技术领域
[0001] 本
发明涉及一种多孔羟基磷灰石涂层的制备方法，属于
生物医用材料制备技术领域。
背景技术
[0002] 羟基磷灰石(化学式：Ca10(PO4)6(OH)2)是组成骨和牙等人体硬组织的主要无机相成分，具有良好的生物活性及
生物相容性。 以生物医用金属作为基底材料，利用粉末
等离子喷涂技术在其表面涂覆羟基磷灰石涂层所形成的复合
生物材料，既具有生物医用金属优良的
力学性能，又具有羟基磷灰石良好的生物活性及生物相容性，是一种理想的硬组织替换和修复材料，已在
牙种植体、人工关节等医疗植入器械方面取得了广泛而成功的商业化应用。 粉末等离子喷涂技术，利用5000-10000℃高温
等离子体在极短时间内将用以涂敷的羟基磷灰石粉末加热
熔化，并以300m/s的高速击打在生物医用金属表面，从而使羟基磷灰石粉末与作为基底的生物医用材料之间牢固结合形成植入体。 但是，植入体表面的羟基磷灰石涂层通常较为致密，孔隙很少，其扫描电镜照片见图1。将其植入
机体缺损部位后，新生组织较难长入植入体表面，影响植入体与骨之间的结合，从而影响植入体的早期固定及长期的植入
稳定性。
[0003] 解决上述植入体表面致密而产生问题的最佳途径是制备多孔羟基磷灰石涂层。然而，由于受等离子喷涂特殊工艺原理的限制，利用等离子喷涂技术制备多孔羟基磷灰石涂层的技术难度较大，通常很难得到具有较好多孔结构的羟基磷灰石涂层。 国际上也采用等离子体喷涂多孔
钛，能得到较好的三维多孔结构，具有较好的力学强度。 但由于其自身生物惰性，需要进行后续的生物活化处理以提高其生物活性：如酸处理、
碱处理、酸碱处理、
阳极氧化，不仅耗时冗长，经碱
热处理的多孔钛涂层的生物活性也不如多孔
磷酸钙材料，成骨所需时间要长得多。[Takemoto M，Fujibayashi S，Neo M，Suzuki J，Matsushita T，Kokubo T，Nakamura T.Osteoinductive porous titanium implants：Effect of sodium removal bydilute HCl treatment.Biomaterials，2006，27(13)：2682-2691][0004] 本发明的
发明人前期研究(CN101250681和CN101250682)中提供了一种
悬浮液等离子喷涂制备羟基磷灰石生物活性涂层的方法和喷
涂装置，该方法将现有的粉末等离子喷涂改为液相等离子喷涂，将羟基磷灰石悬浮液通过
电子蠕动泵等方式传送到悬浮液注入系统中，注入等离子火焰中心的高温区域，悬浮液与等离子
喷枪喷射的高温等离子火焰发生热交换，随后经过液滴的
破碎和细化，
溶剂的
蒸发，喷涂原料的熔融，直接在作为基底的生物医用金属材料表面沉积生成结构均匀性好的羟基磷灰石生物活性涂层。
而且，悬浮液等离子喷涂制备多孔羟基磷灰石涂层所需的喷涂原料直接采用湿化学法合成，省略了粉末等离子喷涂原料的制备过程中湿化学法合成后的陈化、
喷雾干燥、粉末
造粒球化、
煅烧、
粉碎、球磨和分筛等复杂工艺环节，具有更好的时间和成本优势。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种多孔羟基磷灰石涂层的制备方法。 该方法是在发明人的前期研究成果-悬浮液等离子喷涂制备羟基磷灰石生物活性涂层的方法的
基础上进行的改进，制备得到的羟基磷灰石生物活性涂层为多孔结构，将大大提高涂层的生物活性、
骨长入能力等多种生物学性能。
[0006] 本发明的技术方案在羟基磷灰石悬浮液中加入造孔剂，造孔剂在喷涂过程中通过分解和
气化，在羟基磷灰石悬浮液液滴的破碎和细化，溶剂的蒸发，造孔剂的分解和气化，喷涂原料的熔融及在作为基底的生物医用材料表面沉积的过程中确保涂层获得多孔结构。
[0007] 为了本发明的目的，所述羟基磷灰石悬浮液的固含量为16％-45％。 所述造孔剂为无
水乙醇、
碳酸铵、碳酸氢铵、过氧化氢或者去离子水。
[0008] 本发明的技术方案具体为：悬浮液等离子喷涂制备多孔羟基磷灰石涂层的方法，将固含量为16％-45％羟基磷灰石悬浮液中加入造孔剂，注入到等离子火焰中心的高温区域进行等离子喷涂，在作为基底的生物医用材料表面沉积生成多孔羟基磷灰石涂层；其中所述造孔剂为无水乙醇、碳酸铵、碳酸氢铵、过氧化氢或者去离子水。 上述作为基底的生物医用材料可以是本领域常用的材料，但需要使用的材料能耐受等离子喷涂的高温，如生物医用金属材料和生物医用陶瓷材料。 作为基底的生物医用金属材料包括生物医用钛，或生物医用钛
合金，或生物医用不锈
钢，或生物医用钴基合金，或其它生物医用金属材料，或含金属的生物医用
复合材料。 作为基底的生物医用陶瓷材料包括氧化
铝陶瓷，或氧化锆陶瓷，或其它生物医用陶瓷材料，或含陶瓷的生物医用复合材料。
[0009] 造孔剂为碳酸铵或者碳酸氢铵时，添加量以悬浮液中的固含量为100％计，为5％-65％(优选10％-40％)。
[0010] 造孔剂为无水乙醇或过氧化氢时，造孔剂的添加量以悬浮液的体积为100％计，为10％-80％(优选20％-50％)。
[0011] 造孔剂为去离子水时，去离子水添加至悬浮液固含量为5％-15％。去离子水在喷涂沉积过程中的气化也可以改善涂层的多孔性。
[0012] 所述羟基磷灰石悬浮液可以采用
现有技术制备，比如通过磷酸氢二铵水溶液滴加到
硝酸钙水溶液中，加入
氨水控制pH值为9-12进行反应，静置，陈化得到。
[0013] 本发明可采用小
角度
雾化喷嘴或者小直径
导管将等离子喷涂原料直接径向注入等离子火焰中心的高温区域。
[0014] 具体地，本发明方法包括以下步骤：
[0015] a、羟基磷灰石悬浮液的制备
[0016] 按Ca10(PO4)6(OH)2的钙磷摩尔比，在不断搅拌下将摩尔浓度为1.2-3.6mol/L的磷酸氢二铵水溶液滴加到摩尔浓度为1-3mol/L的硝酸钙水溶液中，保持反应液30-90℃，以
质量百分比浓度10％-30％的氨水控制反应液pH值为9-12，反应后静置
5-15分钟，再陈化24-48小时，即得固含量为16％-45％的羟基磷灰石悬浮液备用；
[0017] b、添加造孔剂
[0018] 加入碳酸铵、碳酸氢铵、无水乙醇、过氧化氢或者去离子水等造孔剂，充分搅拌后，作为喷涂原料待用；造孔剂的加入量以固相羟基磷灰石质量100％计，碳酸铵或者碳酸氢铵为5％-65％(优选10％-40％)；造孔剂的添加量以悬浮液的体积为100％计，无水乙醇或者过氧化氢为10％-80％(优选20％-50％)；或悬浮液中加入去离子水稀释至悬浮液固含量为5％-15％；
[0019] c、喷涂液传送到注入系统中
[0020] 本领域技术人员可采用电子
蠕动泵，也可采用压缩空气压力作为传送动力将喷涂液传送到注入系统中；传送管为耐压管，其直径为5-10毫米；
[0021] 压缩空气压力可以是0.15-0.6MPa(优选0.2-0.5MPa)。 电子蠕动泵的传送速率为10-100ml/min(优选15-90ml/min)；
[0022] d、喷涂液体原料的注入及等离子喷涂
[0023] 通过小角度
雾化喷嘴将喷涂液进行雾化，或者通过小直径导管以直线型射流的方式，直接将喷涂液径向注入等离子火焰中心的高温区域，喷涂液与等离子喷枪喷射的高温等离子火焰发生热交换，随后经过液滴的破碎和细化，溶剂的蒸发，造孔剂的分解和气化，喷涂原料的熔融，直接在作为基底的生物医用材料表面沉积生成多孔羟基磷灰石涂层。
[0024] 所述的小角度雾化喷嘴的雾滴发散角度为10-25度。 选取较小的发散角度，能够保证悬浮液尽可能多地进入高温等离子火焰中，从而提高涂层沉积效率，降低生产成本。
[0025] 所述的小角度雾化喷嘴所用的雾化气体为压缩空气，雾化气压为0.1-0.5MPa。压缩空气容易获取，且价格低廉，因此选取压缩空气作为雾化气体。 悬浮液和雾化气体同时进入雾化喷嘴进行雾化，悬浮液形成粒径较小且均匀分散的雾化液滴，有利于悬浮液与高温等离子火焰产生充分的热交换，从而有利于涂层的获取和涂层沉积效率的提高。
[0026] 所述的小直径导管的内径为60-280微米。选取小直径导管，能够保证悬浮液尽可能多地进入高温等离子火焰中，从而提高涂层沉积效率，降低生产成本。
[0027] 所述的等离子喷涂功率为20-70千瓦，所述作为基底的生物医用材料与等离子喷嘴距离为8-18厘米。等离子喷涂功率过低，不易获得涂层；等离子喷涂功率过高，很难获得具有多孔结构的涂层；合适的喷涂距离是决定涂层的多孔结构关键因素。
[0028] 所述的作为基底的生物医用材料为生物医用钛，或生物医用钛合金，或生物医用
不锈钢，或生物医用钴基合金，或其它生物医用金属材料，或含金属的生物医用复合材料，或生物医用陶瓷材料，或含陶瓷的生物医用复合材料。
[0029] 本发明与现有技术相比具有以下有益技术效果：
[0030] 1、本发明与粉末等离子喷涂法中喷涂原料的制备相比，省略了粉末等离子喷涂中制备原料所采用的一系列繁琐的工艺环节，从而提高了生产效率和降低了生产成本。
[0031] 2、本发明采用在高温下容易挥发(去离子水、无水乙醇)或者分解气化的造孔剂(过氧化氢、碳酸铵或者碳酸氢铵)，不会在多孔羟基磷灰石涂层中产生残余的杂质，从而不会影响多孔羟基磷灰石涂层的生物相容性。
[0032] 3、多孔状的羟基磷灰石涂层将有利于氧气和营养物质的输送和代谢产物的排出，本发明制备的多孔羟基磷灰石涂层孔隙率2％-50％，孔隙尺寸0.1-200微米，生物活性相比未使用造孔剂更好，能促进成骨细胞的增殖和生长。
附图说明
[0033] 图1粉末等离子喷涂羟基磷灰石涂层扫描电镜照片
[0034] 图2未添加造孔剂的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层扫描电镜照片
[0035] 图3添加有无水乙醇的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层扫描电镜照片
[0036] 图4添加有去离子水的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层扫描电镜照片
[0037] 图5添加有碳酸铵的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层扫描电镜照片
[0038] 图6添加有碳酸氢铵的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层扫描电镜照片
[0039] 图7添加有过氧化氢的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层扫描电镜照片
具体实施方式
[0040] 以下通过具体
实施例的方式对本发明做进一步详述，但不应理解为是对本发明的限制。 凡基于本发明上述思想做出的
修改、替换、变更均属于本发明。
[0041] 实施例1本发明多孔羟基磷灰石涂层的制备
[0042] 按Ca10(PO4)6(OH)2的钙磷摩尔比，在不断搅拌下将摩尔浓度为2.4mol/L的磷酸氢二铵水溶液滴加到摩尔浓度为2mol/L的硝酸钙水溶液中，保持反应液70℃，以质量百分比浓度30％的氨水控制反应液pH值为10，反应后静置10分钟，再陈化24小时，即得固含量为30％的羟基磷灰石悬浮液备用。 将造孔剂无水乙醇加入到羟基磷灰石悬浮液中，添加量以悬浮液的体积为100％计，无水乙醇为30％。利用0.2MPa的压缩空气压力作为传送动力，5毫米的耐压管作为传送管，将添加了造孔剂无水乙醇的羟基磷灰石悬浮液传送到液滴发散角度为15度的小角度雾化喷嘴中进行雾化，雾化气体为压缩空气，雾化气压为0.15MPa，羟基磷灰石悬浮液经过雾化后随即直接径向注入等离子火焰中心的高温区域。 等离子火焰是由直流等离子喷涂设备产生，喷涂功率为40KW，喷涂距离为12厘米。 羟基磷灰石悬浮液与等离子火焰发生热交换，随后经过液滴的破碎和细化，溶剂的蒸发，造孔剂的分解和气化，喷涂原料的熔融，最后在作为基底的生物医用钛金属表面沉积生成多孔羟基磷灰石涂层，涂层的扫描电镜照片见图3。
[0043] 实施例2本发明多孔羟基磷灰石涂层的制备
[0044] 按Ca10(PO4)6(OH)2的钙磷摩尔比，在不断搅拌下将摩尔浓度为1.5mol/L的磷酸氢二铵水溶液滴加到摩尔浓度为1.3mol/L的硝酸钙水溶液中，保持反应液60℃，以质量百分比浓度20％的氨水控制反应液pH值为11，反应后静置15分钟，再陈化48小时，即得固含量为20％的羟基磷灰石悬浮液备用。 将造孔剂去离子水添加到羟基磷灰石悬浮液中，将其稀释成固含量为10％的羟基磷灰石悬浮液。 利用0.5MPa的压缩空气压力作为传送动力，10毫米的耐压管作为传送管，将添加了造孔剂去离子水的羟基磷灰石悬浮液传送到内径为200微米的小直径导管。 通过小直径导管将羟基磷灰石悬浮液以直线型射流的方式直接径向注入等离子火焰中心的高温区域。 等离子火焰是由直流等离子喷涂设备产生，喷涂功率为60KW，喷涂距离为18厘米。 羟基磷灰石悬浮液与等离子火焰发生热交换，随后经过液滴的破碎和细化，溶剂的蒸发，造孔剂的分解和气化，喷涂原料的熔融，最后在作为基底的生物医用钛合金表面沉积生成多孔羟基磷灰石涂层，涂层的扫描电镜照片见图4。
[0045] 实施例3本发明多孔羟基磷灰石涂层的制备
[0046] 按Ca10(PO4)6(OH)2的钙磷摩尔比，在不断搅拌下将摩尔浓度为2mol/L的磷酸氢二铵水溶液滴加到摩尔浓度为1.7mol/L的硝酸钙水溶液中，保持反应液80℃，以质量百分比浓度30％的氨水控制反应液pH值为9，反应后静置10分钟，再陈化24小时，即得固含量为25％的羟基磷灰石悬浮液备用。 将造孔剂过氧化氢加入到羟基磷灰石悬浮液中，添加量以悬浮液的固含量为100％计，碳酸铵为10％。 利用电子蠕动泵作为传送动力，6毫米的耐压管作为传送管，将添加了造孔剂碳酸铵的羟基磷灰石悬浮液以15ml/min的速率传送到内径为100微米的小直径导管。通过小直径导管将羟基磷灰石悬浮液以直线型射流的方式直接径向注入等离子火焰中心的高温区域。 等离子火焰是由直流等离子喷涂设备产生，喷涂功率为50KW，喷涂距离为14厘米。 羟基磷灰石悬浮液与等离子火焰发生热交换，随后经过液滴的破碎和细化，溶剂的蒸发，造孔剂的分解和气化，喷涂原料的熔融，最后在作为基底的生物医用不锈钢表面沉积生成多孔羟基磷灰石涂层，涂层的扫描电镜照片见图5。
[0047] 实施例4本发明多孔羟基磷灰石涂层的制备
[0048] 按Ca10(PO4)6(OH)2的钙磷摩尔比，在不断搅拌下将摩尔浓度为1.8mol/L的磷酸氢二铵水溶液滴加到摩尔浓度为1.5mol/L的硝酸钙水溶液中，保持反应液80℃，以质量百分比浓度30％的氨水控制反应液pH值为9，反应后静置15分钟，再陈化48小时，即得固含量为22％的羟基磷灰石悬浮液备用。 将造孔剂过氧化氢加入到羟基磷灰石悬浮液中，添加量以悬浮液的固含量为100％计，碳酸氢铵为40％。 利用电子蠕动泵作为传送动力，8毫米的耐压管作为传送管，将添加了造孔剂碳酸氢铵的羟基磷灰石悬浮液以90ml/min的速率传送到液滴发散角度为20度的小角度雾化喷嘴中进行雾化，雾化气体为压缩空气，雾化气压为0.1MPa，羟基磷灰石悬浮液经过雾化后随即直接径向注入等离子火焰中心的高温区域。 等离子火焰是由直流等离子喷涂设备产生，喷涂功率为35KW，喷涂距离为8厘米。 羟基磷灰石悬浮液与等离子火焰发生热交换，随后经过液滴的破碎和细化，溶剂的蒸发，造孔剂的分解和气化，喷涂原料的熔融，最后在作为基底的生物医用钴基合金表面沉积生成多孔羟基磷灰石涂层，涂层的扫描电镜照片见图6。
[0049] 实施例5本发明多孔羟基磷灰石涂层的制备
[0050] 按Ca10(PO4)6(OH)2的钙磷摩尔比，在不断搅拌下将摩尔浓度为3mol/L的磷酸氢二铵水溶液滴加到摩尔浓度为2.5mol/L的硝酸钙水溶液中，保持反应液90℃，以质量百分比浓度20％的氨水控制反应液pH值为11，反应后静置10分钟，再陈化24小时，即得固含量为35％的羟基磷灰石悬浮液备用。 将造孔剂过氧化氢加入到羟基磷灰石悬浮液中，添加量以悬浮液的体积为100％计，过氧化氢为25％。利用0.3MPa的压缩空气压力作为传送动力，6毫米的耐压管作为传送管，将添加了造孔剂过氧化氢的羟基磷灰石悬浮液传送到内径为80微米的小直径导管。通过小直径导管将羟基磷灰石悬浮液以直线型射流的方式直接径向注入等离子火焰中心的高温区域。 等离子火焰是由直流等离子喷涂设备产生，喷涂功率为40KW，喷涂距离为10厘米。 羟基磷灰石悬浮液与等离子火焰发生热交换，随后经过液滴的破碎和细化，溶剂的蒸发，造孔剂的分解和气化，喷涂原料的熔融，最后在作为基底的生物医用氧化锆陶瓷表面沉积生成多孔羟基磷灰石涂层，涂层的扫描电镜照片见图7。
[0051] 试验例1本发明多孔羟基磷灰石涂层的生物活性检测
[0052] 1、现有技术制备的羟基磷灰石涂层
[0053] 采用与实施例1相同的条件，唯一不同的是不添加造孔剂无水乙醇制备的羟基磷灰石涂层，该涂层的扫描电镜照片见图2。
[0054] 2、在超净
工作台中，取粉末等离子喷涂羟基磷灰石涂层、悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层(未添加造孔剂)和添加去离子水作为造孔剂的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层(制备方法见实施例2)各三个放入24孔培养板内，同时留出相应的空白对照孔。把基本长满培养皿的MG-63成骨细胞用0.25％的胰酶消化下来，并添加相应体积的新鲜
4
DMEM培养基(含10％小
牛血清)，制得细胞浓度为1×10 个/ml的细胞悬液，并将其按
1ml/孔的量依次加入各种涂层孔和空白对照孔，最后将培养板放入CO2恒温
培养箱中，分别按要求培养2天、4天，两天更换一次培养基。然后，采用MTT法来考察各种涂层对成骨
细胞增殖和生长的影响。 具体方法如下，先配置MTT溶液(5mg/ml)，按照0.2ml/孔的量加入培养至2、4天的材料孔及相应对照孔中，然后放回CO2恒温培养箱继续培养四个小时。四个小时后，弃去孔内液体，按1ml/孔的量加入二甲基亚砜(DMSO)，在
振荡器上振荡大约5分钟左右，然后按编号每孔取0.2ml移入96孔板中，最后将96孔板放在酶联免疫检测仪上，在490nm处测定各孔的吸光度(OD)，OD值越高说明涂层对成骨细胞增殖和生长越有利，生物活性越高。 具体的试验结果如下表1：
[0055] 表1
[0056]
[0057] 由上表结果显示，成骨细胞在培养至2和4天时，添加造孔剂的悬浮液等离子喷涂多孔羟基磷灰石涂层的OD值高于空白对照的OD值，说明该涂层不仅没有细胞毒性，且对细胞的增殖和生长有利。 同时，添加造孔剂的悬浮液等离子喷涂多孔羟基磷灰石涂层的OD值高于粉末等离子喷涂羟基磷灰石涂层、未添加造孔剂的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层的OD值，说明添加造孔剂的悬浮液等离子喷涂多孔羟基磷灰石涂层比粉末等离子喷涂羟基磷灰石涂层、未添加造孔剂的悬浮液等离子喷涂羟基磷灰石涂层具有更好的生物活性，且更有利于成骨细胞的增殖和生长。
