本发明涉及生物涂层。具体地说是氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层及其制备方法和应用。
背景技术：
1、羟基磷灰石[ca10(po4)6(oh)2，ha]是人体和动物骨骼、牙齿的主要无机成分，具有良好的生物活性和骨组织引导性，能与人体骨组织形成化学键合，因此被广泛应用于钛和钛合金植入体表面涂层，以增加钛和钛合金的表面生物活性。但从长期临床植入效果来看，ha涂层的性能仍存在一些不足：1)相比于其他生物活性材料，ha涂层的溶解度相对较高，在植入体内一段时间后出现涂层的部分溶解，降低了涂层的稳定性和植入体的长效性；2)ha涂层的抑菌性较差，骨科术后引发的植入体感染(即“生物材料诱导感染”)时有发生，给病人带来巨大痛苦。另外，ha涂层对病理状态下的骨损伤修复缺乏针对性，效果欠佳。
2、骨肉瘤是一种源于骨形成干细胞的原发性骨肿瘤，多发于关节部位，目前临床上的治疗主要以手术为主，去除肿瘤和累犯部位后，安置人工植入体，进行重建，同时还需借助放化疗手段杀死少量残存的骨肉瘤细胞，防止其复发。针对这种病理状态的骨损伤修复，除了要求人工植入体表面的涂层材料具有快速诱导骨再生的能力外，还希望其具有一定的功能性，如抗肿瘤活性。
3、因此，有必要基于ha材料自身的优点，通过对其进行掺杂改性，发展一种具有优异生物活性，兼具安全长效抗菌、抗肿瘤的新型ha涂层材料，在促进骨缺损修复的同时抑制骨肿瘤的复发以及降低骨重建过程中发生感染的可能性，使其更好地满足临床应用的需要。
4、已有实验结果表明利用氟(f)元素对ha进行掺杂改性，可以在提升ha材料生物活性和抗菌活性的同时，降低其溶解能力。但关键是f元素在体内复杂微环境中的释放量如何有效控制。如果f释放量过高，将会对体内多种酶产生抑制作用，引发氟骨症、氟斑牙等氟中毒疾病。硒(se)是维持人体健康所必须的微量元素之一，能够调节器官功能，预防心血管疾病，减少炎症，调节骨组织代谢，以及显著降低罹患肿瘤的可能。适量的se对正常组织细胞的生长和存活并无明显影响，但对肿瘤细胞具有特异性杀伤作用。se除了具有明显的抗肿瘤作用以外，在一定浓度范围内，还可通过提高细胞膜的完整性和免疫功能来实现对f的拮抗能力。
5、因此，鉴于ha材料良好的生物活性和骨组织修复功能，f元素的抗菌活性以及se元素的抗肿瘤和拮抗氟的效应，制备f、se共掺的ha涂层材料，可在促进骨缺损修复的同时抑制骨肉瘤的复发以及降低骨重建过程中发生感染的可能性，起到一定的预防作用。
6、液相等离子喷涂是等离子喷涂技术的一种，液相等离子喷涂是利用液体送料，代替传统等离子喷涂技术中的粉体送料，将已合成的纳米或亚微米粉末利用超声或球磨的方式分散于水或有机溶剂中，调节悬浮液的稳定性，使悬浮液经过等离子焰流加热后沉积在基体上形成涂层。
技术实现思路
1、为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层及其制备方法和应用，将氟和硒掺杂到ha材料中并将其喷涂到骨科植入材料的表面，通过涂层来改善骨肉瘤患者骨损伤部位的骨微环境，从而达到骨损伤修复、防止肿瘤复发、防止骨重建过程中发生感染的目的。
2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
3、氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层，氟、硒共掺杂羟基磷灰石的化学式为ca10(po4)6-y(seo3)y(oh)2-xfx；其中，x大于0.6且小于或等于2，y大于0.06且小于2。氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层中羟基磷灰石的钙元素和磷元素的物质的量之比接近羟基磷灰石的钙元素和磷元素的物质的量之比，且成功掺杂了se和f元素，这有助于优化涂层的性能。
4、氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，利用如下步骤制备如上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层：
5、步骤a、悬浮液a的制备：将硒掺杂羟基磷灰石粉体和分散剂a加入到乙醇溶液a中混合均匀；将得到的混合液a进行球磨，球磨结束后过筛，得到悬浮液a；球磨后过325目筛；
6、步骤b、悬浮液b的制备：将氟掺杂羟基磷灰石粉体和分散剂b加入到乙醇溶液b中混合均匀；将得到的混合液b进行球磨，球磨结束后过筛，得到悬浮液b；
7、步骤c、基体的处理：将医用金属或医用合金材料作为基体进行预处理；
8、步骤d、利用液相等离子喷涂法，采用同步双送液模式将悬浮液a和悬浮液b同步喷涂到基体上，即可在基体上形成如上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层。采用同步双送液模式的液相等离子喷涂技术，简化了涂层的制备过程，相比于传统的制备方法，这种方法更为高效且易于控制涂层的成分和理化性质。
9、上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，步骤a中：分散剂a为柠檬酸铵-聚丙烯酸复合分散剂，且分散剂a中柠檬酸铵和聚丙烯酸的质量之比为1：1～5，聚丙烯酸的粘度为1.2～3.5mpa·s；乙醇溶液a中无水乙醇的体积分数为50％～55％；柠檬酸铵属于离子型分散剂，而聚丙烯酸属于非离子型分散剂，在制备悬浮液a时，使用柠檬酸铵和聚丙烯酸的质量之比为1：1～5的复合分散剂不仅能够得到更好的分散效果，而且在悬浮液a与悬浮液b进行同步喷涂时喷涂效果更好，从而有利于提升最终制得的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的性能；若柠檬酸铵和聚丙烯酸的质量之比超出上述范围，则会影响悬浮液a的分散效果及粘度，不利于喷涂的进行；乙醇溶液的用量会影响等离子喷涂时焰流的热量，并最终影响喷涂效果；
10、分散剂a的用量为硒掺杂羟基磷灰石粉体的0.5wt.％～5wt.％；悬浮液a中硒掺杂羟基磷灰石粉体的质量分数为15wt.％～17wt.％；分散剂的用量过少时达不到分散的效果，而分散剂用量过多时会影响悬浮液a的粘度；硒掺杂羟基磷灰石粉体质量分数在这一范围内时，粉体能够稳定悬浮，不会造成喷涂时送液困难，且最终制得的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层效果较好；
11、球磨时，磨球与混合液a的质量之比为1：1～1.5；球磨时间为10～12h；
12、步骤b中：分散剂b为焦磷酸钠-聚丙烯酸复合分散剂，且分散剂b中焦磷酸钠和聚丙烯酸的质量之比为1：1～6，聚丙烯酸的粘度为1.2～3.5mpa·s；乙醇溶液b中无水乙醇的体积分数为50％～55％；焦磷酸钠属于离子型分散剂，聚丙烯酸属于非离子型分散剂，使用上述配比的复合分散剂有助于得到更好的分散效果；
13、分散剂b的用量为氟掺杂羟基磷灰石粉体的0.5wt.％～5wt.％；悬浮液b中氟掺杂羟基磷灰石粉体的质量分数为15wt.％～17wt.％；分散剂用量将影响悬浮液b的粘度，氟掺杂羟基磷灰石粉体质量分数在这一范围内时，粉体能够稳定悬浮，不会造成喷涂时送液困难，且最终制得的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层效果较好；
14、球磨时，磨球与混合液b的质量之比为1：1～1.5；球磨时间为10～12h。通过使用特定的分散剂选择、分散剂用量和球磨处理，悬浮液的粘度和表面张力适宜，zeta电位为负值，分散效果得到显著提高。
15、上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，硒掺杂羟基磷灰石粉体的制备方法为：
16、步骤(a-1)、将磷酸氢二铵溶液和亚硒酸钠溶液混合后滴加到硝酸钙溶液中，得到混合体系a；
17、步骤(a-2)、利用碱液调节混合体系a的ph，然后进行加热搅拌反应，反应结束后进行陈化；
18、步骤(a-3)、陈化结束后弃去上清液，将得到的下层沉淀物用蒸馏水洗涤至洗涤液呈中性，最后将洗涤后的沉底物干燥，即得到硒掺杂羟基磷灰石粉体。
19、上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，步骤(a-1)中：磷酸氢二铵溶液的物质的量浓度为0.4～0.6mo l/l；亚硒酸钠溶液的物质的量浓度为0.3～0.6mol/l；硝酸钙溶液的物质的量浓度为0.3～0.6mo l/l；混合体系a中钙、磷和硒三者的物质的量比为10：(6-n)：n，n大于0.06且小于2；钙、磷和硒三种元素的物质的量比符合上述比例时，最终制得的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的生物性能和结构稳定性较高，若改变这一比例，尤其是增加硒的掺杂量时，涂层的生物性能和结构稳定性均会出现明显下降；
20、步骤(a-2)中，利用氨水调节混合体系a的ph至10～11；加热搅拌反应的条件为：在60～65℃温度下，搅拌反应12～14h；陈化时间为12～14h；温度、搅拌时间和陈化时间超出上述范围时，目标产物硒掺杂羟基磷灰石粉体的纯度和结晶度均会出现下降；ph超出上述范围时，将无法得到目标产物；
21、步骤(a-3)中，硒掺杂羟基磷灰石粉体的粒径为10～80nm。粉体粒径过大或过小时，将影响最终制得的涂层的生物性能。
22、上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，氟掺杂羟基磷灰石粉体的制备方法为：
23、步骤(b-1)、将磷酸氢二铵溶液和氟化铵溶液混合后滴加到硝酸钙溶液中，得到混合体系b；
24、步骤(b-2)、利用碱液调节混合体系b的ph，然后进行加热搅拌反应，反应结束后进行陈化；
25、步骤(b-3)、陈化结束后弃去上清液，将得到的下层沉淀物用蒸馏水洗涤至洗涤液呈中性，最后将洗涤后的沉底物干燥，即得到氟掺杂羟基磷灰石粉体。
26、上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，步骤(b-1)中：磷酸氢二铵溶液的物质的量浓度为0.4～0.6mo l/l；氟化铵溶液的物质的量浓度为0.4～0.6mo l/l；硝酸钙溶液的物质的量浓度为0.4～0.6mo l/l；混合体系b中钙、磷和氟三者的物质的量之比为10：6：m，m大于0.6且小于或等于2；钙、磷和氟三种元素的物质的量比符合上述比例时，最终制得的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的生物性能和结构稳定性较高，且氟元素含量适宜，不会对机体产生毒害；
27、步骤(b-2)中，利用氨水调节混合体系b的ph至9～10；加热搅拌反应的条件为：在60～65℃温度下，搅拌反应12～14h；陈化时间为12～14h；温度、搅拌时间和陈化时间超出上述范围时，目标产物氟掺杂羟基磷灰石粉体的纯度和结晶度均会出现下降；ph超出上述范围时，将无法得到目标产物；
28、步骤(b-3)中，氟掺杂羟基磷灰石粉体的粒径为10～80nm。粉体粒径过大或过小时，将影响最终制得的涂层的生物性能。
29、上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，步骤d中：喷涂时，悬浮液a采用径向送液的方式送液，悬浮液b采用轴向送液的方式送液；与径向送液相比，轴向送液使悬浮液b在焰流中停留的时间长，物料获得的能量多，融化更充分。
30、同步双送液模式的喷涂条件为：喷涂功率为30～120kw，喷涂距离为30～150mm；轴向送液速率为20～100ml/min；径向送液速率20～100ml/min,轴向送液雾化压力0.8～2.0bar；基体预热温度为150～400℃，喷枪移动速度为500～700mm/s，步进1.5mm/step；工作气体为氢气和氩气，氩气的气流量为20～80标准升/min，氢气的气流量为2～20标准升/min。喷枪的扫描遍数可根据具体的需要进行调整。采用同步双送液模式喷涂时，悬浮液a和悬浮液b在等离子体火焰中混合，能够保证悬浮液中的液滴在处于熔融状态时进行反应，反应更为充分，最终制得的涂层质地更为均匀；此外，相较于先将悬浮液a和悬浮液b预混，再喷涂预混后的液体，上述的同步双送液模式喷涂可以独立控制两种喷涂液的喷涂工艺参数，有利于获得结构理想的涂层。
31、上述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，步骤c中：医用金属为纯钛，医用合金材料为钛合金、不锈钢或钴铬钼合金；预处理的方法为：将基体依次使用汽油和无水乙醇进行超声清洗；然后将超声清洗干燥后的基体使用刚玉进行喷砂处理即可。通过喷砂处理，提高了涂层与金属基体的结合强度。这一改进增强了涂层与基体的结合稳定性，减少了涂层脱落的风险。
32、氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的应用，将如上述的方法制备的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层用于以下任一所述的用途：用于对骨缺损处进行修复；用于对骨肉瘤患者的骨缺损处进行修复同时抑制骨肉瘤的复发；用于预防骨重建过程中发生感染。
33、本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
34、1、本发明将氟、硒共掺杂羟基磷灰石喷涂到骨科植入材料的表面，实现通过涂层改善骨肉瘤患者骨损伤部位的骨微环境，达到骨损伤修复的目的；普通的氟掺杂羟基磷灰石涂层虽然具有一定的抑菌性能，但其含有的氟元素在患者体内的释放量通常不受控制，容易引发氟中毒等问题；硒元素能够提高机体对氟元素的拮抗能力，且有抗肿瘤作用，而本发明制备的氟、硒共掺杂羟基磷灰石涂层对骨肉瘤患者具有针对性和较好的修复效果，可用于修复其骨损伤，并在不抑制正常细胞活性的前提下，抑制细菌和癌细胞的增殖，且涂层溶解速率适宜，氟的释放速率被有效控制，不易造成氟中毒。
35、2、本发明中在制备悬浮液a和悬浮液b时，选择质量比为1：1～5的柠檬酸铵和聚丙烯酸作为自制的硒掺杂羟基磷灰石粉体的复合分散剂，同时选择质量比为1：1～6的焦磷酸钠和聚丙烯酸作为自制的氟掺杂羟基磷灰石粉体的复合分散剂，并分别控制悬浮液a中硒掺杂羟基磷灰石粉体和悬浮液b中氟掺杂羟基磷灰石粉体的含量，使得最终配制的悬浮液a和悬浮液b的粘度和表面张力均适宜，并且其zeta电位均为负值；将上述悬浮液a和悬浮液b分别采用径向和轴向的送液方式进行同步喷涂，能够得到具有致密度好，硒、氟释放速率适宜的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层，该羟基磷灰石种植体涂层在用于骨肉瘤患者的骨修复时，不仅具有优异的生物相容性，而且硒和氟能够更好地发挥其修复作用，避免出现氟中毒问题。
36、3、本发明中喷涂时采用同步双送液模式，其中径向送液为等离子体喷枪外部送液，沿径向方向将液相送到等离子体焰流中；轴向送液为等离子体喷枪内部送液，即沿轴向方向将液相送到等离子体焰流中，此时粉体物料获得能量较高，融化更充分。悬浮液a采用径向送液的方式送液，悬浮液b采用轴向送液的方式送液，可促使不同粉体物料在等离子焰流中充分发生反应，且这两种悬浮液中都含有体积分数为50％的乙醇，乙醇增加了等离子焰流的热量，进一步促进了反应的充分进行，这使得内含均匀分散的粉体的悬浮液a和悬浮液b制成的涂层在应用过程中更稳定。
37、将含有硒掺杂羟基磷灰石粉体的悬浮液a采用径向送液的方式送液，将含有氟掺杂羟基磷灰石粉体的悬浮液b采用轴向送液的方式与悬浮液a同步送液，并通过控制悬浮液a和悬浮液b的粘度以及粉体的含量，在特定的喷涂条件下，能够使得氟和硒在形成的羟基磷灰石涂层中分布更合理，从而使得掺杂的羟基磷灰石涂层具有更适宜的溶解速率和致密度；而当生物体中的氟、硒共掺杂羟基磷灰石涂层溶解速率和致密度适宜时，涂层中含有的化学成分氟和硒的释放速率将得到平衡，在涂层中的氟和硒共同发挥抗癌抑菌的生物作用的同时，被释放进机体中的硒又足以对氟的毒性产生拮抗。本发明上述这种制备方法制得的羟基磷灰石涂层经se和f元素掺杂后，钙、磷、硒和氟四种元素的比例适宜，且接近羟基磷灰石的理论ca/p比，这说明采用本发明中提供的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层制备方法制得的涂层纯度较高。
38、4、本发明利用液相等离子喷涂技术在医用金属及合金表面制备的氟、硒共掺杂羟基磷灰石涂层不仅具有优良的生物相容性，而且具有抗菌性和抗肿瘤活性，能够促进骨肿瘤患者骨缺损部位的骨修复。
1.氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层，其特征在于，氟、硒共掺杂羟基磷灰石的化学式为ca10(po4)6-y(seo3)y(oh)2-xfx；其中，x大于0.6且小于或等于2，y大于0.06且小于2。
2.氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，其特征在于，利用如下步骤制备如权利要求1所述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层：
3.根据权利要求2所述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，其特征在于，步骤a中：分散剂a为柠檬酸铵-聚丙烯酸复合分散剂，且分散剂a中柠檬酸铵和聚丙烯酸的质量之比为1：1～5，聚丙烯酸的粘度为1.2～3.5mpa·s；乙醇溶液a中无水乙醇的体积分数为50％～55％；
4.根据权利要求3所述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，其特征在于，硒掺杂羟基磷灰石粉体的制备方法为：
5.根据权利要求4所述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，其特征在于，步骤(a-1)中：磷酸氢二铵溶液的物质的量浓度为0.4～0.6mol/l；亚硒酸钠溶液的物质的量浓度为0.3～0.6mol/l；硝酸钙溶液的物质的量浓度为0.3～0.6mol/l；混合体系a中钙、磷和硒三者的物质的量比为10：(6-n)：n，n大于0.06且小于2；
6.根据权利要求3所述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，其特征在于，氟掺杂羟基磷灰石粉体的制备方法为：
7.根据权利要求6所述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，其特征在于，步骤(b-1)中：磷酸氢二铵溶液的物质的量浓度为0.4～0.6mol/l；氟化铵溶液的物质的量浓度为0.4～0.6mol/l；硝酸钙溶液的物质的量浓度为0.4～0.6mol/l；混合体系b中钙、磷和氟三者的物质的量之比为10：6：m，m大于0.6且小于或等于2；
8.根据权利要求2-7任一所述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，其特征在于，步骤d中：喷涂时，悬浮液a采用径向送液的方式送液，悬浮液b采用轴向送液的方式送液；
9.根据权利要求8所述的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的制备方法，其特征在于，步骤c中：医用金属为纯钛，医用合金材料为钛合金、不锈钢或钴铬钼合金；预处理的方法为：将基体依次使用汽油和无水乙醇进行超声清洗；然后将超声清洗干燥后的基体使用刚玉进行喷砂处理即可。
10.氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层的应用，其特征在于，将如权利要求2所述的方法制备的氟、硒共掺杂羟基磷灰石种植体涂层用于以下任一所述的用途：用于对骨缺损处进行修复；用于对骨肉瘤患者的骨缺损处进行修复同时抑制骨肉瘤的复发；用于预防骨重建过程中发生感染。
