氧化锆改性的硅酸钙基复合生物涂层研究

硅酸钙生物陶瓷涂层具有良好的生物活性，且与钛合金基体间结合强度较高，是近期备受关注的骨植入体涂层材料。但硅酸钙涂层在生理环境中降解速度过快，影响其骨结合性能及长期稳定性，与医疗实践要求存在差距。本项目制备硅酸钙包覆氧化锆的新型复合粉体，并采用等离子体喷涂技术制备涂层，以期改善涂层的降解性能。包裹在外围的硅酸钙可赋予材料生物活性，而氧化锆的核则能保证材料的化学稳定性和抗降解性能，有望从根本上解决硅酸钙涂层的降解问题。对涂层的力学和热学性能进行研究，分析涂层结构、组成、热物理性能与力学性能之间的关系，了解涂层形成机理和失效行为。考察涂层材料在生理缓冲溶液中离子析出及降解行为，研究涂层的化学组成、微结构与降解性能间的关系，探究其降解机制。以模拟体液试验、细胞培养及体内植入试验研究涂层的生物活性机制、细胞相容性与组织相容性。从而获得结合强度高、生物相容性好、抗降解性能优良的新型生物涂层材料。

硅酸钙生物陶瓷涂层具有良好的生物活性，且与钛合金基体间结合强度较高，是近期备受关注的骨植入体涂层材料。但硅酸钙涂层在生理环境中降解速度过快，影响其骨结合性能及长期稳定性，与医疗实践要求存在差距。本项目以CaO-SiO2-ZrO2三元体系相图为依据，通过固相反应、正硅酸乙酯（TEOS）水解等方法制备硅酸钙包覆氧化锆的新型复合粉体，并采用等离子体喷涂技术在钛合金基材上制备相应涂层。TEOS水解法制备的复合粉体具有更明显的ZrO2（CaZrO3）-Ca2SiO4 “核-壳结构”，采用此种粉体制备的复合涂层中各元素组分分布亦更加均匀。研究发现，硅酸钙复合涂层在模拟体液能诱导类骨磷灰石在其表面生成，说明其具有良好的生物活性。涂层在Tris-HCl缓冲溶液中的降解速率与纯Ca2SiO4涂层相比显著降低，表明氧化锆的添加显著改善了硅酸钙涂层在生理环境中的抗降解性能。人骨髓基质干细胞（hBMSCs）培养试验显示，细胞在涂层表面能够正常黏附和生长，其增殖和成骨分化能力均高于临床常用的羟基磷灰石（HA）涂层，说明该涂层具有良好的细胞相容性和成骨性能。动物植入试验表明，涂层植入体与动物骨组织结合良好，显示了良好的组织相容性。在本项目的支持下，还研究制备了Ca3ZrSi2O9涂层、抗菌型含锌硅酸钙复合涂层等新型涂层材料。