医用镁合金矿化磷灰石涂层概要.docx

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医用镁合金矿化磷灰石涂层概要

金属表面的仿生矿化磷灰石涂层

高机械强度的金属与磷酸钙的骨传导性的的组合使钛植入物上的羟基磷灰石涂层广泛用于整形外科手术。

最受欢迎的涂层的方法是等离子喷涂，但是具有一些严重的缺点是无法覆盖多孔植入物和包括生物活性剂，分层，和颗粒的释放。

这项研究的目的是使用一个两步骤的仿生过程来阐述钛和多孔钽植入物磷酸钙涂层的致密度，强度，厚度。

第一步，所述植入物浸渍在溶液中，此溶液浓度比常规的模拟体液（SBF-A溶液）浓度高了5倍。

将薄而均匀的无定形磷酸钙涂层沉积在所述的金属上。

然后，将植入物浸入SBF-B的溶液中，其中有类似的组合物作为SBF-A溶液，但具有降低的晶体生长抑制剂的成分（即Mg2+和HCO3-）。

这就产生了一个快速沉淀的30微米厚的结晶磷酸钙涂层。

对SBF-B溶液和结晶被覆层的厚度的pH值进行了研究，此研究作为时间的函数。

傅里叶变换红外光谱和X射线衍射图表明，这种新的涂层非常类似于骨矿物质。

植入物的仿生涂层应促进骨的快速形成，减少手术后病人的恢复时间。

I.引言

等离子喷涂涂层，主要是羟基磷灰石（HA）覆在钛合金（Ti6Al4V合金）表面已被广泛用于在重建髋关节和膝关节的整形外科手术。

早期的研究表明，经过10多年的研究这些涂层提高临床的成功率，将失败率降低为2％。

尽管有出色的临床表现，但是等离子体喷涂工艺是被其固有的缺点所限制。

例如，这个过程发生在高温下。

因此，该过程限制于热稳定的阶段，如HA，以及生长因子的结合刺激骨愈合是不可能的。

此外，这一过程不能提供均匀的涂层附着在多孔金属表面。

最近，为了改善涂层的质量，其他的技术已被研究，例如电泳沉积，溅射沉积和溶胶-凝胶。

然而，从模拟体液（SBFs）中沉积磷灰石涂层，此方法替代等离子喷涂等其它涂装方法，成为了最佳的方法。

其中，仿生方法主要有四个优点：

（1）在低温过程中，它适用于任何热敏性基材包括聚合物；

（2）它形成具有高生物活性和良好吸收特性的类骨磷灰石晶体；（3）它使多孔的或复杂的植入物均匀地沉积在基体表面；（4）它可以刺激骨的生长因子。

这种仿生方法是在符合生理学温度和pH值的模拟体液中的浸泡金属植入物在。

磷灰石涂层已成功地通过化学预处理的方法在玻璃，金属，和在亚稳SBF聚合物的基体中浸渍形成，虽然SBF模仿无机组合物，pH值，和人血浆的温度，但是这些条件是否最适合于涂覆工艺还是未知的。

事实上，先前已经获得关于预处理基材的薄磷灰石层的浸泡时间（即，7-14天）与SBF的日常更新，这个结果来源于SBF的稳定性。

该方法需要补充和恒定的pH维持过饱和的磷灰石晶体的生长。

由于HA的低溶解度的产物和亚稳相的有限浓度范围，导致这种操作非常困难，并可能导致局部沉淀或不均匀的涂层。

这是一个复杂和漫长的过程，难以在涂层假体行业适用。

本文描述了一种对钛合金涂层的新的仿生路线和在多孔钽表面形成具有均匀和厚的HA层。

由此，没有化学预处理的基体是必要的，我们的工艺利用较高溶解度的磷酸钙在酸性条件下和其沉淀在中性pH值条件下。

一个弱酸气态（CO2），用于降低pH值，从而允许更高离子浓度的SBFS。

而CO2气从溶液中自然释放出来，于是，pH值和饱和度缓慢均匀地增加。

因此，含有HA的植入物晶体析出碳酸。

II.试验方法

（1）材料

仿生涂层涂敷在两种不同的材料：

Ti6Al4V合金板（20mm*20mm*1mm;SmitfortStaalBV,Zwijndrecht,荷兰）和多孔钽汽缸。

涂层的粘合强度取决于仿生HA涂层的机械联锁和植入物表面，为了获得最佳的涂层，必需使平均表面粗糙度达到3.5微米。

使用刚玉颗粒与4bar的压力下595- 841微米的粒度（StratecMedical,Obendorf,Switzerland），通过喷砂的方法获得钛合金板的表面粗糙度。

多孔钽植入物由纯钽化学气相渗透制造的，并得到高孔隙玻璃碳骨架（ImplexCorp,Allendale,NJ）。

该结构的孔隙度为〜75％，且相互连接的孔的平均尺寸为450微米。

涂覆之前，对植入物在含丙酮，乙醇（70％）的去离子水中进行超声波清洗15分钟。

（2）涂层解决方案

涂覆过程包括两个步骤。

第一步，在金属表面上进行非均匀形核并获得薄和非晶态磷酸钙层。

第二步，由于较低的Mg2+和HCO3-，使植入厚并且呈结晶态磷灰石涂层得到有利的增长。

在SBF-A和SBF-B方案（表Ⅰ）是按照Kokubo的SBF溶液制备的，其中不含TRISbuffer，K+离子和SO4-硫酸根离子。

在第一步骤中的溶液，SBF-A溶液中的NaCl,MgCl2_6H2O,CaCl2_2H2O,Na2HPO4_2H2O,andNaHCO3比Kokubo的SBF溶液高了五倍。

与SBF-A溶液相比SBF-B的溶液具有相同的组成，如前面所解释的，晶体生长抑制剂的含量（即，Mg2+和HCO3_）均较低（表Ⅰ）。

所有的盐（试剂;Merck,Darmstadt,德国）进行精确称量（+/-0.01克）并溶解在去离子水中，以650升/分钟通入CO2气体20分钟并以250转/分钟高速搅拌。

在涂覆SBF-A和SBF-B的溶液时，将pH演变研究作为时间函数。

作为参考，在含683mM的NaCl的去离子水的浓度的溶液研究PH值的变化。

（3）涂覆工艺

所有实验均在一个7L的生物反应器（ApplikonDependableInstruments,Schiedam,TheNetherlands）（图1）进行的。

所述植入物首先在SBF-的溶液浸泡24小时并与磷酸钙细胞核涂覆在金属表面。

在此过程中，温度保持在37.C并将该溶液在250rpm下搅拌。

在空气中交换溶液中的CO2气体，并在容器顶部通450毫升/分钟流速的风。

另外，增加空气的流速（500毫升/分钟流速）后，该溶液的pH达到7.1。

在该过程结束时，用去离子水清洗涂覆的样品并在空气中干燥过夜。

然后，将植入物浸泡在适合晶体生长条件的SBF-B液中48小时，温度保持在50.C并且搅拌速度在250rpm。

使用上述相同的通风环境，在此过程中，两种样品分别在1，2，3，4，5，6，7，8，24，和48小时后从溶液取出。

最后，用去离子清洗涂覆的样品并在空气中干燥过夜。

在两个过程的结束时，溶液通过Whatman滤纸第5号（（Whatman,Inc.,Clifton,NJ）进行了过滤，然后收集沉淀物，并在50.C干燥过夜。

（4）涂层的化学和结构研究

对所有的样品先进行宏观的研究，通过在溅射金后，将涂覆的样品在装有电场发射枪的环境扫描电子显微镜（ESEM-FEG;ModelXL-30,Philips,Eindhoven,TheNetherlands）下观察,并加以10keV的加速电压，再加上X射线能量色散分析（EDAX），以检查是否有磷酸钙涂层。

涂层的厚度使用涡流电流（电磁）试验方法（ElectrophysicMinitest2100,Radiometer,哥本哈根，丹麦）来确定。

涂层和沉淀物通过傅立叶红外光谱（FTIR;ModelSpectrum1000,Perkin–ElmerAnalyticalInstruments,Norwalk,CT）和X射线衍射（XRD;Miniflexgoniometer,Rigaku,东京，日本）进行检测，其中X射线是由单色源产生（CuK_α，λ=1.54Å,30kV,15mA）。

所有的X射线衍射图案被记录在相同的条件下（扫描范围：

2θ=3.00°–60.00°;扫描速度：

2.00°/分钟;扫描步骤：

0.02°）。

对该涂层和磷酸钙比的结晶度进行了测定。

涂层和沉淀具有相似的红外光谱和XRD图谱，为方便起见，对沉淀进行分析。

III.结论

（1）pH值分析

比较氯化钠对照溶液,SBF-A溶液和SBF-B溶液pH值曲线随时间的变化，据观察，所述氯化钠对照溶液的初始pH值（3.7）比SBF-A溶液的初始pH值和SBF-B溶液（5.8和5.7，分别）的初始PH值显著降低。

24小时后的NaCl对照溶液的最终PH值（6.6）比SBF-A溶液的最终PH值和SBF-B溶液的最终PH值（8.3和7.9，分别）低。

此外，的NaCl对照溶液合SBF-A溶液的pH从开始到结束的过程中逐步增加，而在SBF-B溶液过程中，观察到pH逐步下降。

（2）涂覆工艺

植入物浸泡在SBF-A溶液中的24小时后，表面覆盖有约3微米厚的磷酸钙薄膜。

由ESEM照片表明，该磷酸钙层均匀地沉积在Ti6Al4V表面（图2的（a）），该涂层致密，由小球体组成。

在涂覆试样时的干燥过程当中，这种薄涂层可能形成一些裂缝。

由镁和钠组成的EDAX谱（未示出）表示的钙与磷酸盐的峰，还检测到该Ti6Al4V基底的小峰。

沉淀和涂层的FTIR光谱（图3（a））显示出特征的磷酸盐和碳酸盐的频带。

将高和广阔的频带分配到氢氧拉伸和粘结，分别在3435cm-1和1642cm-1进行观察。

此外，在868cm-1，1432cm-1，和1499cm-1 的三个波段，对应3组CO的数据。

最后，在560cm-1和1045cm-1显示的部分频带存在的PO4。

这FTIR光谱是碳酸化结晶磷酸钙的特性。

沉淀物在SBF-A溶液中X射线衍射图案（图4（a））证实了FTIR分析结论，并显示出非晶相的光环特性。

在SBF-B的溶液中的浸渍处理用于开发Ti6Al4V表面从第一层涂覆处得到第二涂层。

在SBF-B溶液浸泡过程中，研究了pH值和涂层的厚度（图5）。

初始溶液的pH值稳定在5.7。

在此过程中的第一个4小时后，pH值逐步增加到6.2。

又过了4小时，pH值下降了0.4个单位值。

经过这次下降后，pH再次开始增加，24小时后达到了8.2。

将溶液的pH值拟订之后直至48小时，最终的pH值为8.9。

在此过程中的第一个4小时后，并将溶液保持透明，且第二涂层的厚度增长速度非常慢（即，〜1.5微米/小时）。

在pH值下降的过程中，溶液中发生沉淀。

pH值下降后，涂层厚度开始上升并且pH值显著增加。

当浸泡5和6小时之间，涂层厚度增加至约30微米，在这之后的48小时浸泡中基本保持恒定。

浸泡5和6小时后的扫描电镜照片中的钛植入物（图2的（b）和（c））表示出了许多不同之处。

5小时后，金属覆盖着松散的磷酸钙粒子，然而表面看起来粗糙，没有任何明显的晶体，并且磷酸钙层的厚度也局部不同。

浸泡6小时后，涂层厚度为30微米。

在这种情况下，整个金属表面均匀覆盖有良好的，且带蓝色的球状与一些细小晶体的涂层。

该涂料包含了许多宽的裂缝。

经过24小时浸泡后，涂层的厚度相比于涂层浸泡6小时的厚度没有发生显著变化。

然而，表面由尺寸为1-3um结构良好的晶体构成，该涂层显得更均匀和更致密（图2（D）），并且出现的裂缝也窄得多。

如前所述，侵泡在SBF-A溶液中涂层的EDAX波谱图具有很高的钙和磷酸盐的峰值，且镁，钠和钛的峰值比较低。

涂层浸泡在SBF-B液5小时后的EDAX谱显示较低的钙与磷酸盐波峰和更高的钛的峰值，这表明非晶态涂层部分溶解。

镁的峰值也较低，这表明涂层从SBF-A和SBF-B的溶液中得到镁离子的能力比较差。

涂层浸泡在SBF-B液6h后，磷酸盐和钙得波峰增加，并且钛的峰值降低，这些证实了涂层的生长。

最后，浸泡24小时后该涂层的EDAX光谱表现出非常高的钙和磷酸盐的波峰，而钛的峰值则不可见了。

多孔钽缸的表面浸泡在SBF-B的溶液24小时后的扫描电镜照片（图6（a））的显示，所述多孔结构被覆盖有均匀的结晶磷酸钙涂层。

在横截面的表面（图6（b）），涂层在植入物内是可见的。

所有孔均涂有厚厚的磷酸钙层。

从使用SBF-B的溶液中的沉淀物的FTIR光谱中，且聚集在400cm-1和4000cm-1之间（图3的（b）），显示出碳酸磷灰石A-B型的特性。

在3435cm-1和1640cm-1的频带对应于氧-氢基团。

在1493cm-1，1417cm-1和872cm-1观察的CO3集团频带，而在1061cm-1，599cm-1和563cm-1的频带被分配到PO4/HPO4组。

XRD图谱显示出宽的衍射线（图4的（b）），这些衍射线的位置和强度指示磷灰石结构。

处于2θ=32.1°的峰对应重叠（211），（112），（300）和（202）的衍射面。

此外，在2θ=25.8°的峰值，且对应于（002）的衍射面，表明在SBF-B的沉淀物中由小磷灰石晶体组成。

该结晶的大小为2-3微米，沉淀物的结晶度为75％，并且它的磷酸钙比为1.67。

先前公布的结果表明，最终的磷灰石涂层是良好的附着于Ti6Al4V合金基底，并且在试验中观察到没有涂层脱层或剥落的刮擦的现象。

IV讨论

实验的结果表明，高浓度的溶液可以通过加入弱酸性的二氧化碳气体来获得。

众所周知，磷酸钙盐的溶解度随pH的降低而增加。

溶解的CO2气体导致的pH降低并且生成碳酸H2CO3（反应

（1）），在这之后的酸立即解离，并生成HCO3_和CO32_（反应

（2）和（3））。

CO2+H2O<-->H2CO3

（1）

H2CO3+H2O<-->HCO3_+H3O+

（2）

HCO3_+H2O<-->CO32_+H3O+（3）

当CO2气体从溶液中逐渐释放，pH值再慢慢增加。

在参考氯化钠的情况下，pH值从开始到结束的过程中增加逐渐，并且慢慢接近的水的pH值（6.5）。

在二氧化碳气体的溶解过程中，SBF溶液中存在HCO3_和HPO42_离子与CO2和HCO3_离子一起形成的离子（反应

（2）和（3）），导致缓冲溶液的形成。

这也许可以解释SBF-A和SBF-B的溶液的初始pH值比该氯化钠参考溶液的初始pH值高。

在SBF-B溶液过程中，在pH值下降的时候，同时观察到溶液中开始产生沉淀。

结晶相沉淀的现象可以说明为何pH值下降，根据反应（4）。

10Ca2++6PO43_+2OH_<-->Ca10（PO4）6（OH）2（4）

由于OH_离子在溶液中的减少导致观察到了pH值得下降。

沉淀发生后，CO2气体继续从溶液中释放出来，因此，pH值逐渐增加，直到该过程结束。

与SBF-B液进行比较，在SBF-A液中存在更多的HCO3_（表一）。

因此，在CO2/HCO3_耦合的缓冲能力较高。

与使用SBF-B溶液进行比较，这或许可以解释在使用SBF-A的溶液中初始pH值稍高和pH下降的现象。

在涂覆过程中影响pH演变的另一个可能因素氯化钠的物质的量，即，溶液的离子强度。

低离子强度的情况下，溶液中的CO2释放的速率比较高，接着pH值也上升。

这将导致在溶液中产生一个早期和突然的沉淀。

因此，该溶液的过饱和度被显着降低，而较少的离子物质溶液用于在基板上的磷酸钙成核。

此外，磷酸钙浓度与沉淀的pH值之间的关系：

在低浓度时，沉淀的pH值较高。

如前所述，通过浸泡在SBF-A的溶液中制得金属试样表面一个3um厚的非晶态碳酸磷酸钙层。

在由我们的组进行的体内实验（未发表的结果）表明，该非晶涂层太薄，以便能够提高植入物与骨的整合。

而且，先前在体外溶解实验表明，在两个酸性和中性pH溶液中，无定形碳磷酸钙溶解明显快于其他磷酸钙涂层（即，octacalciumphosphate（OCP）,carbonatedapatite（CAp）,andHA）。

根据文献和我们的经验，成功地提高了的金属植入物与骨整合的涂层需要厚且结晶足以容纳骨愈合的过程。

为了在金属表面生长结晶性涂层，初步实验在没有浸没在SBF-A的溶液中进行。

通过将干净的Ti6Al4V直接浸入SBF-B的溶液，得到一种松散和不均匀的层，其显示了非晶态预涂覆的相关性。

这就是为什么我们的仿生涂层包括两个步骤。

植入物在SBF-A溶液中浸泡是必要的，这是为了在金属表面覆盖磷酸钙涂层。

在此成核过程中，溶液中的磷酸钙离子沉淀在金属表面上。

一些晶核可能在溶液中溶解并且一些晶核的尺寸可能扩大。

如果其他的种子在其间形成，均匀形核（沉淀）自发地发生在溶液中，并可以继续进行。

另一方面，非均匀形核发生在金属表面。

在SBF-B液中，均匀形核的和非均匀形核发生竞争。

然而，核在金属表面比在溶液中更稳定。

因此，为了涂层随后的生长，重要的是在金属表面提供薄且均匀的磷酸钙涂层。

这个过程在SBF-A液的动力学通过Barre`reetal进行了详细报道。

达到其临界尺寸后，晶粒就可以开始成长为晶体。

晶体的成核和生长动力取决于溶液的温度，pH值，组成，和饱和度。

钙，磷离子，负责在金属表面上的磷酸钙层的形成，而镁和碳酸根离子利于非均匀形核，而不是晶体生长。

如列表I中，SBF-B的溶液与SBF-A溶液具有相同的组成，但Mg2+和HCO3_离子浓度较低。

从较低量的晶体生长抑制剂产生结晶磷灰石相，并在pH值下降时，在SBF-B的溶液中观察到沉淀开始生成。

另外，相比于SBF-A液，较少量的HCO3_离子降低CO2/HCO3_耦合的缓冲能力，并且由此变化的pH值可以被观察到。

在SBF-B溶液中，较少量的镁离子的可以加速磷酸钙沉淀，并使不断增长的涂层变得更加结晶化。

早期的研究证明，在过饱和溶液中，晶体生长很快发生。

这可以解释的是，在1h内，涂层厚度增长为25um的事实。

因为沉淀和晶体生长，钙及磷酸盐的量在溶液中减少。

沉淀开始后一小时，为了进一步增长，将钙和磷酸盐的含量降低。

晶体生长的终点和过程结束之间，存在钙和磷酸的量在溶液中达到平衡。

然而，该涂层可能溶解并沉淀到表面上，从而在该过程结束时得到更均匀和致密的涂层。

如前面提到的，致密附着薄膜，是因为在金属表面上的非均匀成核而形成的。

然而，为了防止松散的沉淀物在溶液中粘附到金属表面上，这是非常困难的。

这意味着，在不同程度上这两种现象有助于膜生长。

天然钙化组织（釉质，牙质，和骨）和仿生涂层之间的钙/磷酸盐比值是有差别的。

天然钙化组织的钙/磷比为〜1.60，这取决于许多参数，如年龄，性别，骨位点等。

通过在1000℃煅烧后，由XRD和FTIR确定仿生涂层具有1.67+/-0.02的钙/磷比率。

在仿生涂层的情况下，少量的镁，钠，可取代钙在HA晶格，降低了钙/磷酸盐比值。

然而，碳酸盐是能替代磷酸盐，这导致的HA转化为CAP，并增加了钙/磷酸盐比值。

因为第二个效果是非常强，整体效果与比骨相比具有较高的钙/磷酸盐比值。

通过红外光谱（图3）和X射线衍射图案（图4）表示我们的仿生涂层和骨之间的组成和结构具有相似性。

实验对不同的涂层在小鼠骨髓细胞培养的早期报告显示，众多的重吸收缺陷，骨细胞的重吸收的特征，细胞培养后发现碳酸磷灰石被。

在OCP涂层的情况下，没有凹坑可以被发现。

所得到的结果表明，通过在体外的骨细胞得到仿生磷酸钙涂层容易吸收。

这种现象相当于仿生涂层完全融入了人体。

与此相反，传统的等离子喷涂涂层可能脱离并释放不容易被细胞降解的大颗粒。

最后的结果可能表明，我们的仿生涂层的生物活性明显高于等离子喷涂涂层的生物活性。

然而，额外的体内研究是必要的，以确认这些预期。

V.结论

厚且均匀的磷酸钙涂层对Ti6Al4V合金的植入物和多孔钽基板的形成可通过使用包含两个步骤的仿生方法。

通过这种方法，涂层在几个小时之内的制备中，并没有任何化学预处理。

第一步的处理结果，形成薄的无定形涂层，第二步骤的过程中，快速沉淀了30+/-10微米厚的致密的磷酸钙涂层的。

这种涂层的形成Mg2+的含量有很强的联系。

在涂覆过程中的pH值的演变取决于溶液的离子强度（即，氯化钠的量），其中HCO3_离子与CO2一起形成缓冲溶液。

最终的涂层与骨质非常相似。

适用于致密多孔骨科植入物的仿生涂层应加强骨沉积和骨生长，从而导致假体与骨的快速和稳定的整合。