专利名称：一种医用生物植入体及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新的医用生物植入体及制备方法，更确切地说，利用等离子体射流喷涂技术，将Ca-Si-P-Mg四元系生物玻璃沉积于钛合金基体表面，制备成一种高强度医用生物植入体。属医用生物材料领域。
背景技术：
钛合金材料(Ti-6Al-4V)具有较好的生物相容性和优异的力学性能，早期被广泛应用于整形外科和人体硬组织的替代。但该合金材料缺乏生物活性，植入体内后不能与骨组织形成化学键合。羟基磷灰石(HA)具有优良的生物活性和生物相容性，在人体内能与骨组织紧密结合。但羟磷灰石(HA)块体材料力学强度差，不能承受骨的负载。目前国内外利用等离子体射流喷涂技术，在钛合金基表面喷涂羟磷灰石涂层，是改善医用生物植入体生物活性和力学性能的有效方法。但由于羟磷灰石热膨胀系数与钛合金材料的热膨胀系数相差较大(羟磷灰石热膨胀系数为16.4×10-6/℃-18.6×10-6/℃)，导致羟磷灰石涂层内应力较大，涂层与钛合金基体的结合强度差，使涂层很容易从基体表面脱落。
日本小久保教授在研究Ca-Si-P-Mg系生物玻璃的基础上，通过对Ca-Si-P-Mg系生物玻璃在1050℃进行热处理，制备发明了A-W玻璃陶瓷。该玻璃陶瓷由磷酸钙和硅酸钙晶相组成，具有优良的生物活性和力学强度。而磷酸钙和硅酸钙晶相的共存，其热膨胀系数有可能与钛合金材料接近，可改善涂层与钛合金基体的结合性能。
发明内容
本发明克服了现有技术的上述缺点，通过对(45S)生物玻璃和A-W玻璃陶瓷的组份设计及调整，研制出一种Ca-Si-P-Mg四元系生物玻璃，该生物玻璃热膨胀系数为9.61×10-6/℃-10.84×10-6/℃，与钛合金基体的热膨胀系数比较匹配，有利于涂层与基体的结合。
本发明目的在于利用等离子体射流喷涂技术，将特殊组份设计的Ca-Si-P-Mg四元系生物玻璃沉积于钛合金基体表面，制备成表面包覆生物玻璃涂层的人工关节、骨盆、接骨板、螺钉、齿根等医用生物植入体，涂层与基体结合牢固。
本发明所述的生物玻璃涂层由未结晶的玻璃相组成，含有磷酸钙和硅酸钙微结晶。
本发明所述的生物玻璃涂层厚度为300μm-600μm。涂层气孔率为11.0％-12.5％，涂层与基体间的剪切强度为19-26Mpa.涂层微孔尺寸在5-10μm之间。
本发明所述的Ca-Si-P-Mg四元系生物玻璃涂层，在人体内无毒副作用，无致突变性，工艺简单，成本低廉。
本发明所述的具体工艺为用熔融法制备的Ca-Si-P-Mg四元系生物玻璃，其组份为(Wt％)SiO2 35-42CaO 30-40P2O5 10-20MgO 4-8F 0-2本发明所述的等离子体射流喷涂工艺为等离子体喷涂主气体N2或Ar流量为30-46标准升/分钟等离子体喷涂气体(H2) 流量为5-10标准升/分钟喷涂距离 90-120mm粉末载气 N2或Ar流量为2-10标准升/分钟送粉速率 18g-25g/min
喷涂电流420A-500A喷涂电压75V-88V
图1为本发明提供玻璃涂层的电子显微镜照片。从图中可见，涂层具有多孔结构。微孔大小在5-10微米范围。这种微孔结构有利于骨组织长入并与其形成紧密结合。
图2为本发明提供的玻璃涂层和玻璃涂层在人体模拟体液中浸泡三天后的XRD图。从图中可见，玻璃涂层呈现非结晶玻璃相，其中含有磷酸钙和硅酸钙微小晶。而浸泡三天后的玻璃涂层，碳酸羟磷灰石的晶相已经很成熟，说明玻璃涂层在人体模拟体液中具有优良的生物活性。
图3为本发明提供的生物玻璃在人体模拟体液中浸泡三天后的扫描电镜照片。从图中可见，涂层表面生成大量的典型碳酸羟磷灰石晶体，说明玻璃涂层在人体模拟体液中具有优良的生物活性。
图4为本发明提供的生物玻璃涂层人工牙根植入狗口腔骨六个月后扫描电镜照片。T钛合金、S生物玻璃涂层、B骨组织。由图可见生物玻璃涂层与钛合金基体及骨组织结合非常紧密，已经与骨组织连成一片，形成紧密的板状骨。这说明玻璃涂层在体内具有优良的生物活性和生物相容性，能与骨组织形成骨性键合。
具体实施例方式
本发明优异的特点和效果可从下列实施例来描述，但它们并不是对本发明作任何限制。
实施例1 按照化学组份(Wt％)SiO2 40.9CaO39.2P2O5 13.0
MgO 6.4F 0.2配制成的粉料搅拌均匀后，经过1410℃高温熔融，然后迅速倒入水中淬冷，烘干制成喷涂粉料。利用等离子体射流喷涂技术，将生物玻璃粉料沉积于已清洗和喷沙处理过的医用钛合金基(Ti-6Al-4V)人工牙根种植体上(种植体直径为4mm)，喷涂工艺参数为等离子体喷涂主气体 (N2) 流量为40标准升/分钟等离子体喷涂气体 (H2) 流量为6标准升/分钟喷涂距离100mm粉末载气 (N2) 流量为3标准升/分钟送粉速率20g喷涂电流430A喷涂电压85V该玻璃涂层人工牙根种植体，涂层由玻璃相组成，其中含有磷酸钙和硅酸钙微结晶。涂层厚度为400μm左右，热膨胀系数为10.49×10-6/℃。涂层在模拟体液(SBF)中浸泡三天后，涂层表面生成大量的含碳羟磷灰石晶相。图1为玻璃涂层的XRD图，从图中可见，未浸泡玻璃涂层呈现非结晶玻璃相。图2为浸泡三天后的玻璃涂层，羟磷灰石的晶相已经很成熟，说明玻璃涂层在人体模拟体液(SBF)中具有良好的生物活性。图3为生物玻璃在人体模拟体液(SBF)中浸泡三天的电镜(SEI)照片，从图中可清楚地发现，表面生成大量的羟磷灰石晶体，说明玻璃涂层具有优良的生物活性和生物相容性。
实施例2 按照化学组份(Wt％)SiO2 41.0CaO 40.0P2O5 13.0MgO 6.0
配制成的粉料搅拌均匀后，经过1410℃高温熔融，然后迅速倒入水中淬冷，烘干制成喷涂粉料。利用等离子体射流喷涂技术，将生物玻璃粉料沉积于已清洗和喷沙处理过的医用钛合金基(Ti-6Al-4V)人工关节植入体上。喷涂工艺参数为等离子体喷涂主气体 (N2) 流量为45标准升/分钟等离子体喷涂气体(H2) 流量为6标准升/分钟喷涂距离 110mm粉末载气(N2) 流量为3标准升/分钟送粉速率 20g喷涂电流 450A喷涂电压 85V该玻璃涂层人工关节植入体，涂层厚度为500μm，涂层与钛合金基结合良好，剪切强度达到25.17Mpa，热膨胀系数为10.49×10-6/℃。涂层由玻璃相组成，含有磷酸钙和硅酸钙微结晶。玻璃涂层在动物实验中的结果，可参见附图4，图4说明玻璃涂层具有优良的生物活性和生物相容性，无毒副反应，能与骨组织形成骨性键合，植入六个月后已经形成紧密的板状骨。
权利要求
1.一种医用生物植入体，它由生物玻璃涂层和钛合金基体组成。其特征在于所述的生物玻璃涂层组成为(wt％)SiO235-42CaO30-40P2O510-20MgO4-8F 0-2
2.按权利要求1所述的医用生物植入体，其特征在于所述的生物玻璃涂层由玻璃相组成，其中含有磷酸钙和硅酸钙微小晶。
3.按权利要求1所述的生物医用植入体，其特征在于生物玻璃涂层的厚度为300μm-600μm，钛合金基组成为Ti-6Al-4V。
4.按权利要求1到3意一项的医用生物植入体的制备方法，包括基体的清洗、喷沙、其特征在于等离子体射流喷涂工艺参数为等离子体喷涂主气体 N2或Ar流量为30-46标准升/分钟等离子体喷涂气体 H2流量为5-10标准升/分钟喷涂距离90-120mm粉末载气 N2或Ar流量为2-10标准升/分钟送粉速率18g-25g/min喷涂电流420A-500A喷涂电压75V-88V
全文摘要
本发明涉及一种Ca－Si－P－Mg四元系生物玻璃涂层与金属复合的医用生物植入体及制备方法。更确切地说，就是将这种四元系生物玻璃沉积于钛合金(Ti－6Al－4V)基体表面，制备成一种新的医用生物植入体。其特征在于，生物玻璃涂层由玻璃相组成，其中含有磷酸钙和硅酸钙微小结晶。玻璃涂层的热膨胀系数与钛合金基膨胀系数接近，涂层厚度300－600μm，涂层气孔率为11.0－12.5％，涂层与钛合金基的剪切强度达到19－26Mpa，人体模拟体液(SBF)浸泡和动物实验结果表明，植入体表面的生物玻璃涂层具有良好的生物活性和生物相容性。
文档编号A61L27/06GK1539512SQ200310108348
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月31日 优先权日2003年10月31日
发明者顾卫明, 常江 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所