[发明专利]硅酸二钙涂层－钛合金承载骨替换材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新的骨替换材料及其制备方法，更确切地说是涉及等离子喷涂方法制备硅酸二钙生物活性涂层—钛合金承载骨替换材料，属于医用生物陶瓷涂层领域。

背景技术

利用等离子喷涂技术将生物活性陶瓷喷涂于钛合金基体上，是当今制备出既具有优良的机械性能，又具有良好的生物活性和生物相容性的承载骨替换材料最常用的方法之一。然而，由于常用的生物活性陶瓷(如羟基磷灰石和生物玻璃等)涂层与钛合金基体结合较弱，使它们的应用受到了一定的局限。虽然人们采用各种措施去改善它，如复合涂层和梯度涂层技术和方法，但都未取得满意的结果。

1969年，Hench及其同事发现某些玻璃能同骨骼形成化学键合，生物活性玻璃和A-W玻璃陶瓷已被广泛地应用于骨组织的修复和重建。Kokubo发现在模拟体液中CaO-SiO₂基玻璃表面能形成类骨磷灰石层，而CaO-P₂O₅基玻璃表面并没有类骨磷灰石形成。这意味着CaO和SiO₂成分是生物活性玻璃在体内与骨发生化学键合的主要原因。由氧化钙和氧化硅二种氧化物组成的硅酸二钙(Ca₂SiO₄)理应具有生物活性，能诱导类骨磷灰石在其表面形成。同时硅酸二钙也应同生物活性玻璃类似具有良好的生物相容性。但迄今为止，未见将硅酸二钙作为生物活性的骨替换材料的文献报导。追其原因可能同其它陶瓷材料一样，由于其综合力学性能不理想，尤其是低的断裂韧性，限制了其在承载骨替换材料方面的应用。D.Lamy等人仅将硅酸二钙作为等离子喷涂羟基磷灰石涂层的结合层，以提高等离子喷涂羟基磷灰石涂层的结合强度，但未进行材料的生物活性与相容性研究与表征(D.Lamy，A.C.Pierrc and R.B.Heimann.Hydroxyapatite coatings with a bond coat ofbiomedical implants by plasma projection.J.Mater.Res.1996；11：680-686.)。

发明内容

本发明是基于硅酸二钙的化学成分同生物玻璃类似和大气等离子喷涂技术，将硅酸二钙涂层与钛合金基体，使之具有较高的结合强度而提出的。也即利用大气等离子喷涂技术选用合适工艺条件，将硅酸二钙沉积于钛合金基体上，制备出一种既具有优良的生物活性和生物相容性，又与基体有较高的结合强度的承载骨替换材料。

本发明的具体工艺过程如下：

(1)首先合成Ca₂SO₄，将化学纯的CaCO₃和SiO₂按摩尔比2∶1配料，在水介质中球磨混合12小时，干燥后放入刚玉坩锅中，在1400～1450℃保温1-3小时，利用固相合成反应，制得粒径介于5-30μm的γ-Ca₂SiO₄颗粒。

(2)利用大气等离子喷涂技术在钛合金基体上沉积硅酸二钙层，从而制成承载骨替换材料。具体是在优化的工艺参数(见表1)下将硅酸二钙粉末喷涂于已清洗和喷砂的钛合金基体上。钛合金基体的清洗和喷砂是一般等离子喷涂过程中常用的的工艺，本领域的一般技术人员均能掌握其工艺参数。所述钛合金基体组成为Ti-6Al-4V，沉积层的厚度即涂层厚度通常为50-400μm。

                     表1    喷涂参数

等离子体气体Ar  38～44slpm^* 粉末载气Ar  3.0slpm

等离子体气体H₂ 8～14slpm    送粉速率    20g/min

喷涂距离        90～110mm    电流        550～650A

^*slpm：标准升/分钟