生物活性梯度涂层人工关节的制备方法技术

本发明专利技术是一种生物活性梯度涂层人工关节的制备方法。它采用等离子技术，在金属基体上喷涂在成分和结构上具有梯度变化的生物活性梯度涂层，其底层各组成配比为ＴｉＯ↓［２］３０～４０％ｗｔ，生物玻璃粉１０～２０％ｗｔ，ＺｒＯ↓［２］１０～２０％ｗｔ，ＨＡＰ２０～３０％ｗｔ；中间层各级分配比为ＣｒＯ↓［２］３０～４０％，生物玻璃粉１０～２０％ｗｔ，ＨＡＰ５０～７０％ｗｔ；表面层为ＨＡＰ１００％ｗｔ。将上述配比分别充分混料，并分层喷涂。该人工关节梯度涂层厚度可达１００～１５０μｍ，结合强度达４０ＭＰａ，解决了现有人工关节涂层易脱落及易被体液侵蚀，溶解的难题，当其植入人体负重较大部位后能保持长期疗效。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及医用生物复合材料制备，具体地指。人工关节是治疗骨科各种关节病变所采用的医用生物材料制品，目前临床采用的多为医用金属材料制作。由于金属材料(例如不锈钢、钛合金等)强度高、韧性好、易加工成各种形状，至今仍广泛应用于临床。但是，金属材料关节属于生物惰性材料，将其植入人体后，与人体组织不发生生物结合，从而易产生松动、下沉，引起病人疼痛，以致远期疗效较差。往往在植入人体几年后，就需要重新手术取出再次更换新的人工关节。因此，制造出具有生物活性又符合临床要求的人工关节是当前国内外生物医用材料制品极待解决的问题。R.Y惠特希德(Whitehead)等人发表的《在金属钛上等离子喷涂羟基磷灰石涂层的结构和完整性》一文(Journal of Biomedical MaterialsResearch，Vol 27(1993)1501-1507)，公开了一种用等离子喷涂技术，在钛合金基体上喷涂具有生物活性的羟基磷灰石(HAP)涂层材料的制作方法。使金属表面具有生物活性，为解决新一代人工关节的制作提出了一个可行的途径。但是，该类材料目前仍存在一些未能解决的技术问题，主要是涂层的结合强度较低(涂层厚度为50μm时，结合强度为15MPa左右，随涂层厚度增加，结合强度明显降低。)，植入生物体的材料，在受外力及生物液体的侵蚀作用下，涂层容易脱落、溶解，造成材料生物活性降低，甚至引起局部组织病变。鉴于这一原因，HAP涂层人工关节目前仍未正式临床应用。本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，利用等离子喷涂技术，通过对羟基磷灰石(HAP)生物活性涂层的成分及结构的设计，解决人工关节生物活性涂层的结合强度和涂层厚度应同时满足临床要求的难点，提供一种生物活性好、与人体组织相容性好、综合力学性能能够满足人体负重较大部位人工关节的受力与负载要求的，具有满意远期疗效的。本专利技术的目的是通过以下措施来达到的一种，它采用等离子喷涂技术，在金属基体上喷涂羟基磷灰石(HAP)，其特征在于以HAP为主要成分的生物活性涂层的成分和结构具有梯度变化，涂层表面为100％wt的多孔HAP成分，其梯度涂层的形成包括以下步骤第一步喷涂粉料的制备涂层粉料采用化学方法合成的HAP、TiO2、ZrO2超细粉料及生物活性玻璃粉，将上述各种粉料分别进行造粒处理，以满足喷涂工艺要求，然后分别按底层粉料、中间层粉料、表面层粉料进行配比、充分混料后备用，各层粉料组成及其配比如下(1)靠近基体的底层粉料TiO2粒径60～75μm 30～40％wtZrO2粒径60～75μm 10～20％wt生物活性玻璃粉 粒径60～100μm 10～20％wtHAP 粒径60～100μm 20～30％wt(2)中间层粉料ZrO2粒径60～75μm30～40％wtHAP 粒径100～160μm 50～70％wt生物活性玻璃粉 粒径60～100μm 10～20％wt(3)表面层粉料HAP 粒径100～160μm 100％wt第二步HAP生物活性梯度涂层的等离子喷涂(1)靠近基体的底层的喷涂采用常规等离子喷涂设备和以下工艺条件，将底层粉料喷涂至已作过表面处理的不锈钢、钴基合金、钛及钛合金人工关节基体上，形成20～40μm的底层涂层，其主要工艺参数是输出功率 35～40KW主气 Ar、N2主气流量 40～50L/h送 粉 量 40～50g/min喷涂距离 10～15cm喷涂厚度 20～40μm(2)中间层的喷涂采用以下主要工艺参数，将中间层粉料喷涂至底层涂层处理后的人工关节上，形成40～60μm中间层涂层，主要工艺参数是输出功率 25～30KW主气 Ar、N2、H2主气流量 40～50L/h送粉量为 20～30g/min喷涂距离 10～15cm喷涂厚度 40～60μm(3)表面层的喷涂将表面层粉料喷涂至已作过底层、中间层喷涂处理的人工关节上，形成40～60μm的表面层，主要工艺参数是输出功率 20～25KW主气 Ar、H2主气流量 40～50L/h送 粉 量 20～30g/min喷涂距离 10～15cm喷涂厚度 40～60μm第三步喷涂有生物活性梯度涂层的人工关节的后处理采用缓慢升温、缓慢冷却的大气热处理工艺或通水蒸汽热处理工艺，以15℃/min的速度升温至850～950℃，保温0.5～1.5小时，再以20℃/min的速度冷却至室温，得涂层厚度100～150μm，表面为多孔结构的生物活性梯度涂层人工关节。根据上述由底层、中间层、表面层构成梯度涂层的方法，梯度涂层还可以由底层和表面层所构成，其组成及配比如下(1)底层粉料TiO2粒径60～75μm 10～20％wtZrO2粒径60～75μm 20～30％wt生物活性玻璃粉 粒径60～100μm30～40％wtHAP 粒径60～100μm30～40％wt(2)表面层粉料HAP 粒径100～160μm 100％wt本专利技术为研究设计出成分和结构上具有一定梯度变化、力学性能和生物性能同时满足临床要求的HAP生物活性梯度涂层材料。选用力学性能优良的金属或者合金作为基体材料，选用HAP生物活性陶瓷作为涂层表面成分及过渡层的主要成分。添加ZrO2、生物活性玻璃粉、TiO2等生物相容性材料作为过渡层添加剂。通过等离子喷涂和喷涂后的热处理，使涂层内部和涂层与基体之间产生有效的反应，形成具有一定结构变化和成分变化的生物活性梯度涂层。基体与喷涂粉料分别进行等离子喷涂前的预加工处理。对底层的性能要求是涂层的熔化程度尽可能高，均匀铺展在基体表面。涂层致密、结构均匀，能与凸凹不平的基体形成紧密的机械嵌合和化学冶金结合；中间层也要求结构尽可能致密、均匀，与上下两层保持尽可能紧密的的结合并产生化学反应；涂层表面的HAP层一方面要求与中间层结合紧密，以保证涂层的结合强度，另一方面要求涂层表面具有一定的气孔率，以提高材料与生体组织的结合程度。由于涂层不同部位的化学成分不同，各组分的熔融性能、硬度及反应活性都有很大的差别，所以在等离子喷涂过程中对不同层需采用不同的喷涂参数，如底层和中间层含有难熔的ZrO2等成分，且要求涂层的熔融程度较高、结构致密，应采用较大的功率和较高的喷涂温度；表面层的HAP熔点较低，且要求涂层呈多孔结构，此时喷涂功率应适当降低。本专利技术与现有技术相比具有如下突出的优点1、本专利技术对涂层的成分、结构进行了优化设计，通过合理的等离子喷涂及后处理工艺的热历程作用，不仅实现了HAP生物活性涂层的梯度分布，而且实现了性能、功能上具有梯度分布。使靠近基体的底层的涂层致密、结构均匀，能与凸凹不平的基体形成紧密的机械嵌合和化学冶金结合；中间层与上下两层能保持紧密结合并产生化学反应；表面层又与中间层结合紧密，最终形成一个完整的生物活性梯度涂层人工关节。2、涂层表面层为100％的HAP成分，且具有5％～20％气孔率，有利于关节体在人体内的初始固位，有效地提高了HAP工关节与人体组织的结合程度。3、本专利技术解决了在金属基体上喷涂HAP涂层时，结合强度和厚度同时满足临床要求的难点，使人工关节的生物活性梯度涂层厚度可达100～150μm，结合强度达40MPa。同时由于涂层中添加ZrO2等生物稳定性成分，因此解决了现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物活性梯度涂层人工关节的制备方法，它采用等离子喷涂技术，在金属基体上喷涂羟基磷灰石（ＨＡＰ），其特征在于：以ＨＡＰ为主要成分的生物活性涂层的成分和结构具有梯度变化，涂层表面为１００％ｗｔ的多孔ＨＡＰ成分，其梯度涂层的形成包括以下步骤：第一步：喷涂粉料的制备涂层粉料采用化学方法合成的ＨＡＰ、ＴｉＯ↓［２］、ＺｒＯ↓［２］超细粉料及生物活性玻璃粉，将上述各种粉料分别进行造粒处理，以满足喷涂工艺要求，然后分别按底层粉料、中间层粉料、表面层粉料进行配比、充分混料后备用，各层粉料组成及其配比如下：（１）靠近基体的底层粉料：ＴｉＯ↓［２］粒径６０～７５μｍ３０～４０％ｗｔＺｒＯ↓［２］粒径６０～７５μｍ１０～２０％ｗｔ生物活性玻璃粉粒径６０～１００μｍ１０～２０％ｗｔＨＡＰ粒径６０～１００μｍ２０～３０％ｗｔ（２）中间层粉料：ＺｒＯ↓［２］粒径６０～７５μｍ３０～４０％ｗｔＨＡＰ粒径１００～１６０μｍ５０～７０％ｗｔ生物活性玻璃粉粒径６０～１００μｍ１０～２０％ｗｔ（３）表面层粉料ＨＡＰ粒径１００～１６０μｍ１００％ｗｔ第二步：ＨＡＰ生物活性梯度涂层的等离子喷涂（１）靠近基体的底层的喷涂采用常规等离子喷涂设备和以下工艺条件，将底层粉料喷涂至已作过表面处理的不锈钢、钴基合金、钛及钛合金人工关节基体上，形成２０～４０μｍ的底层涂层，其主要工艺参数是：输出功率３５～４０ＫＷ主气Ａｒ、Ｎ↓［２］主气流量４０～５０Ｌ／ｈ送粉量４０～５０ｇ／ｍｉｎ喷涂距离１０～１５ｃｍ喷涂厚度２０～４０μｍ（２）中间层的喷涂采用以下主要工艺参数，将中间层粉料喷涂至底层涂层处理后的人工关节上，形成４０～６０μｍ中间层涂层，主要工艺参数是：输出功率２５～３０ＫＷ主气Ａｒ、Ｎ↓［２］、Ｈ↓［２］主气流量４０～５０Ｌ／ｈ送粉量为２０～３０ｇ／ｍｉｎ喷涂距离１０～１５ｃｍ喷涂厚度４０～６０μｍ（３）表面层的喷涂将表面层粉料喷涂至已作过底层、中间层喷涂处理的人工关节上，形成４０～６０μｍ的表面层，主要工艺参数是：输出功率２０～２５ＫＷ主气Ａｒ、Ｈ↓［２］主气流量４０～５０Ｌ／ｈ送粉量２０～３０ｇ／ｍｉｎ喷涂距离１０～１５ｃｍ喷涂厚度４０～６０μｍ第三步：喷涂有生物活性梯度涂层的人工关节的后处理采用缓慢升温、缓慢冷却的大气热处…。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生物活性梯度涂层人工关节的制备方法，它采用等离子喷涂技术，在金属基体上喷涂羟基磷灰石(HAP)，其特征在于以HAP为主要成分的生物活性涂层的成分和结构具有梯度变化，涂层表面为100％wt的多孔HAP成分，其梯度涂层的形成包括以下步骤第一步喷涂粉料的制备涂层粉料采用化学方法合成的HAP、TiO2、ZrO2超细粉料及生物活性玻璃粉，将上述各种粉料分别进行造粒处理，以满足喷涂工艺要求，然后分别按底层粉料、中间层粉料、表面层粉料进行配比、充分混料后备用，各层粉料组成及其配比如下(1)靠近基体的底层粉料TiO2粒径60～75μm30～40％wtZrO2粒径60～75μm10～20％wt生物活性玻璃粉粒径60～100μm 10～20％wtHAP 粒径60～100μm 20～30％wt(2)中间层粉料ZrO2粒径60～75μm30～40％wtHAP 粒径100～160μm 50～70％wt生物活性玻璃粉粒径60～100μm 10～20％wt(3)表面层粉料HAP 粒径100～160μm 100％wt第二步HAP生物活性梯度涂层的等离子喷涂(1)靠近基体的底层的喷涂采用常规等离子喷涂设备和以下工艺条件，将底层粉料喷涂至已作过表面处理的不锈钢、钴基合金、钛及钛合金人工关节基体上，形成20～40μm的底层涂层，其主要工艺参数是输出功率 35～40KW主气 Ar、N2主气流量 40～50L/h送 粉 量 40～50g/min喷涂距离 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迎军，陈楷，刘正义，宁成云，赵子衷，李尚周，赵宗亮，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[]