[发明专利]一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及医用生物涂层技术领域，具体涉及一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层及其制备方法。

背景技术

骨科植入体手术中导致手术失败的主要原因包括植入体与相邻骨组织之间骨结合能力差、力学性能不匹配和手术中引发的植入体感染等。其中植入体感染成为了骨科植入手术中较严峻的难题之一。据文献报道，骨折固定、关节置换和关节修复手术中的植入体感染率分别达到2％、5％、14％，给患者术后愈合带来了极大的不便。为了预防植入体相关的感染，较理想的方法是使植入体本身具备抗感染能力。因此，在植入体材料表面制备抗菌涂层得到了广泛关注。

上述抗菌涂层的制备方法可以采用等离子喷涂工艺，等离子喷涂过程是一种在等离子区、喷涂粉体、金属基体之间复杂的热交换过程，它是以等离子焰流为热源的热喷涂，利用等离子枪产生的等离子流将粉末加热和加速，在熔融或接近熔融的状态下喷向基底表面形成涂层。等离子弧产生的温度高达16000℃，喷流速度达300～400m/s，因而可以喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层，用该法制备的涂层有较高的结合强度，气孔及夹杂少，尺寸易于控制。涂层的显微结构与等离子喷涂工艺参数、喷涂粉体的成分密切相关。由于等离子焰温度高达数千度，当喷涂粉体进入等离子火焰后被迅速加热升温，部分或全部变成熔融状态，并随着高温等离子火焰撞击冷的基体表面，以高达106～108℃/s的冷却速度冷却形成涂层。

然而，利用等离子体喷涂方法在钛和钛合金等金属(或合金)植入材料表面制备的硅酸钙涂层能够赋予其良好的生物活性，增强其与骨组织间的结合，但不具抗菌性。另外，硅酸钙涂层在生理体液侵蚀下的降解速度过快，其长效稳定性能有待提高。近期研究发现，在硅酸钙涂层中添加锌元素，可有助于改善涂层的稳定性，亦可赋予其一定的抗菌性能。如锌质量分数为5％的锌掺杂的硅酸钙基涂层对葡萄球菌的抗菌率达80％，但抗菌性能还需进一步提高。银是最重要的无机抗菌元素之一，已在诸多抗菌剂中得到应用，但其成本高，且在单独使用时存在安全性问题(10mg/L的银离子浓度是人体细胞所能承受的最高毒性浓度)。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明人意识到可以通过等离子体喷涂工艺采用锌和银共掺杂的方式，提供一种在硅酸钙基涂层中含有适量的锌和银的生物相容涂层，使其不仅具有优良的生物活性和生物相容性，而且具有抗降解性和抗菌性。

为此，本发明提供一种抗降解和抗菌性能良好的生物涂层，其中，所述生物涂层形成于作为医用金属或医用合金材料的基材的表面，为银和锌共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料粉体涂层，且所述涂层中银、锌和钙的摩尔比为0.01～0.5∶0.1～1.0∶1。

在本发明中，通过添加适量的锌，可以防止硅酸钙涂层的降解的同时赋予抗菌性，通过添加适量的银，可以进一步提高生物涂层的抗菌性。

所述涂层中银、锌和钙的摩尔比优选为0.05～0.2∶0.3～0.5∶1。

所述基材可以采用包括纯钛、钛合金、不锈钢或钴铬钼合金的医用金属或合金材料。这样的材料可以提供较好的强度、韧性和优良的加工性能。

本发明还提供一种上述生物涂层的制备方法，其中，包括配制银、锌和钙摩尔比为0.01～0.5∶0.1～1.0∶1的干凝胶的步骤A；将所述干凝胶于1200～1350℃高温烧结制得银和锌共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料的步骤B；将所述硅酸钙基陶瓷材料研磨得到粉体，采用等离子体喷涂工艺将所述粉体喷涂在预处理后的基材表面，形成生物涂层的步骤C。

在喷涂工艺中，等离子体气体Ar流量优选为30～50slpm；等离子体气体H₂流量优选为6～18slpm；粉末载气Ar流量优选为1.5～5slpm；喷涂距离优选为80～330mm；喷涂功率优选为30～55kW；送粉速率优选为8.0～30g·min^-1。所述的slpm是指标准升/分钟。选择合适的工艺条件，可以在保证生物涂层的生物活性和生物相容性的同时提高基体与涂层之间的结合强度。

所述预处理包括将基材表面进行喷砂处理的步骤。优选地，包括将基材表面进行喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声，之后在100～120℃下干燥的过程。所述喷砂处理的压强优选为0.1～0.5Mpa。这样，可以提高涂层与基体的结合强度。

将所述硅酸钙基陶瓷材料研磨得到的粉体的粒径范围可以为10～200微米，优选为120微米。选择合适的粉体粒径有利于提高涂层的结合强度。

本发明提供的具有锌和银共掺杂的硅酸钙基陶瓷材料粉体涂层，可应用作为骨组织修复与替换材料。