[发明专利]医用钛表面制备柠檬酸-羟基磷灰石/氧化锆过渡涂层的电化学方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在医用金属材料表面通过恒电流法电沉积制备柠檬酸-羟基磷灰石/氧化锆过渡涂层的制备方法，尤其适用于牙种植体的生物金属材料表面生物活性涂层的制备。

背景技术

目前硬组织植入体的一个研发重点集中于把HA涂覆在钛合金表面，得到的材料既具有基体金属的强度和韧性，又具有HA的生物活性和生物相容性，从而在整体功能上接近于自然骨，获得持久可靠的植入体材料。

等离子喷涂法是制备HA涂层广泛应用的方法之一，它有许多优越性：工艺简单，涂层和基体选择范围广，涂层厚度变化范围大，沉积速率高以及容易形成复合涂层等，但也存在严重的问题：(1)涂层和基体的结合强度低。HA粉末与金属基体的热膨胀系数、弹性模量等差异较大，喷涂过程中冷却速率又极高，易形成残余应力而使涂层与基体的结合强度降低，出现裂纹或发生剥脱。(2)涂层的溶解快。等离子喷涂的工艺温度很高，在高温下HA晶体分解形成非晶相(ACP、TCP、CaO等)，从而影响涂层在体内的稳定性和持久性，由于这些非晶相的存在，使得结晶度不能单独地反映涂层的质量。

HA涂层与Ti基体间的结合强度不高和结晶度较低等缺点，使得涂层在受力作用和生物液体的侵蚀作用下，存在脱落、溶解等潜在的问题，而缩短材料的使用寿命。制备以ZrO₂作为过渡涂层是解决以上问题的一种方法，实现在基体与HA涂层之间引入缓冲层，调整热膨胀系数，提高涂层界面的结合强度。ZrO₂在涂层中形成的固溶质点，可以增强钛合金基体和HA涂层之间的键合力且降低残余热应力，使涂层的显微硬度、杨氏模量、断裂韧性以及结合强度显著增加。

柠檬酸盐是人体骨组织中一种重要的微量元素，约占人体新鲜骨的1wt％，占所有有机成分的5wt％。所谓生物矿化过程就是一个无机矿物以有机成分为载体形成高度有序多级结构的过程。近年来，人们一直对影响HA成核和生长的生物大分子如富含羧基的蛋白等很感兴趣，而一直忽视有机小分子如柠檬酸盐，只是简单的认为它在晶体生长过程中仅仅是单一的吸附以抑制晶体长大。但是，柠檬酸根对HA的影响，不仅仅只是在HA成核初期，还体现在其生长发育过程当中。新的研究发现，在鱼类、鸟类和哺乳动物骨骼中强有力的络合柠檬酸根是高度保守的，并在限制HA晶体厚度和稳定晶体纳米尺寸方面扮演着至关重要的作用。

制备出兼有良好机械力学性能和生物活性的HA复合陶瓷涂层以满足生物医学方面承载较高的要求，已成为生物陶瓷材料研究的新方向。本发明采用电化学的方法制备具致密、均匀、高结合强度的柠檬酸修饰的(Cit-HA/ZrO₂)过渡涂层。本发明的氧化锆、柠檬酸修饰的羟基磷灰石涂层分别由离子形式先后电沉积到钛合金表面，得到的涂层均匀致密，不存在离子分散不均及团聚现象，最终得到综合性能良好的新型生物医用材料。柠檬酸根延长了HA晶体的形核孕育期，涂层相貌由微米级的菊花瓣状变化为纳米级的针状，且HA涂层实现了由内层致密逐渐到外层疏松的过渡；ZrO₂作为钛基体与HA涂层之间的过渡层，以期望在医用钛表面制备出更加致密均一的纳米级Cit-HA/ZrO₂过渡涂层。

发明内容

本发明的目的是提供一种在生物医用材料表面通过恒电流电沉积制备柠檬酸修饰的羟基磷灰石/氧化锆过渡涂层的方法，该方法旨在得到具有高结合强度的致密均一的纳米级Cit-HA/ZrO₂过渡涂层。采用恒电流电化学沉积和离子形式沉积，包括如下步骤：

(1)生物医用金属表面，经丙酮超声、无水乙醇超声、酸蚀处理后，在20V电压下进行15min阳极氧化处理；

(2)取分析纯的硝酸氧锆用热的稀硝酸溶解得到均匀的锆溶液，然后用氨水调节pH＝2.2最后得到均匀电解液A；取四水硝酸钙、磷酸二氢氨、柠檬酸钠和硝酸钠分别用蒸馏水溶解后，再与过氧化氢混合得到均匀的电解液，用氨水调节pH＝4.4，最后得到均匀电解液B；

(3)在上述电解液中，以饱和甘汞电极为参比电极，铂片为对电极，待涂层的生物医用金属为工作电极，在三电极系统的电解槽中进行电化学沉积；

电化学沉积的工艺参数为：先在电解液A中沉积，电流：11.1mA，沉积时间50s；随后在电解液B中沉积，电流：0.9mA，沉积时间2700s。

(4)对得到的生物医用金属涂层材料真空烧结：升温速率为4℃/min、升温至450℃、保温2h、然后降温速率为1℃/min进行冷却，得到具有Cit-HA/ZrO₂过渡镀层的生物医用金属材料。