无害，具有很好的细胞核组织相容性；该方法步骤简单、操作简便、重复性高、原料易得、价格低廉，适于工业化的大规模生产，具有很好的应用前景。而且本发明配制的用于微弧氧化处理的电解液成分简单、易于控制、不含易分解成分、工艺稳定，有利于涂层的大规模批量化生产。另外本发明提供的制备方法对基体材料的形状没有特殊要求，可适用于形状复杂的基体，有效扩大了本发明的使用范围。
本发明制备的含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层，以医用钛合金为基体，涂层通过“生长”方式覆盖在医用钛合金基体表面，涂层和基体呈犬牙交错方式牢固结合，涂层由内到外分为三层：内层凹凸不平，与基体相互渗透，相互契合，陶瓷层与基体呈犬牙交错结合；中间层坚硬致密，陶瓷涂层的厚度主要由中间层决定，主要成分是二氧化钛，外层为微纳米多孔结构，表面由“生长”出的锰羟基磷灰石覆盖，锰均匀掺杂在羟基磷灰石涂层中。该复合涂层与基体之间无不连续界面，具有高的结合强度和结构稳定性，在植入使用过程中不易剥落，能够与基体结合构建出具有良好机械和生物学性能的人体硬组织修复或替换器件。而且该复合涂层具有良好的生物活性、生物相容性及成骨功能。该复合涂层中的含锰羟基磷灰石，与普通羟基磷灰石相比，在模拟体液中的溶解度较小，使磷灰石的结构更为稳定，能够延长其植入服役年限，为钛金属广泛应用于硬组织修复或替代提供可能。且该复合涂层中的羟基磷灰石中的掺杂元素及其纳米粒状的形态，均可显著促进细胞的黏附和生长，利于新骨形成，能够大力改善钛金属骨的融合能力；因此本发明提供的含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层能够作为医用种植体表面的多功能涂层进行广泛应用。
附图说明
图1是实施例1制备的含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层的表面形貌SEM图，其中a的放大倍数为500倍，b的放大倍数为1500倍。
图2是实施例1制备的含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层的表面EDS能谱图。
图3是实施例1制备的含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层的mapping图。
图4是成骨细胞在钛和实施例1所得含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层表面培养不同时间后的CCK-8检测结果图。
图5是成骨细胞在钛和实施例1所得含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层表面培养不同时间后的胞内碱性磷酸酶活性检测结果图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将乙酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，柠檬酸钠和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中乙酸锰的浓度为0.1mol/L，乙酸钙的浓度为0.2mol/L，β-甘油磷酸钙的浓度为0.02mol/L，柠檬酸钠的浓度为 0.01mol/L，甘油的浓度为 0.01mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为100-400V、频率为500Hz、占空比为20％、医用钛合金与不锈钢的间距为50mm。 电解液温度30℃的条件下对医用钛合金进行10分钟的微弧氧化处理，得到含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。该陶瓷涂层和钛基体的结合强度为28.5MPa。
实施例1制得的复合涂层的表面SEM形貌如图1中的图a和图b所示，其中a的放大倍数为500倍，b的放大倍数为1500倍；从低倍形貌图(图1中的图a)可知，该复合涂层呈多孔状，孔径约1-8μm；从放大形貌图(图1中的图b)可知该复合涂层表面呈纳米粒状，直径约为78～156nm。由图2的EDS谱线显示含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层中除了基体钛以外，富含有锰、钙和磷等元素。由图3的mapping图显示含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层中锰、钙和磷等元素均匀分布在涂层的表面。
成骨细胞在临床广泛使用的钛金属和实施例1所得复合涂层表面培养1d、 3d和5d后细胞CCK-8结果如图4所示，所有培养时间点，细胞在实施例1所得复合涂层表面的吸光度值均明显高于钛金属，由此可见，实施例1所得含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层能显著增强成骨细胞的黏附增值。
成骨细胞在临床广泛使用的钛金属和实施例1所得涂层表面培养1d，3d、7d和10d后胞内碱性磷酸酶活性变化情况如图5所示，可以看出，实施例1所得涂层表面细胞中所检测的碱性磷酸酶活性随着培养时间的延长而显著增强，而且在各个培养时间点均明显高于钛金属，由此可见实施例1所得涂层能够显著诱导成骨细胞分化。
实施例2。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将葡萄糖酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，柠檬酸钠和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中葡萄糖酸锰的浓度为0.01mol/L，乙酸钙的浓度为0.2mol/L，β-甘油磷酸钙的浓度为0.02mol/L，柠檬酸钠的浓度为 0.01mol/L，甘油的浓度为 0.01mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为100-400V、频率为500Hz、占空比为20％、医用钛合金与不锈钢的间距为50mm。 电解液温度30℃的条件下对医用钛合金进行10分钟的微弧氧化处理，得到含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。该陶瓷涂层和钛基体的结合强度为32.6MPa，该表层中含锰羟基磷灰石的粒径为93-157nm。
实施例3。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将葡萄糖酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，柠檬酸钠和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中葡萄糖酸锰的浓度为0.01mol/L，乙酸钙的浓度为0.2mol/L， β-甘油磷酸钙的浓度为0.02mol/L，柠檬酸钠的浓度为 0.01mol/L，甘油的浓度为 0.01mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为200-500V、频率为500Hz、占空比为20％、医用钛合金与不锈钢的间距为50mm。 电解液温度30℃的条件下对医用钛合金进行15分钟的微弧氧化处理，得到含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。该陶瓷涂层和钛基体的结合强度为33.5MPa，该表层中含锰羟基磷灰石的粒径为86-153nm。
实施例4。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将葡萄糖酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，柠檬酸钠和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中葡萄糖酸锰的浓度为0.01mol/L，乙酸钙的浓度为0.2mol/L， β-甘油磷酸钙的浓度为0.02mol/L，柠檬酸钠的浓度为 0.01mol/L，甘油的浓度为 0.01mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为200-500V、频率为600Hz、占空比为30％、医用钛合金与不锈钢的间距为50mm。 电解液温度30℃的条件下对医用钛合金进行15分钟的微弧氧化处理，得到含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。该陶瓷涂层和钛基体的结合强度为29.3 MPa，该表层中含锰羟基磷灰石的粒径为81-146nm。
实施例5。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将葡萄糖酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，柠檬酸钠和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中葡萄糖酸锰的浓度为0.01mol/L，乙酸钙的浓度为0.2mol/L，β-甘油磷酸钙的浓度为0.02mol/L，柠檬酸钠的浓度为 0.01mol/L，甘油的浓度为 0.01mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为200-500V、频率为600Hz、占空比为30％、医用钛合金与不锈钢的间距为80mm。 电解液温度30℃的条件下对医用钛合金进行15分钟的微弧氧化处理，得到含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。该陶瓷涂层和钛基体的结合强度为30.2MPa，该表层中含锰羟基磷灰石的粒径为70-162nm。
实施例6。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将葡萄糖酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，柠檬酸钠和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中葡萄糖酸锰的浓度为0.01mol/L，乙酸钙的浓度为0.2mol/L， β-甘油磷酸钙的浓度为0.02mol/L，柠檬酸钠的浓度为 0.01mol/L，甘油的浓度为 0.01mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为200-500V、频率为800Hz、占空比为50％、医用钛合金与不锈钢的间距为80mm。 电解液温度30℃的条件下对医用钛合金进行20分钟的微弧氧化处理，得到含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。该陶瓷涂层和钛基体的结合强度为34.6MPa，该表层中含锰羟基磷灰石的粒径为89-165nm。
实施例7。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将葡萄糖酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，EDTA和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中葡萄糖酸锰的浓度为0.05mol/L，乙酸钙的浓度为0.3mol/L， β-甘油磷酸钙的浓度为0.01mol/L，EDTA的浓度为 0.02mol/L，甘油的浓度为 0.01mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为100～500V、频率为100Hz、占空比为10％、医用钛合金与不锈钢的间距为70mm。 电解液温度20℃的条件下对医用钛合金进行5分钟的微弧氧化处理，得到医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。
实施例8。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将乙酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，柠檬酸钠和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中乙酸锰的浓度为0.3mol/L，乙酸钙的浓度为0.1mol/L，β-甘油磷酸钙的浓度为0.03mol/L，柠檬酸钠的浓度为 0.03mol/L，甘油的浓度为 0.02mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为300～550V、频率为1000Hz、占空比为70％、医用钛合金与不锈钢的间距为70mm。 电解液温度5℃的条件下对医用钛合金进行30分钟的微弧氧化处理，得到医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。
实施例9。
1)样品制备与处理。
将医用钛合金圆片（Ф12×1mm）依次用100#、300#、600#、1000#、1500#和3000#水磨砂打磨抛光 ，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声30min。
2)电解液配制。
将碳酸锰，乙酸钙，β-甘油磷酸钙，柠檬酸钠和甘油溶于水中，搅拌均匀，静置澄清，配制成电解液；其中电解液中碳酸锰的浓度为0.2mol/L，乙酸钙的浓度为0.05mol/L，β-甘油磷酸钙的浓度为0.005mol/L，柠檬酸钠的浓度为 0.04mol/L，甘油的浓度为 0.03mol/L。
3)微弧氧化。
以医用钛合金片为阳极、不锈钢为阴极，采用单向脉冲电源，脉冲电压为100～550V、频率为300Hz、占空比为80％、医用钛合金与不锈钢的间距为100mm。 电解液温度50℃的条件下对医用钛合金进行40分钟的微弧氧化处理，得到医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层。
实施例可以例举许多，限于篇幅，这里不一一列出，总之，在本发明提供的范围内，利用微弧氧化方法可以在钛基体表面得到具有高结合强度和结构稳定性，良好的生物活性和生物相容性涂层。
本发明中的涂层包括内层、中间层和外层，内层凹凸不平，与基体相互渗透，相互契合，陶瓷层与基体呈犬牙交错结合；中间层坚硬致密，该陶瓷涂层的厚度主要由中间层决定，主要成分是二氧化钛，外层为微纳米多孔结构，表面由“生长”出的锰羟基磷灰石覆盖，锰均匀掺杂在羟基磷灰石涂层中。
本发明中微弧氧化可以形成微孔结构，锰羟基磷灰石具有诱导成骨作用，符合目前提倡的结构/生物功能一体化。