[发明专利]一种表面双层涂层的铝合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种表面双层涂层的铝合金及其制备方法和应用。具体而言，本发明通过微弧氧化法在铝合金表面生成双层涂层，同时赋予涂层不同的金属元素，改变铝合金表面结构和物理化学性能，同时抑制率离子的释放；并且这种涂层还能改善铝合金表面的生物活性，使其在修复骨缺损的同时也促进新骨再生的功能，同时能抵抗植入物细菌感染，减缓炎症反应；获得理想的医用功效。并且铝合金质量轻，强度高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。并且基于微弧氧化的元素掺杂涂层制备方法简单，成本低，加上铝合金材料成本低廉，可批量生产，利于工业生产。因此，这种改性后的植入材料在生物医用领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种表面改性的铝合金，尤其涉及一种表面双层涂层的铝合金及其制备方法和其在生物医用领域的应用。

背景技术

随着临床医学和材料科学的不断发展，新的医用金属植入材料不断应用于临床，特别在骨科领域中，作为骨内金属植入体和硬组织修复材料的接骨板、髓内针、钉-棒系统以及人工关节假体等等医用金属植入材料得到了广泛的临床应用。但是对于生物有机体而言，医用金属植入材料毕竟还是异物，在物理和化学性能方面与体内环境还存在着巨大的区别。因此，提高医用金属植入材料的生物相容性依旧是我们研究的主题，让植入体能够与周围的骨组织形成稳定的生物结合。

临床上目前用于外科植入假体和医用矫形器械材料的产品主要是不锈钢产品、钴合金材料产品、钛合金材料产品等三大系列产品[1]。虽然医用不锈钢(Stainless Steelas Biomedical Material)拥有良好的机械特性，很适合作为内植材料，但目前还并未完全解决其在体内容易腐蚀的问题，只适合于作为暂时性的内植物材料，而不宜长期植入[2]。与不锈钢材料相比，钴合金具有更稳定的纯化膜和更好的耐腐蚀性，并具有较强的耐磨损性，更适于长期应用于体内的高应力部位[3]。骨科临床上所使用的人工关节假体上，耐磨损部件多采用此材料制造。但是由于钴合金价格较贵，并且钴合金制作的人工髋关节由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子溶出，在体内的松动率较高，析出的Co、Ni元素又存在着严重致敏性等生物学问题[2]，在体内容易引起细胞和组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉，应用受到一定的限制。具有相对较低的材料密度、兼具有比强度高、弹性模量低、耐腐蚀、卓越的生物相容性等优点的钛合金材料[4-5]在临床应用研究远远超过前两者。然而医用钛合金的弹性模量(55-120GPa)比人体皮质骨(17GPa)高出了2-6倍，这也导致了它在植入骨缺损部位后会由于对毗邻骨组织的应力屏蔽效应(stress shieldingeffect)而不利于植入物与骨组织界面附近的新骨生长，并且钛合金的成本也不低廉。越来越多的新型合金植入材料正在被开发研究，如形状记忆合金植入材料[6]和纯金属钽、铌、锆[7]。

同时，近年来这些医用合金植入材料的表面改性工艺是不断发展的，微弧氧化(Microarc oxidation，MAO)[8]就是其中一种不断完善的表面处理技术，这种技术又称微等离子体氧化(Microplasma oxidation,MPO)，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。具有材料表面硬度高、耐磨性能好、工艺可靠、设备简单、操作方便等特点。这种工艺过程中加入的钙、铁和锌等均是人体重要的微量元素，其有助于细胞增殖分化及有关酶系统发挥其功能活性，加速骨的形成和钙化，从而促进骨折愈合[9]；同时，锌还具有抑菌性能[10]。

医用合金植入材料在使用过程中特别容易出现以下三个问题：①合金材料中的微量元素的析出导致的潜在细胞生物毒性及组织器官的损伤；②随着使用年限的增加，潜在的关节假体材料的表面金属磨削导致的局部炎症反应；③植入材料的相关感染的风险，细菌生物膜的形成等等导致假体的松动等等。而植入物相关感染对外科医生来说，尤为棘手，一旦出现，便会导致灾难性后果。

参考文献