CN102220620B

CN102220620B - 一种镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法

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Publication number: CN102220620B
Application number: CN 201110219578
Authority: CN
Inventors: 陈传忠; 潘尧坤; 王佃刚; 于慧君; 石佳子
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-08-02
Also published as: CN102220620A

Abstract

本发明涉及一种镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，向去离子水中添加(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O、Na₃PO₄，同时添加KOH、NH₄HF₂、N(CH₂CH₂OH)₃、C₃H₈O₃和H₂O₂，制备一定钙磷浓度比的电解液，将镁合金置于电解液中作正极，微弧氧化通电反应制得。本发明方法制备得到的钙磷陶瓷涂层由疏松层、过渡层和致密层三层组成，疏松层表面由许多均匀分布的微孔组成，过渡层介于疏松层和致密层之间，致密层与基体呈良好的冶金结合，使涂层具有高硬度、高致密度、高结合力及良好的耐腐蚀、耐磨损性能，同时，小鼠急性全身毒性试验说明涂层具有良好的生物相容性，模拟体液浸泡试验表明涂层具有良好的生物活性。

Description

一种镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物陶瓷涂层的制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

由于具有较高的机械强度和断裂韧性，相对于陶瓷或者有机材料来说，金属材料更加适合于修复具有一定承载要求的人体组织。当前被认可并被广泛使用的金属生物材料包括不锈钢、钛以及钴-铬基合金。这些金属生物材料存在诸多局限性。首先，在腐蚀和磨损过程中可能会释放出有毒的金属离子或粒子，这会导致发炎甚至组织损伤。再者，由于其弹性模量不能与自然的骨组织很好的匹配，容易导致应力屏蔽。应力屏蔽会减少对新骨生长和重塑的刺激，并最终降低植入的稳定性。第三，当前的金属生物材料通常被做成板状、螺纹和针状，用来修复严重的断裂，它们在体内是中性的，以永久固定的形式存在，在组织治愈之后必须通过二次手术移除，反复的手术会增加病人的感染率和痛苦。因此，开发一种生物力学相容性及生物相容性良好的新型硬组织修复材料具有重要意义。

近些年来，国内外研究报道认为，镁基合金是一种相当具有发展潜力的生物材料，其中包括多种原因。第一，生物力学相容性好。它的密度、强度等均与人体骨骼接近，且断裂韧性高于羟基磷灰石等陶瓷材料，故能能够满足作为植入骨的力学性能方面的要求。第二，生物相容性好。Mg²⁺是人体中第四丰富的阳离子，大部分存在于骨组织中，而且是很多种酶的辅助因子，可以稳定DNA和RNA的结构，是人体新陈代谢必不可少的元素。第三，镁资源丰富，价格低廉，金属镁锭的价格在2万元/吨以下，而钛锭的价格在6万元/吨以上。

目前制约镁及镁合金成为生物医用可降解硬组织材料的因素有以下两点：一是耐蚀、耐磨性差；二是表面形貌不利于骨组织的生长。镁的化学性质极为活泼，在干燥大气中，镁可形成MgO薄膜，对基体有一定的保护作用，但是其疏松多孔的结构使其保护作用极为有限，而且在潮湿环境下，尤其是在含有Cl^-的腐蚀介质中，MgO表面膜会遭到破坏，基体发生严重腐蚀，因此，镁的抗腐蚀性能很差，这也极大地制约了镁及镁合金更为广泛的应用。目前，将镁及镁合金作为生物医用材料植入人体的研究和应用还很少，主要因为当镁合金周围介质的pH值低于11.5时，其腐蚀会加快，而人体体液的pH值约为74，且在植入手术后由于人体代谢吸收过程中可能会产生过多的二级酸液而使体内环境的pH值更低，从而使作为植入材料植入体内的镁合金腐蚀加剧。材料的生物活性与材料的表面形貌密切相关。根据生物材料植入部位不同，粗糙度也有不同要求。对于与骨接触的生物材料，研究表明，其表面具有一定粗糙度可促进骨与材料的接触，显著促进矿化作用。当植入材料表面多孔时，植入体与母体问界面结合能会增大，则更利于两者的结合，如对于多孔的金属人工关节来说，其表面孔径越大，越有利于形成骨芽细胞和组织长入。所以，作为植入材料的表面形貌应根据植入人体不同部位的特殊生理要求而变化，从而使之更容易被人体接受。

已有方法中，等离子喷涂等改性过程产生的高温会导致羟基磷灰石分解、羟基丢失，且内部应力过大，在生物体内稳定性不理想；溶胶凝胶法等低温生成的HA与基体结合强度不高，容易产生剥离、溶解，这些问题直接影响了涂层的质量。微弧氧化在钛合金表面得到微孔状原位生长的陶瓷膜与基体结合强度高，具有良好的生物活性，临床应用前景较好。现在一些利用微弧氧化制备的生物陶瓷膜存在表面微孔较小，致密层所占比例偏小，涂层降解过快，生物活性较差等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，本发明利用镁合金基体成分及电解液成分参与反应，能在镁合金表面原位形成结合强度高、生物活性良好的富含钙磷相的陶瓷涂层。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，步骤如下：

(1)配制电解液：向去离子水中添加(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O作为钙源，并添加Na₃PO₄作为磷添加剂，同时添加KOH，NH₄HF₂，N(CH₂CH₂OH)₃，C₃H₈O₃和H₂O₂，制备钙磷摩尔浓度比为1～5∶1的电解液；

(2)基体材料的制备：将镁合金打磨光滑，用丙酮去除镁合金表面的油脂，然后再在酒精中超声波清洗，晾干待用；

(3)将步骤(2)处理的镁合金置于步骤(1)得的钙磷电解液中作为正极，不锈钢槽作为负极，通冷却水循环保持电解液温度控制在50℃以下，采用微弧氧化电源供电，电源频率范围400～600Hz，添加负向电压-20V～-100V，，正占空比30％～50％，负占空比0～30％，正负脉冲比1∶0～1，在正向电压400V～500V范围内恒压通电反应5～60min；

(4)取出经步骤(3)处理后的镁合金水洗，干燥即可。

步骤(1)制得的电解液配方为：(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.0015～0.0085mol/L，Na₃PO₄磷添加剂的浓度为0.0005～0.0100mol/L，KOH的浓度为0.050～0.110mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.050～0.160mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5～1.5％，C₃H₈O₃的体积分数为0.5～1.5％，H₂O₂的体积分数为0.05～2.0％。

：步骤(1)所述的电解液优选：(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.0015～0.005mol/L，Na₃PO₄磷添加剂的浓度为0.0005～0.0100mol/L，KOH的浓度为0.050～0.110mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.050～0.160mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5～1.5％，C₃H₈O₃的体积分数为0.5～1.5％，H₂O₂的体积分数为0.05～2.0％。

步骤(1)所述的电解液进一步优选：(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.005mol/L，磷添加剂的浓度为0.005mol/L，KOH的浓度为0.0891mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.1227mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5％，C₃H₈O₃的体积分数为0.5％，H₂O₂的体积分数为0.75％。

所述步骤(3)中，微弧氧化电源为双向脉冲电源、单向脉冲电源或直流电源。

步骤(3)优选：电源频率600Hz，正占空比30％，负占空比20％，正负脉冲比1∶1，添加负向电压-60V，在正向电压450V的恒压下通电反应30min。

本发明所采用的微弧氧化技术是一项环保、无污染的新技术，其氧化过程中所采用的电解质溶液呈中性或碱性，而且溶液中不含重金属离子、铬离子和环保限制元素。同时通过改变电解液的成分，可以在镁合金等阀金属表面通过等离子体火花放电原位生长功能化的陶瓷薄膜，使涂层具有高硬度、高致密度、高结合力及良好的耐腐蚀、耐磨损性能。

本发明的有益效果是；

(1)本发明的方法制备得到的富含钙磷相的陶瓷涂层由疏松层、致密层和过渡层三层组成，疏松层表面由许多均匀分布的微孔组成，致密层与基体呈良好的冶金结合，对提高耐蚀性能起主要作用，介于两者之间的为过渡层。本发明中制得的涂层厚度为22μm～70μm，涂层成分包括ZnO，MgO，MgF₂，CaF₂，ZnF₂，CaO和Ca₃(PO₄)₂。本发明采用H₂O₂和NH₄HF₂作为气体发生剂，使生成涂层表面微孔较大，在活体植入实验中利于骨芽细胞和组织的长入，同时N(CH₂CH₂OH)₃加入电解液可以稳定火花放电，提高微弧氧化涂层的致密性和厚度，使其具有较好的耐蚀性和耐磨性，作为一种鳌合剂，N(CH₂CH₂OH)₃能使电解液体系中的钙离子浓度维持恒定，促使钙离子进入涂层，增加涂层中的含钙量，而后在模拟体液浸泡试验中有利于羟基磷灰石的形成，从而使涂层具备良好的生物相容性和生物活性；同时又通过添加适当负向电压等技术手段来增大致密层所占的比例，降低了所制备植入体的降解速率，与受损组织的愈合时间相匹配，起到较好的修复作用。本发明制备的涂层通过电化学腐蚀试验所测得的动电位极化曲线计算得其阻抗为4.943×10⁶，而镁合金基体的阻抗为8.014×10²，耐蚀性大大提高；

(2)本发明制备的涂层进行小鼠急性全身毒性试验后，在规定时间内观察小鼠有无毒性反应和死亡情况，从而证明本发明制备的涂层具有良好的生物相容性。

(3)本发明制备的涂层在模拟体液浸泡试验后出现类羟基磷灰石状物质，经能谱检测其确为羟基磷灰石，从而证明本发明制备的涂层具有良好的生物活性；

(4)本发明有效解决了现在一些利用微弧氧化制备的生物陶瓷膜存在表面微孔较小，致密层所占比例偏小，涂层降解过快，生物活性较差等的问题；

(5)本发明的方法绿色环保，工序简单，生产效率高，成本低，适于工业化批量生产。

附图说明

图1为实施例1中制备得到的镁合金表面富含钙磷相的陶瓷涂层的表面形貌图，其中，(a)：E1，(b)：E2，(c)：E3，(d)：E4，(e)：E5，(f)：E6，(g)：E7；

图2为实施例1中对应E2制备得到的镁合金表面富含钙磷相的陶瓷涂层的截面形貌和截面线成分图，其中，(a)：截面形貌图，(b)：截面线成分图；

图3为实施例1中对应E2、E4、E6制备得到的镁合金表面富含钙磷相的陶瓷涂层XRD图谱；

图4为实施例2中不同负向电压下制备的陶瓷涂层表面形貌图，其中，(a)：0V，(b)：20V，(c)：40V，(d)：60V，(e)：80V；

图5为实施例2中镁合金基体和不同负向电压下制备的陶瓷涂层的XRD图谱，其中，(a)：镁合金基体的XRD图谱，(b)：不同负向电压下制备的陶瓷涂层的XRD图谱；

图6为实施例2中不同负向电压下制备的陶瓷涂层的截面形貌和截面线成分，其中，(a)：0V，(b)：20V，(c)：40V，(d)：60V，(e)：80V，(f)：截面线成分；

图7为实施例2中不同负向电压下制备的陶瓷涂层的表面划痕试验和划痕形貌图，其中，(A)：划痕试验图(a)0V，(b)20V，(c)40V，(d)60V，(B)：对应于负向电压-20V的划痕形貌图(a)划痕全貌，(b)划痕开始处，(c)涂层划穿处，(d)涂层剥落处；

图8为实施例3中不同正负脉冲数之比下制备的陶瓷涂层表面形貌图，其中，(a₁，a₂)：R1，(b₁，b₂)：R2；

图9为试验1中不同钙磷盐电解液中制备的陶瓷涂层浸泡30天之后的表面形貌图，其中，(a)：E1，(b)：E2，(c)：E3，(d)：E4，(e)：E5，(f)：E6，(g)：E7；

图10为试验1中不同钙磷盐电解液中制备的陶瓷涂层浸泡30天之后的高倍表面形貌，其中，(a)：E1，(b)：E2，(c)：E3，(d)：E4，(e)：E5，(f)：E6，(g)：E7；

图11为试验2中不同负向电压下制备的陶瓷涂层的动电位极化极化曲线，其中，(1)：0V，(2)：20V，(3)：40V，(4)：60V，(5)：镁合金基体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1在镁合金表面制备富含钙磷相的生物陶瓷涂层

步骤如下：

(1)配制电解液：向去离子水中添加(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O作为钙源，并添加Na₃PO₄作为磷添加剂，同时添加KOH，NH₄HF₂，N(CH₂CH₂OH)₃，C₃H₈O₃和H₂O₂，制备一定钙磷浓度比的电解液。其中，KOH的浓度为0.0891mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.1227mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5％，C₃H₈O₃的体积分数为0.5％，H₂O₂的体积分数为0.75％；

每组试样所用电解液中的钙源(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O和磷添加剂Na₃PO₄的具体含量如表1-1所示：

表1-1恒压条件下微弧氧化电解液中钙磷源的组成成分及含量

(2)基体材料的制备：用线切割方式将板状材分割成8×10×12mm³的长方体小块，在其中面积较小的表面钻孔、攻丝以便于在微弧氧化试验时进行装夹；在不同粗细的砂纸上打磨，最后一道砂纸为1000^#，用丙酮去除镁合金表面的油脂，然后再在酒精中超声波清洗，晾干待用；

(3)将步骤(2)处理的镁合金置于钙磷电解液中作为正极，将不锈钢槽作为负极，通冷却水循环保持电解液温度控制在50℃以下，采用微弧氧化电源供电，频率600Hz，正占空比30％，负占空比20％，脉冲频率1∶1，(添加负向电压-20V)，在正向电压450V的恒压下通电反应30min；

(4)取出经步骤(3)处理后的镁合金水洗，干燥即可。涂层形貌图如图1所示。由图1可以看出，在不同电解液中形成的微弧氧化涂层表面均粗糙不平，可见许多烧结熔融的网状凸起和位于凸起中间的微孔，这些微孔均为通孔且均匀分布在涂层表面且未见宏观裂纹出现，同时可以看到表面微孔的以下仍有大量相互交错的微孔，且孔洞分布较为均匀。从图1(a)和(g)对比可看出，在仅含磷元素的电解液中形成的涂层表面微孔尺寸明显比在仅含钙元素的电解液中形成的涂层微孔大，且前者膜层更加平整光滑，而后者凸起较明显。对比图1(b)～(e)可以看出，随电解液中钙磷浓度比上升，涂层表面粗糙度逐渐增加，涂层表面微孔直径逐渐增大，从8μm逐渐上升到12μm，并且可观察到，在微孔周围，颗粒逐渐增加，即微弧氧化过程形成的沉积物逐渐增加。从图2(a)可以看出，制备的微弧氧化涂层分为三层，表面多孔层、中间过渡层和内部致密层，图2(b)可以得出，涂层主要含有Ca，P，Zn，K，O，F和Mg元素。从图3可得涂层成分主要有ZnO，MgO，MgF₂，CaF₂，ZnF₂，CaO和Ca₃(PO₄)₂。所得涂层厚度列于表1-2。

表1-2镁合金表面富含钙磷相的陶瓷涂层的厚度(不同钙磷摩尔浓度比下)

对比表1-2中涂层厚度的变化可以得出，溶液中仅含P时形成的涂层厚度比仅含Ca时形成的涂层厚，说明含P的电解液比含Ca的更易成膜。但当溶液中既含Ca又含P时，随着钙盐浓度的升高，钙磷浓度比上升，涂层厚度逐渐增加。

所述镁合金为ZK60镁合金，为Mg-Zn-Zr系镁合金，合金成份为Zn-6％，Zr-0.45％，其余为Mg，其具有以下优点：首先，它具有合适的力学性能，能保证在植入人体之后起到人骨的支撑作用。其次，本实施例采用的ZK60镁合金主要元素Mg和Zn均是人体必需的元素，对人体无毒无害。第三，ZK60镁合金中的镁锌元素的质量比(15∶1)与人体中的两种元素的质量比(13∶1)相接近，作为植入体与人体环境接近，不会造成危害。

实施例2在镁合金表面制备富含钙磷相的生物陶瓷涂层

步骤如下：

(1)配制电解液：向去离子水中添加(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O作为钙源，并添加Na₃PO₄作为磷添加剂，同时添加KOH，NH₄HF₂，N(CH₂CH₂OH)₃，C₃H₈O₃和H₂O₂，制备一定钙磷浓度比的电解液。其中，(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.005mol/L，Na₃PO₄的浓度为0.005mol/L，KOH的浓度为0.0891mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.1227mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5％，C₃H₈O₃的体积分数为0.5％，H₂O₂的体积分数为0.75％；

(3)将步骤(2)处理的镁合金置于钙磷电解液中作为正极，不锈钢槽作为负极，通冷却水循环保持电解液温度控制在50℃以下，采用微弧氧化电源供电，在恒压(添加不同负向电压)模式下反应30min。部分电参数见表2-1，其余电参数为：正向电压450V，频率600Hz，正占空比30％，负占空比20％，脉冲频率1∶1。

(4)取出经步骤(3)处理后的镁合金水洗，干燥即可。涂层厚度和显微硬度分别见表2-2和表2-3。由表2-2可以得出，试样加负向电压后可以提高微弧氧化涂层的厚度，在0～60V范围内，随着负向电压的升高，涂层的厚度逐渐增加，在60～80范围内，涂层厚度略有下降。由表2-3可以得出，试样加负向电压后可以提高微弧氧化涂层的显微硬度，在0～60V范围内，随着负向电压的升高，涂层的显微硬度逐渐增加，在60～80范围内，涂层硬度略有下降。。

不同负向电压下得到的富含钙磷相的陶瓷涂层的镁合金的表面形貌如图4所示，由图4可以得出，与未加负向电压的涂层形貌相比，加负向电压后，涂层表面微孔尺寸增大，相邻微孔互相连通，成为大孔，表面粗糙度增加，微孔周围颗粒状物质增多。随负向电压的增大，表面微孔尺寸逐渐增大，单位面积内微孔数量减少，表面粗糙度逐渐增加，微孔大小变得不均匀，但在60～80范围内，涂层表面微孔尺寸有所下降。经检测，由图5分析可得，涂层主要是由MgO，ZnO，MgF₂，ZnF₂，CaF₂和CaO组成的。

表2-1镁合金表面微弧氧化涂层的恒压工艺参数(不同负向电压)

表2-2不同负向电压下制备的陶瓷涂层厚度

表2-3不同负向电压下制备的陶瓷涂层显微硬度(NV_0.2)

从图6(a)～(e)可以看出，制备的微弧氧化涂层分为三层，表面多孔层、中间过渡层和内部致密层，图6(e)可以得出，涂层主要含有Ca，P，Zn，K，O，F和Mg元素。从图7(A)可以看出，在施加负向电压后涂层的结合强度有所提高，且随负向电压的增大，涂层结合力逐渐增大，这说明在负向电压的作用下，涂层与基体的结合加强，涂层质量有所提高，从图7(B)可以看出，在划痕开始处微弧氧化涂层的表面微孔依然清晰可见，在涂层表面可以看到大量微弧氧化后产生的白色被挤压的微孔，而划痕周围涂层较均匀，被挤压的部分成黑色，与白色微孔形成对比。然而随着划痕的进行，涂层的表面微孔逐渐消失，在涂层划穿处可以看到划痕的宽度突然增加，这说明涂层在此时突然被压透，涂层的结合力达到临界值，涂层被压头划破，从而露出基体，同时划痕周围的涂层也出现了少量剥落的现象，剥落处也有分层，但是分层并不明显，涂层剥落平缓过度，这说明在一定负向电压下生成的涂层整体的致密程度和孔隙比较均匀，涂层整体强度变化不大。

实施例3在镁合金表面制备富含钙磷相的生物陶瓷涂层

步骤如下：

(1)配制电解液：向去离子水中添加(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O作为钙源，并添加Na₃PO₄作为磷添加剂，同时添加KOH，NH₄HF₂，N(CH₂CH₂OH)₃，C₃H₈O₃和H₂O₂，制备一定钙磷浓度比的电解液。其中，(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O为0.005mol/L，Na₃PO₄为0.005mol/L，KOH的浓度为0.0891mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.1227mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5％，C₃H₈O₃的体积分数为0.5％，H₂O₂的体积分数为0.75％；

(3)将步骤(2)处理的镁合金置于钙磷电解液中作为正极，不锈钢槽作为负极，通冷却水循环保持电解液温度控制在50℃以下，采用微弧氧化电源供电，在恒压(添加不同正负脉冲数之比)模式下反应30min。部分电参数见表3-1，其余电参数为：正向电压450V，频率600Hz，正占空比30％，负占空比20％，脉冲频率1∶1。

表3-1镁合金表面微弧氧化涂层的恒压工艺参数(不同正负脉冲数之比)

(4)取出经步骤(3)处理后的镁合金水洗，干燥即可。得到的表面富含钙磷相的陶瓷涂层的镁合金的表面形貌如图8所示，涂层厚度见表3-2。由表3-2中数据可以得出以下结论：当去掉负脉冲后，涂层的厚度明显增加。说明当正负脉冲数之比为1∶0时，可以提高涂层的厚度。经检测，涂层主要是由ZnO，MgO，MgF₂，ZnF₂，CaF₂和CaO组成的。

表3-2不同正负脉冲数之比下的涂层厚度

所得涂层具体形貌见图8，由图8可得出，当正负脉冲数之比为1∶0时，涂层表面陶瓷层呈烧蚀状，烧蚀熔融物较多，光泽度较差，表面粗糙度较大，凹凸不平，虽表面微孔尺寸明显变小，但微孔均匀分布、且不连通。

实施例4在镁合金表面制备富含钙磷相的生物陶瓷涂层

步骤如下：

(1)配制电解液：向去离子水中添加(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O作为钙源，并添加Na₃PO₄作为磷添加剂，同时添加KOH，NH₄HF₂，N(CH₂CH₂OH)₃，C₃H₈O₃和H₂O₂，制备钙磷摩尔浓度比5∶1的电解液。其中，(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.00167mol/L，Na₃PO₄的浓度为0.010mol/L，KOH的浓度为0.110mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.140mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为1.5％，C₃H₈O₃的体积分数为1.0％，H₂O₂的体积分数为1.0％；

(3)将步骤(2)处理的镁合金置于步骤(1)得的钙磷电解液中作为正极，不锈钢槽作为负极，通冷却水循环保持电解液温度控制在50℃以下，采用微弧氧化电源供电，电源频率范围400Hz，正占空比50％，负占空比30％，正负脉冲比1∶1，添加-20V的负向电压，在正向电压500V范围内恒压通电反应30min；

(4)取出经步骤(3)处理后的镁合金水洗，干燥即可。

实施例5在镁合金表面制备富含钙磷相的生物陶瓷涂层

步骤如下：

(1)配制电解液：向去离子水中添加(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O作为钙源，并添加Na₃PO₄作为磷添加剂，同时添加KOH，NH₄HF₂，N(CH₂CH₂OH)₃，C₃H₈O₃和H₂O₂，制备钙磷摩尔浓度比3∶1的电解液。其中，(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.020mol/L，Na₃PO₄的浓度为0.020mol/L，KOH的浓度为0.050mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.050mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为1.0％，C₃H₈O₃的体积分数为1.5％，H₂O₂的体积分数为2.0％；

(3)将步骤(2)处理的镁合金置于步骤(1)得的钙磷电解液中作为正极，不锈钢槽作为负极，通冷却水循环保持电解液温度控制在50℃以下，采用微弧氧化电源供电，电源频率范围600Hz，正占空比20％，负占空比10％，正负脉冲比1∶1，添加-40V的负向电压，在正向电压500V范围内恒压通电反应30min；

(4)取出经步骤(3)处理后的镁合金水洗，干燥即可。

性能检测

试验1生物活性测试

将实施例1制备得到的表面富含钙磷相的陶瓷涂层的镁合金试样放置到模拟体液中浸泡30天测试其耐蚀性和生物活性。

结果：在经过模拟体液浸泡30天之后，未见有大面积脱落；经检测，制备的陶瓷涂层主要由HA，Ca₂P₂O₇，CaO，CaF₂，MgO，MgF₂，Mg(OH)₂和Mg₃(PO₄)₂组成。其中，羟基磷灰石(HA)属生物活性材料，与生物体硬组织有相似的化学成分和结构，具有良好的生物活性和相容性，植入人体后对组织无刺激和排斥作用，而且能传导骨生长，即新骨可以从HA植入体与原骨结合处沿植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长，能与组织在界面上形成很强的化学键性结合。而Ca₂P₂O₇具有良好的生物性能，在人体环境中，可以调节新骨的形核位置，并且可以控制晶体的生长和溶解。说明制备的涂层具有良好的生物活性。另外通过观察涂层表面可以发现微弧氧化技术显著的提高了镁合金的耐蚀性能。其具体形貌见图9，由图9中(a)～(g)可看出，试样经浸泡后的表面形貌发生变化。孔壁上出现许多白色颗粒，孔洞的尺寸明显减小，部分孔被堵塞。该结果说明试样表面有新的物质形成。生成的新物质的高倍形貌见图10。由图10中(a)可以看出，颗粒呈散落的点状分布在涂层表面；而由图10(b)～(f)的形貌可看出，白色颗粒聚集成球团状，且随钙磷浓度比的升高，球团状颗粒进一步积聚沉淀呈不规则的团絮或块状，即随着电解液中钙磷浓度比的提高，涂层表面沉积的球团状物质增多。由图10可以看出，(a)中的沉积物呈扇形片状，与图10(b)～(f)中的球团状和团絮状的沉积物形貌不同。而图10(g)中亦有些层片状沉积物，但形貌与(a)～(f)都不相似。分析知，首先，微弧氧化后涂层的粗糙多孔表面为沉积物的形核提供了有利位置，加之涂层与模拟体液中进行离子交换作用而发生化学反应而生成某种新物质，结合浸泡前后XRD分析结果，推测新生成物质为富含钙磷的物质，如XRD所示为HA、Ca₂P₂O₇等。涂层经浸泡后并未见有蚀刻或脱落。

试验2耐蚀性检测

将实施例2制备得到的表面富含钙磷相的陶瓷涂层的镁合金试样通过美国生产的普林斯顿电化学工作站进行电化学试验测其耐蚀性，测试过程采用标准三电极体系，以镁合金试样为研究电极，饱和甘汞电极为参比电极，辅助电极为铂片，面积1cm²，测定了微弧氧化涂层的动电位极化曲线，扫描速率为10mV/s，腐蚀介质为3.5％NaCl水溶液。

图11表示了实施例2中得到的微弧氧化涂层在3.5％NaCl溶液中的动电位极化曲线。表2-4为不同负向电压下所得陶瓷涂层电化学腐蚀试验所得的极化曲线参数，由表2-4中数据可知，在微弧氧化过程中，加负向电压后，涂层耐腐蚀性能明显提高。

表2-4不同负向电压下所得陶瓷涂层电化学腐蚀试验所得的极化曲线参数

试验3小鼠急性全身毒性试验

将实施例2制备得到的可降解的镁合金表面富含钙磷相的微弧氧化生物陶瓷涂层(试样V3，简称供试品)进行小鼠急性全身毒性试验，将一定剂量的供试品浸提液由静脉注入小鼠体内，在规定时间内观察小鼠有无毒性反应和死亡情况。

具体实施如下：

1.材料：

1.1供试品及对照品：

1.1.1供试品：可降解的镁合金表面富含钙磷相的微弧氧化生物陶瓷涂层材料。

1.1.2浸提液制备：根据《口腔材料生物试验方法静脉注射急性全身毒性试验》要求.编号：YY/T0127.2-93。无定型材料按每1克5ml氯化钠注射液比例浸提，使氯化钠注射液完全覆盖材料，37℃、120小时，浸提完毕后，用孔径4.5-9μm的垂熔漏斗将浸提液过滤，压力蒸气灭菌，115℃灭菌30分钟，备用。

1.1.3对照品：氯化钠注射液，规格：250ml:2.25g，批号：1008025101，由山东鲁抗晨欣药业有限公司。

1.2.实验***

1.2.1实验动物：昆明种SPF级小鼠20只，雌雄各半，体重：体重17-23g。，由山东鲁抗医药股份有限公司动物中心提供，实验动物生产许可证号：SCXK(鲁)20080002。

1.2.2实验动物饲养管理：动物饲养于普通环境中，温度，16-26℃，湿度40-70％，实验动物使用许可证号：SYXK(鲁)20030015。动物单只饲养在不锈钢笼中，笼具由苏州新区枫桥净化设备厂提供，许可证号：SCXK(苏)2002-0034。

1.3饲料：实验动物配合饲料(鼠)，许可证号：SCXK20090014，由山东省实验动物中心提供，济南康大饲料有限公司生产。

1.4饮水：动物自由饮用自来水。

1.5主要仪器：

1.5.1AW 120电子分析天平，日本岛津公司。

1.5.2SL202N型电子天平，上海民桥精密科学仪器有限公司

2.方法：

根据《口腔材料生物试验方法静脉注射急性全身毒性试验》.编号：YY/T0127.2-93。取健康合格昆明种小鼠20只，雌雄各半，随机分为供试品组和对照组，每组10只，自尾静脉分别注入相应的供试品浸提液和阴性对照给予生理盐水，注射剂量为50ml/kg，注射速度为0.1ml/s，并于4、24、48和72小时，观察记录供试品组和对照组体重、中毒症状和死亡动物数。

3.结果评价：

根据《口腔材料生物试验方法静脉注射急性全身毒性试验》规定：如试验组有2只以上出现中毒症状或死亡，则认为该材料不符合本标准要求。如果试验组的任何动物呈现轻微的毒性症状或仅1只试验动物有显著的毒性症状或死亡，则需进行重复试验。若试验组动物体重均下降，即使无其他毒性症状，仍需重复试验。见表3-1。

表3-1动物反应毒性程度分级

4.结果：

1、本试验在72小时观察期内，供试品组和对照组动物均未出现中毒症状，亦无动物死亡。见表3-2。

表3-2小鼠急性全身毒性试验结果

2、小鼠体内注射供试品浸提液后，24、48和72小时供试品组和对照组动物体重均正常增长，供试品组与对照组比较均无显著性差异(P＞0.05)，表明该材料符合标准要求。见表3-3。

表3-3小鼠急性全身毒性试验体重观察结果

注：供试品组和对照组动物体重比较，*P＜0.05

5.结论：

可降解的镁合金表面富含钙磷相的微弧氧化生物陶瓷涂层材料浸提液小鼠急性全身毒性试验，在本试验条件下未见毒性反应和动物死亡。

通过小鼠急性全身毒性试验说明本发明制得的可降解的镁合金表面富含钙磷相的微弧氧化生物陶瓷涂层材料具有良好的生物相容性。

Claims

1.一种镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤如下:

（1）配制电解液：向去离子水中添加(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O作为钙源，并添加Na₃PO₄作为磷添加剂，同时添加KOH、NH₄HF₂、N(CH₂CH₂OH)₃、C₃H₈O₃和H₂O₂，制备钙磷摩尔浓度比为1～5:1的电解液；

（2）基体材料的制备：将镁合金打磨光滑，用丙酮去除镁合金表面的油脂，然后再在酒精中超声波清洗，晾干待用，所述的镁合金为ZK60镁合金；

（3）将步骤（2）处理的镁合金置于步骤（1）得的钙磷电解液中作为正极，不锈钢槽作为负极，通冷却水循环保持电解液温度控制在50℃以下，采用微弧氧化电源供电，电源频率范围400～600Hz，添加负向电压-20V～-100V，正占空比30%～50%，负占空比0～30%，正负脉冲比1:1，在正向电压400V～500V范围内恒压通电反应5～60min；

（4）取出经步骤（3）处理后的镁合金水洗，干燥即可。

2.根据权利要求1所述的镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤（1）制得的电解液配方为：(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.00005～0.0100mol/L，Na₃PO₄磷添加剂的浓度为0.00005～0.0100mol/L，KOH的浓度为0.050～0.110mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.050～0.160mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5～1.5%，C₃H₈O₃的体积分数为0.5～1.5%，H₂O₂的体积分数为0.05～2.0%。

3.根据权利要求2所述的镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤（1）制得的电解液配方为：(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.0005～0.0083mol/L，Na₃PO₄磷添加剂的浓度为0.00005～0.0100mol/L，KOH的浓度为0.050～0.110mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.050～0.160mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5～1.5%，C₃H₈O₃的体积分数为0.5～1.5%，H₂O₂的体积分数为0.05～2.0%。

4.根据权利要求3所述的镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤（1）所述的电解液为：(C₆H₅O₇)₂Ca₃·4H₂O的浓度为0.005mol/L，Na₃PO₄磷添加剂的浓度为0.005mol/L，KOH的浓度为0.0891mol/L，NH₄HF₂的浓度为0.1227mol/L，N(CH₂CH₂OH)₃的体积分数为0.5%，C₃H₈O₃的体积分数为0.5%，H₂O₂的体积分数为0.75%。

5.根据权利要求1所述的镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤（3）中，微弧氧化电源为双向脉冲电源、单向脉冲电源或直流电源。

6.根据权利要求1或5所述的镁合金表面富含钙磷相的生物陶瓷涂层的制备方法，其特征是，步骤（3）电源：电源频率600Hz，正占空比30%，负占空比20%，正负脉冲比1:1，添加负向电压-60V，在正向电压450V的恒压下通电反应30min。