專利名稱：納米有序羥基磷灰石涂層的電化學制備方法
技術領域：
本發明涉及一種通過電化學沉積在醫用金屬表面可控制備納米有序羥基磷灰石涂層的方法。
背景技術：
自然骨是由納米羥基磷灰石(HA)為主的無機相與膠原為主的有機相有序組合的復合材料。在骨質中，納米羥基磷灰石的長軸(即c軸)方向沿膠原纖維的延伸方向擇優排列，這種有序結構保證最大限度的力學性能。從結構仿生和環境化的角度發展生物醫學材料是一個重要的方向，研究具有結構仿生的硬組織替代材料是硬組織替代材料發展的必然結果。為研究具有生物骨基本特征的硬組織替代材料，首先必須在結構上能模擬生物骨，制備納米有序復合人工骨是必要途徑。
自20世紀20年代起，納米羥基磷灰石的制備及其在醫療上的應用引起研究者的廣泛注意，利用納米羥基磷灰石涂層對生物材料進行表面改性，使之具有生物活性是研究方向之一。目前的納米羥基磷灰石涂層制備方法有等離子噴涂法、激光熔覆法、電泳沉積法、電化學沉積法、仿生法等。其中電化學沉積法因其反應條件溫和、可獲得高生物活性的純羥基磷灰石晶體、不需要預先制備羥基磷灰石粉體、操作簡單、可控性強、成本低廉等優點而引起研究者的極大興趣。電化學沉積鈣磷鹽的基本過程是通過控制電化學反應，調節陰極/溶液界面化學環境，使電解液中的鈣磷物種在陰極表面相對高的pH環境下達到一定過飽和，進而從溶液相中結晶析出，沉積在金屬電極表面，并可實現與某些有機物種共沉積制備復合涂層。電化學沉積法可以先制備羥基磷灰石前驅體然后通過后處理使之轉化為純羥基磷灰石，也可以直接從溶液中沉積出納米相純羥基磷灰石。近年來，羥基磷灰石與膠原及其它生物大分子雜化制備有機/無機復合材料的研究已經廣泛開展起來，然而，有序結構納米人工骨材料的研究目前在國內外尚未見報道。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可在溫和條件下，通過電化學定向沉積，在醫用金屬表面構筑與自然骨結構相似的納米有序、形貌可控的羥基磷灰石涂層。
本發明所說的納米有序羥基磷灰石涂層的電化學制備方法如下
1)將基底材料表面機械打磨并清洗干凈備用，基底材料為鈦或鈦合金；2)配制電沉積溶液，電沉積溶液中含1×10-3～1×10-4摩爾/L Ca(NO3)2或CaCl2和1×10-3～0.5×10-4摩爾/LNH4H2PO4或NaH2PO4的電解液，采用NaNO3或者NaCl為支持電解質，調節電解液pH＝5.50～7.20；3)電化學沉積，控制電壓為1～20V或電流密度為0.1～10mA/cm2，進行陰極電化學沉積，控制溫度70～100℃，電化學沉積0.1～10h，可在鈦及其合金表面獲得納米有序含鈣離子缺陷的羥基磷灰石沉積層。
本發明通過控制電化學沉積參數的變化進行納米羥基磷灰石電化學沉積，使納米羥基磷灰石晶粒以不同的方式聚集形成微觀形貌為花簇狀、直立狀、微孔狀的具有二級結構的納米有序羥基磷灰石涂層。運用電沉積方法實現了納米羥基磷灰石的表面構筑，首次制得表面形貌可控的納米有序羥基磷灰石涂層，此研究為納米有序復合人工骨材料的研制提供了重要基礎。形貌可控納米羥基磷灰石涂層材料是一種具有不同拓撲結構和均一化學性質的生物材料，可望大幅度提高羥基磷灰石生物材料的生物相容性和生物活性，并實現臨床應用。
圖1為電化學沉積具有不同表面形貌的HA涂層SEM圖像。
圖2為典型的EDS譜圖。
圖3為鈦電極與鈦電極表面電化學涂覆鈣磷鹽涂層的XRD譜比較。
圖4是不同電化學沉積時間的產物紅外吸收譜圖。
圖5是納米羥基磷灰石沉積層上MG63細胞生長形態SEM圖。
圖6是堿熱處理純鈦表面上MG63細胞生長狀態的SEM圖。
具體實施例方式
實施例1取基底材料為厚2mm Ti6A14V合金，表面用金相砂紙機械打磨至鏡面，并用無水乙醇和去離子水清洗干凈，干燥備用；配制電沉積溶液為含有1×10-3摩爾/LCa(NO3)2和0.6×10-3摩爾/LNH4H2PO4的電解液，采用0.5摩爾/LNaNO3為支持電解質，電解液pH＝5.50，控制電壓為10V，進行陰極電化學沉積，控制溫度70℃，電化學沉積2h，在鈦表面獲得花簇狀納米有序羥基磷灰石沉積層(見圖1a的HA涂層SEM圖像)，晶粒尺寸～300nm。涂層的EDS譜見圖2，其元素分析見表1。根據電化學沉積涂層的EDS譜可知涂覆層主要由鈣磷鹽組成，鈣磷比約為1.4。XRD譜見圖3。電化學沉積鈣磷鹽膜層的XRD測試表明在相當寬的制備參數范圍內均能得到羥基磷灰石。結合EDS分析數據(涂層的鈣磷比小于理論值1.67)，可推斷在此條件下，電化學沉積涂層成分為含鈣離子缺陷的羥基磷灰石(CDHA)，其化學式為Cax(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x。
實施例2基底材料為厚3mm純鈦板，表面用金相砂紙機械打磨至鏡面，并用無水乙醇和去離子水清洗干凈，干燥備用；電沉積溶液為含有4.2×10-4摩爾/LCa(NO3)2和2.5×10-4摩爾/LNH4H2PO4的電解液，采用0.5摩爾/LNaNO3為支持電解質，電解液pH＝6.00，控制電壓為3V，進行陰極電化學沉積，控制溫度90℃，電化學沉積1h，在鈦表面獲得直立狀納米有序羥基磷灰石沉積層(見圖1b)，晶粒尺寸～100nm。
實施例3基底材料為厚3mm純鈦板，表面用金相砂紙機械打磨至鏡面，并用無水乙醇和去離子水清洗干凈，干燥備用；電沉積溶液為含有1×10-4摩爾/LCaCl2和0.6×10-4摩爾/LNaH2PO4的電解液，采用0.1摩爾/LNaCl為支持電解質。電解液pH＝7.20，控制電流密度為1mA/cm2，進行陰極電化學沉積，控制溫度100℃，電化學沉積1h，在鈦表面獲得微孔狀納米有序羥基磷灰石沉積層(見圖1c)，晶粒尺寸～60nm。
由圖1可見，電化學沉積的鈣磷鹽膜層的基本構造單元一般為針狀晶體，其晶粒尺寸隨制備條件而變化，可以是具有六邊形截面的較大的偏柱狀的晶體，也可以是截面尺寸相當小(約幾十納米)而呈線狀的晶體，由這些晶體構成的鈣磷鹽涂層的形貌也隨制備條件呈現有趣變化，從比較規整的直立狀到成簇的花狀到微米級孔狀等，這種由納米級羥基磷灰石的有序排列構筑的微米級結構對涂層的生物學性能具有重要意義。
實施例4-7基底材料為厚3mm純鈦板，表面用金相砂紙機械打磨至鏡面，并用無水乙醇和去離子水清洗干凈，干燥備用；電沉積溶液為含有4.2×10-4摩爾/L CaCl2和2.5×10-4摩爾/L NaH2PO4的電解液，電解液pH＝6.2，控制電流密度1mA/cm2，進行陰極電化學沉積，控制溫度80℃，控制電沉積時間分別為0.5、1、2、4h，在鈦表面獲得納米有序羥基磷灰石沉積層，相應涂層的紅外光譜見圖4a、b、c、d。從圖中可以看出，隨著電化學沉積時間的加長，電化學沉積鈣磷鹽膜層中的對應氫氧根與磷酸根的譜峰逐漸增強，其譜峰具體歸屬列于表2。圖中由a到d譜線的譜峰強度的變化對應于沉積量的變化，證明隨著沉積時間的加長，電化學沉積鈣磷鹽膜層不斷增厚，膜層的化學組分基本不發生變化。
實施例8基底材料為單晶硅片噴500nm鈦，用無水乙醇和去離子水清洗干凈，干燥備用；電沉積溶液為含有2.5×10-4M Ca(NO3)2和1.5×10-4M NH4H2PO4的電解液，電解液pH＝7.0，控制電流密度5mA·cm-2，進行陰極電化學沉積.控制溫度70℃，電化學沉積1h，在鈦表面獲得納米有序羥基磷灰石沉積層。制得涂層用于體外細胞培養實驗。
體外細胞培養試驗采用MG63人成骨肉瘤細胞，細胞培養采用RPMI1640培養基(含15％胎牛血清，青霉素100U/ml，鏈霉素100μg/ml)，在二氧化碳培養箱(5％CO2，37℃，飽和濕度)中培養。細胞接種于材料，于培養箱中培養兩天后，用2.5％戊二醛溶液固定2h，取出依次清洗、脫水、臨界點干燥和噴金后用掃描電子顯微鏡觀察。
圖5是納米羥基磷灰石沉積層上MG63細胞生長形態SEM圖。由放大100倍的圖像可知，細胞生長數量很大，基本覆蓋了整個材料表面，放大2000倍的圖像可以看到細胞有向涂層內部嵌入生長的趨勢，而放大30000倍的圖像清楚顯示出細胞與材料的緊密結合，與其他材料的平行試驗比較(圖6)結果表明，按此方法制備的納米結構有序的羥基磷灰石涂層具有超高的生物活性，而且納米結構有序的羥基磷灰石涂層對細胞表現出優異的親和性。
權利要求
1.納米有序羥基磷灰石涂層的電化學制備方法，其特征在于其步驟為1)將基底材料表面機械打磨并清洗干凈備用，基底材料為鈦或鈦合金；2)配制電沉積溶液，電沉積溶液中含1×10-3～1×10-4摩爾/L Ca(NO3)2或CaCl2和1×10-3～0.5×10-4摩爾/LNH4H2PO4或NaH2PO4的電解液，采用NaNO3或者NaCl為支持電解質，調節電解液pH＝5.50～7.20；3)電化學沉積，控制電壓為1～20V或電流密度為0.1～10mA/cm2，進行陰極電化學沉積，控制溫度70～100℃，電化學沉積0.1～10h。
全文摘要
涉及一種通過電化學沉積在醫用金屬表面可控制備納米有序羥基磷灰石涂層的新方法。電沉積溶液為含有1×10
文檔編號C25D9/00GK1587442SQ20041007150
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月6日 優先權日2004年7月6日
發明者林昌健, 胡仁, 時海燕, 林理文, 莊燕燕 申請人:廈門大學