本发明涉及生物材料领域，提供了一种医用镁合金表面钙磷涂层的制备方法。具体而言，该方法涉及一种骨修复用可降解医用镁合金表面透钙磷石涂层的制备方法。
背景技术：
1、作为新一代可降解生物材料的典型代表之一，医用镁合金材料受到了广泛关注。尤其在骨科植入物领域，相较于传统的不锈钢、钛合金等骨内固定材料，镁合金材料可在人体内完全降解，避免了二次手术取出，同时降解过程中释放的镁离子具有显著的成骨诱导作用。多款镁合金骨内植入器械已获得临床应用，包括德国syntellix公司的magnezix空心加压螺钉取得欧洲ce认证，韩国u&i公司生产的k-met螺钉获得韩国kfda认证等。
2、然而，镁在人体内的降解速度偏快，会导致植入物过早失去力学支撑，甚至导致手术失败。同时快速降解导致局部镁离子浓度过高，并产生气体聚集在植入物周围，影响骨组织愈合。以上问题严重限制了医用镁合金在骨修复领域的临床应用范围。因此，如何调控镁合金的降解速度，避免其过早丧失必要的机械完整性，并进一步提高组织相容性，是其面临的最大挑战。
3、表面改性处理是一种非常有效的提高医用镁合金基体耐腐蚀性和生物相容性的手段。其中钙磷涂层因其与人体拥有与骨组织相近的成分，具有良好的生物活性和骨诱导性，成为骨修复用镁合金领域重要的表面改性涂层之一。钙磷涂层主要包括透钙磷石(dcpd)、磷酸八钙(ocp)、无定形磷酸钙(acp)、磷酸三钙(tcp)和羟基磷灰石(ha)等。其中dcpd与其他钙磷相相比，具有较大的溶解度,可增加植入体附近钙离子和磷酸根离子的浓度,促进骨整合。许多体外的研究均表明，dcpd对于成骨细胞、成纤维细胞和巨噬细胞等具有良好的生物相容性。医用镁合金表面钙磷涂层的常用制备方法包括化学转化法、阳极氧化法、电沉积法、溶胶凝胶法等。化学转化法是通过化学反应在样品表面形成一层膜层，工艺简单,涂层结合良好。但膜层较薄,生物相容性一般，经常作为其他涂层的预处理工艺；阳极氧化法是将镁合金作为阳极放置在电解液中，通过加载一定的电流在样品表面形成一层氧化膜。得到的涂层具有硬度高，结合力良好等优点。但是该方法工艺复杂，涂层多有缺陷，脆性大，且部分涂层不易降解；电化学沉积法是在电场作用下，使溶液中的离子沉积在样品表面。该方法制备涂层较均匀，但结合力一般；溶胶凝胶法是将胶质溶液作为前驱体，使其在镁合金表面聚合形成三维网状的凝胶，再经过干燥固化最后形成涂层。该涂层生物相容性较好，但涂层本身的结构相对疏松，结合力一般。综上所述，开发一种工艺简单、质量稳定、涂层均匀致密、结合力强的钙磷涂层制备方法，是其实现规模化稳定生产和临床转化的关键。
4、现有公开技术cn 115142026 b首先利用fcva法(磁过滤阴极真空弧沉积)在镁合金表面制备一层厚度为3-5μm的纯镁膜层，然后再将样品浸泡于硝酸钙和磷酸的混合溶液中处理得到钙磷涂层，该专利中所使用的混合溶液酸性高，对基体腐蚀性强，因此需要制备一层纯度很高的纯镁中间层。该制备方法工艺复杂，成本较高。
5、cn 102787339 a采用电化学沉积的方法，以石墨作为阳极，预处理后的镁合金基体作为阴极，在硝酸钙和磷酸二氢铵的混合电解质溶液中制备了钙磷涂层，该方法需要外加电源，同时需要对电流密度、电解液成分、温度等参数进行精确控制。这增加了工艺的复杂性和操作难度。
6、cn 103451640 a公开了直接在zk60镁合金表面利用化学转化法制备钙磷涂层的技术，采用的转化液由0.01-0.2m的二水磷酸二氢钠及四水硝酸钙配制而成，涂层在浸泡5-100h后得到。目前仍存在如下问题，首先，该工艺使用的化学转化液为强酸性，形成涂层的同时亦会导致镁合金表层被严重破坏，表现为镁合金的晶界处出现裂纹。其次在此反应过程中镁合金表面会迅速释放氢气，不利于钙磷盐的沉积，因此通过该工艺制备的涂层附着力较差，影响材料整体的耐久性和稳定性。
7、专利cn 102206819 b公开了一种工艺简单，结合力强的钙磷涂层制备技术。具体过程为氟化处理的镁基合金在由一水磷酸二氢钙、硝酸钠和过氧化氢的混合溶液中进行化学转化后得到透钙磷石涂层。该方法具有工艺简便，涂层结合力高的优势。但该工艺获得的涂层粗糙度偏高，尤其在制备较薄的涂层时，可能出现涂层不均匀的情况，影响样品的耐蚀性。
技术实现思路
1、本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种可降解医用镁合金表面透钙磷石涂层的制备方法。这一方法不仅能显著提高镁合金表面的生物活性，同时有效降低镁合金基体的腐蚀速率。该发明的制备工艺简单，通过该发明技术制备得到的涂层结合力强、结构致密，具有较好的耐蚀性和生物相容性。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
3、本发明提供一种医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，所述钙磷涂层为透钙磷石涂层，所述方法包括如下步骤：
4、s1、氟化预处理：将镁或镁合金样品置于氢氟酸溶液中恒温浸泡，在其表面形成氟化膜，取出后清洗，吹干；
5、s2、透钙磷石沉积：透钙磷石沉积：以化学活性低于镁及镁合金的金属板为阳极，将步骤s1处理得到的样品作为阴极，阳极与阴极用导体连接或直接接触，一起置于透钙磷石沉积溶液中恒温浸泡，构成原电池系统，其中，
6、阴极反应：mg→mg2++2e，
7、阳极反应：2h2o+2e→2oh-+h2；
8、进而在阴极发生钙磷盐的形核和沉积，得到透钙磷石涂层。
9、作为本发明的一个实施方案，所述金属板为铜板、钢板、钛板或锌板。所述四种金属板的化学活性都低于镁合金，将金属板和样品用导体连接或直接接触，目的是形成一个原电池，其中金属板作为阳极，镁合金样品作为阴极。
10、该装置的优势是：阳极反应生成的氢气，可以从金属板上析出，而不是从镁合金样品上析出，避免了氢气析出影响涂层沉积和涂层致密度。同时，原电池反应加速了镁合金样品表面的反应速度，也有利于促进钙磷盐的形核和沉积，有利于钙磷涂层晶粒细化和粗糙度降低。尤其当金属板表面积与镁镁或合金样品表面积之比为2～20：1，原电池反应速度和涂层沉积速度最合适。
11、作为本发明的一个实施方案，步骤s1中，所述氢氟酸溶液的浓度为20-40％。
12、作为本发明的一个实施方案，步骤s1中，浸泡温度为室温，浸泡时间为6-48h。氢氟酸浸泡的时间会直接影响氟化镁层的形成。浸泡时间过短，即小于6h，可能无法形成完整、均匀的氟化镁层，导致后续磷酸钙涂层附着不牢固或分布不均匀；而浸泡时间过长，形成的过厚的氟化镁层可能会增加涂层与基体之间的界面应力，影响涂层的结合力和稳定性。
13、作为本发明的一个实施方案，所述透钙磷石沉积溶液为ca(no3)2、磷酸盐和h2o2按一定比例配制的混合溶液；所述磷酸盐为nah2po4、nh4h2po4中的至少一种。这里避免采用磷酸钙盐直接作为沉积溶液的成分，是因为磷酸钙盐的溶解度往往都不大，容易导致沉积溶液的过早析出和溶液离子浓度下降。
14、作为本发明的一个实施方案，所述透钙磷石沉积溶液中钙离子浓度为0.1-0.25mol/l，钙离子和磷酸根离子的摩尔浓度百分比为1:0.8-1.2。如果摩尔浓度大于此范围，即磷酸根离子不足，可能导致涂层中透钙磷石的结晶度降低，晶体结构不完整，从而影响涂层与基体之间的结合力，同时透钙磷石可能会转化为其他类型的磷酸钙盐，如羟基磷灰石等，从而改变涂层的预期化学性质和结构性能；如果摩尔浓度小于此范围，高浓度的磷酸根离子可能导致涂层中出现异常的晶体结构或相变，并且会加快整体的反应速率，导致晶体生长过快。从而使得涂层在基体上的分布不均匀，继而出现厚度不均的情况，影响涂层整体的耐蚀性和稳定性。
15、作为本发明的一个实施方案，所述透钙磷石沉积溶液中h2o2的添加浓度为0.1-0.3mol/l。过氧化氢具有强氧化性，根据反应式h2o2+2h++2e-→2h2o，能够消耗大量的氢离子生成水，从而避免氢气在镁合金基体表面析出，从而影响涂层与基体的结合力。该浓度范围经实验验证已通过可行性测试，且若加入的过氧化氢高于该浓度范围，过度的氢离子消耗会影响溶液中磷酸二氢钙的溶解度，使得钙磷涂层的形成速率减慢；当加入的过氧化氢量不足时，消耗氢离子的作用相对有限，涂层与基体之间的结合强度仍然可能受到氢气析出影响。
16、作为本发明的一个实施方案，步骤s2中，所述钙离子浓度和磷酸根离子浓度范围在0.1-0.25mol/l之间。若浓度过低，反应难以向生成dcpd(cahpo4·2h2o)的方向进行，导致涂层厚度较薄，保护基体的耐蚀效果不足。而当浓度过高时，溶液中生成dcpd的反应速率大大增加，除了在基体上沉积外，也会在溶液中生成大量沉淀，使得透钙磷石晶粒生长不均匀，涂层晶粒大小差异大，进而导致涂层结构不致密。
17、作为本发明的一个实施方案，所述透钙磷石沉积溶液的配置方法为：称取所需的ca(no3)2和磷酸盐，分别溶解于超纯水中，制成ca(no3)2溶液和磷酸盐溶液；溶液混合均匀，量取h2o2加入混合溶液，定容到一定体积，得到透钙磷石沉积溶液。
18、作为本发明的一个实施方案，步骤s2中恒温浸泡的温度为20-25℃，浸泡时间为6-24h。浸泡时间不宜过长，否则随着转化溶液ph值慢慢升高，dcpd涂层会部分溶解。
19、作为本发明的一个实施方案，采用本发明制备方法得到的透钙磷石涂层具有两层结构。底层氟化镁膜层厚度为150nm-3μm，可作为镁合金基体表面的保护膜，减慢基体的腐蚀速度，并且为生物活性的钙磷涂层提供形核和生长的平台，提高涂层的结合强度。
20、作为本发明的一个实施方案，外层为透钙磷石(dcpd)，厚度为5μm-20μm；表面为具有板条状晶粒的粗糙形貌。
21、作为本发明的一个实施方案，所述镁金属包括纯镁及镁合金，所述镁合金包括mg-zn系，mg-ca系，mg-mn系，mg-re系等镁合金系列，以及为提高镁合金性能而设计的新的医用镁合金系列。
22、本发明的方法制备而得的表面具有透钙磷涂层的医用镁或镁合金材料，及其在用作骨修复材料中的用途。也属于本发明的保护范畴。所述骨修复材料包括骨内植入物，具体包括骨板、骨钉、骨组织工程支架等骨修复相关的骨内植入物。
23、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
24、1.本发明采用基于原电池系统的化学沉积法在镁合金样品表面制备得到的透钙磷石涂层，包括底层氟化镁膜层和外层透钙磷石两层结构，该涂层与基体的结合力强。采用本发明方法得到的涂层致密度高，结合力强，粗糙度显著降低，厚度均匀可控，既可减缓镁合金基体的降解速度，又可进一步提升其生物相容性和促成骨能力。
25、2.本发明利用金属板与镁合金样品之间形成的原电池反应，将反应生成的氢气，从阳极金属板上析出，避免了氢气从镁合金表面析出影响涂层沉积和涂层致密度。同时，原电池反应加速了镁合金样品表面的阴极反应速度，也有利于促进钙磷盐的形核和沉积，有利于钙磷涂层晶粒细化和粗糙度降低。
26、3、本发明的制备方法工艺简单稳定，成本较低，生产效率高，可适用于复杂形状的镁基骨内植物器件。
1.一种医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，其特征在于，所述钙磷涂层为透钙磷石涂层，所述方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，其特征在于，所述透钙磷石沉积溶液为ca(no3)2、磷酸盐和h2o2按一定比例配制的混合溶液；所述磷酸盐为nah2po4、nh4h2po4中的至少一种；所述透钙磷石沉积溶液中钙离子浓度为0.1-0.25mol/l，钙离子和磷酸根离子的摩尔浓度百分比为1:0.8-1.2，h2o2的添加浓度为0.1-0.3mol/l。
3.如权利要求2所述的医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，其特征在于，所述透钙磷石沉积溶液的配置方法为：称取所需的ca(no3)2和磷酸盐，分别溶解于超纯水中，制成ca(no3)2溶液和磷酸盐溶液；溶液混合均匀，量取h2o2加入混合溶液，定容到一定体积，得到透钙磷石沉积溶液。
4.如权利要求1所述的医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，其特征在于，所述金属板为铜板、钢板、钛板或锌板；金属板表面积与镁或镁合金样品表面积之比为2～20：1。
5.如权利要求1所述的医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述氢氟酸溶液的浓度为20-40％，浸泡温度为室温，浸泡时间为6-48h。
6.如权利要求1所述的医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，其特征在于，步骤s2中恒温浸泡的温度为20-25℃，浸泡时间为6-24h。
7.如权利要求1所述的医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，其特征在于，氟化膜的厚度为150nm-3μm，透钙磷石涂层的厚度为5μm-20μm。
8.如权利要求1所述的医用镁金属表面钙磷涂层的制备方法，其特征在于，所述镁合金包括mg-zn系、mg-ca系、mg-mn系、mg-re系医用镁合金中至少一种。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述方法制备而得的表面具有透钙磷涂层的医用镁或镁合金材料。
10.一种如权利要求9所述的医用镁或镁合金材料在用作骨修复材料中的用途。
