醫(yī)用植入材料表面功能原子摻雜的分子篩涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于具有較高生物活性分子篩涂層的制備技術領域，具體涉及一種采用共合成法在新一代醫(yī)用植入材料表面制備功能元素摻雜的分子篩活性涂層的方法，從而使該醫(yī)用植入材料具有良好的生物活性、耐腐蝕性、較低的彈性模量和較高的粗糙度，實現該醫(yī)用植入材料在硬組織替代物等方面的應用。
【背景技術】
[0002]在生物醫(yī)用材料中，金屬材料具有較高的強度和韌性、良好的耐腐蝕性和生物相容性，被廣泛應用于修復和置換人體內的硬組織。金屬材料在人體環(huán)境中不可避免存在著腐蝕和磨損現象，由此造成的金屬離子溶出對人體組織有毒害作用，影響人體組織的正常新陳代謝。此外，金屬材料屬于生物惰性材料，植入人體后與人體組織不能發(fā)生親和性結合，僅僅是簡單的機械鎖合，并且致密鈦合金的彈性模量與人骨相差很大，長此以往會導致植入體的失敗，給患者造成二次傷害。為了克服現有醫(yī)用植入材料在耐磨性、耐腐蝕性、生物活性、彈性模量等方面的缺陷，在新一代植入材料表面制備涂層是解決上述問題的有效途徑。
[0003]分子篩是一類具有規(guī)則、均一孔道結構的無機晶體材料，不僅具有良好的生物相容性和成膜性，而且具有優(yōu)異的防腐蝕和抗菌能力，其彈性模量約為30GPa，接近人骨的彈性模量。目前，分子篩材料已經在抗菌、殺菌、藥物緩釋、快速止血等方面展現了良好的應用。其中，硅酸鹽分子篩的主要成分Si是健康骨和結蹄組織必不可缺的微量元素，Si的存在能有效改善材料的生物學性能，促進骨成熟。嚴玉山(Adv.Funct.Mater.2009, 19，3856 - 3861)等人在Ti6Al4V人工假體表面制備了一類硅鋁酸鹽分子篩涂層。王金成等人(CN 101791433 A)通過原位生長法在Ti6Al4V表面制備了具有抗菌能力的硅鋁酸鹽分子篩涂層，其與基底的結合力達到25N。盡管分子篩涂層在醫(yī)用植入材料方面已經取得了一定的進展，然而Al元素的存在會引起骨軟化、貧血、神經系統(tǒng)功能紊亂等癥，因此制備一類具有更高生物活性的分子篩涂層顯得尤為重要。
[0004]新一代醫(yī)用植入材料是一類具有較低彈性模量、良好生物相容性、能夠與自然骨更好匹配的新型合金材料(CN 102534301 A，201410505297.7)，其彈性模量為30?60GPa，接近人骨的彈性模量，因此探索該類合金在生物醫(yī)學方面的應用具有重要的價值。目前，還沒有將功能元素(Mg、Zn、Ca、Cu、Sr等)引入純娃分子篩(Silicalite-1)，并用于新一代醫(yī)用植入材料表面處理的報道。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種簡單快捷的合成方法，即提供一種通過共合成法在新一代醫(yī)用植入材料表面制備功能元素摻雜的分子篩活性涂層方法。由于采用的新一代醫(yī)用植入材料具有較低的彈性模量，通過在其表面制備分子篩涂層，有利于結合兩者的優(yōu)勢，使復合材料具有較低的彈性模量以及較高的生物活性。通過該方法制備的分子篩活性涂層在新型鈦合金表面負載均勻且具有良好的親水性，有利于成骨細胞在其表面附著。
[0006]該方法適用于在各類基底材料表面制備不同功能原子摻雜的分子篩活性涂層，通過改變基底以及摻雜原子的種類，使制備得到的醫(yī)用植入材料在人工關節(jié)、植入體、心血管支架等方面發(fā)揮良好的作用。
[0007]本發(fā)明所述的在新一代醫(yī)用植入材料表面制備功能元素摻雜的分子篩活性涂層的方法，其步驟如下:
[0008](I)醫(yī)用植入材料的表面預處理:將醫(yī)用植入材料分別置于丙酮、去離子水和乙醇中超聲清洗10?30min，然后將醫(yī)用植入材料浸泡到濃度為5?30被％的雙氧水溶液中10?60min，使醫(yī)用植入材料表面帶有更多的羥基基團，然后用去離子水沖洗，氮氣吹干；
[0009](2)醫(yī)用植入材料表面Si I ical ite-Ι分子篩晶種的制備:將0.5?2g的Silicalite-1分子篩晶種超聲分散到20?10mL去離子水中，然后將表面預處理的醫(yī)用植入材料浸入到上述溶液中5?30min，取出后在室溫下干燥，再放置到80?150°C烘箱中處理I?6h ;
[0010](3)醫(yī)用植入材料表面功能原子摻雜的Silicalite-1分子篩涂層的制備:首先將0.1?0.4g四丙基溴化錢、0.03?0.05g氫氧化鉀、10?20mL去離子水混合攪拌均勾，然后加入0.6?ImL正硅酸乙酯、0.02?0.04g功能原子的可溶性鹽，攪拌3?24h，得到前驅體溶液；然后將步驟(2)得到的醫(yī)用植入材料固定在容積為15mL的反應釜中，加入前驅體溶液8?10mL，在150?230°C條件下水熱反應2?36h ;冷卻到室溫后將醫(yī)用植入材料用去離子水超聲清洗后干燥，再在400?600°C條件下煅燒0.5?6h，升溫速率為0.5?2°C每分鐘，從而在新一代醫(yī)用植入材料表面制備得到功能原子摻雜的分子篩涂層，該涂層的厚度約為2?20 μ m。
[0011]上述步驟中所述的功能原子為Ca、Zn、Mg、Cu、Sr中的一種，其可溶性鹽為硝酸鹽、鹽酸鹽或醋酸鹽中的一種；新一代醫(yī)用植入材料為彈性模量較低的TiNb、TiNbZrSn,TiNbFe、TiNbZrTa, TiNbZrTaS1、TiNbZrTaFe合金中的一種(其制備方法參考專利CN102534301 A、201410505297.7)，二元合金中，Ti的質量百分含量為64?70%，其余為Nb ；三元及三元以上合金中，Ti的質量百分含量為64?70 %，Nb的質量百分含量為20?25 %，其余為其他元素；彈性模量為30?60GPa。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選實驗范圍，步驟3中所述的晶化時間為3?8h，晶化溫度為170 ?190?。
[0013]本發(fā)明首次通過共合成法在新一代醫(yī)用植入材料表面制備功能元素摻雜的分子篩活性涂層，其具有如下優(yōu)勢:
[0014]1.分子篩涂層與植入材料之間實現了化學結合，提高了涂層的結合強度，且分子篩涂層均勻分布在載體表面，有利于提高材料的抗腐蝕性能，減少材料毒性元素的釋放。
[0015]2.功能元素均勻分布在涂層骨架或者表面，有利于提高材料的細胞相容性，促進成骨細胞的增殖和分化，顯示出進一步開發(fā)成新型硬組織植入材料的潛力。
[0016]3.本發(fā)明中分子篩涂層制備條件溫和，對基底材料的力學性能影響小，且涂層制備工藝不受基底形狀限制，可以在形狀復雜的基底上制備所需要的生物活性涂層。
【附圖說明】
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[0017]圖1:為本發(fā)明實施例1原料TiNb合金的SEM圖片。
[0018]圖2:為本發(fā)明實施例1原料TiNb合金基底上生長Ca原子摻雜的分子篩活性涂層的SEM圖片。
[0019]圖3:為本發(fā)明實施例1原料TiNb合金基底上生長Ca原子摻雜的分子篩活性涂層的SEM截面圖片。
[0020]圖4:為本發(fā)明實施例1原料TiNb合金基底上生長Ca原子摻雜的分子篩活性涂層誘導羥基磷灰石沉積后的SEM圖片。
[0021]圖5:為本發(fā)明實施例2原料TiNb合金基底上生長Zn原子摻雜的分子篩活性涂層的SEM圖片。
[0022]圖6:為本發(fā)明實施例3原料TiNb合金基底上生長Mg原子摻雜的分子篩活性涂層的SEM圖片。
[0023]圖7:為本發(fā)明實施例4原料TiNbFe合金基底上生長Sr原子摻雜的分子篩活性涂層的SEM圖片。
[0024]圖8:為本發(fā)明實施例5原料TiNbZrTa合金基底上生長Ca原子摻雜的分子篩活性涂層的SEM圖片。
[0025]如圖1、2所示:分子篩晶體交錯均勻密布于基底表面，并呈現一定的粗糙度。
[0026]如圖3所示:合金表面生長的Ca原子摻雜的分子篩涂層厚度約為4 μπι。
[0027]如圖4所示:將生長有Ca原子摻雜的分子篩涂層合金放置到模擬體液(142.0/5.0/2.5/1.5/147.8/4.2/1.0/0.5 = Na7K7Ca2+/Mg27Cl7HC037HP0427S0廣)(pH 7.4)中(Biomaterials, 2006, 27，2907 - 2915)。37°C條件下緩慢攪拌72h，干燥后通過掃描電鏡觀察發(fā)現，涂層表面有塊狀羥基磷灰石沉積，表明制備的涂層具有較高的生物活性。
[0028]如圖5所示:Zn原子摻雜的分子篩活性涂層在TiNb合金基底表面均勻生長，表現較強的成膜性，且分子篩晶體之間交錯排列，形成凹凸不平的界面，增加了基底的粗糙度，有利于細胞的粘附。
[0029]如圖6所示:Mg原子摻雜的分子篩活性涂層在TiNb合金基底表面均勻生長，且分子篩晶體之間交錯排列，形成凹凸不平的界面，有利于提高基底的粗糙度。
[0030]如圖7所示:Sr原子摻雜的分子篩活性涂層在TiNbFe合金基底表面均勻生長，且分子篩晶體之間交錯排列，形成凹凸不平的界面，有利于提高基底的粗糙度。
[0031]如圖8所示:Ca原子摻雜的分子篩活性涂層在TiNbZrTa合金基底表面均勻生長，且分子篩晶體之間交錯排列，形成凹凸不平的界面，有利于提高基底的粗糙度。
【具體實施方式】
[0032]下面通過實施例對本發(fā)明做