专利名称：一种晶体硅表面原位制备硅酸钙生物薄层的方法一种晶体硅表面原位制备硅酸钙生物薄层的方法技术领域本发明属于晶体硅表面改性领域，具体涉及晶体硅表面涂层的制备方法，特别 是涉及在晶体硅表面原位制备硅酸钙生物薄层的方法。生物相容性好的晶体硅是研发基于体内应用的长期安全可靠的新型生物芯片 (Biochips)、微传感器(Micro-sensors)、微电子机械系统(MEMS)等微型器件的关键原 材料，特别是随着生物医学工程的发展，开发应用于生物医学领域的上述高灵敏度与精 确度且生物安全的微型器件尤其重要，这将为促进病原的原位在线诊断和治疗提供重要 支撑。但目前的研究显示，晶体硅自身的生物相容性较差，植入体内时容易引发局部炎 症、排斥等不良生理反应。目前，相关研究工作主要通过在晶体硅表面沉积(或组装)生物相容性较好的金 属或有机物，如纳米金和含氨基的无毒有机分子等[Suet P L，et al.Biomaterials, 2006， 27: 4538 ； Bharat B，et al.Acta Biomaterialia，2005，1: 327],但批量制备成本较高、 附着力小以及长期生物相容性较差等原因也造成其应用受到很大的限制；通过表面离子 注入H元素技术可使晶体硅表面具备诱导磷灰石沉积的能力[Liu X Y et al.Biomaterials, 2004，25(6) 5575],但对设备要求高、操作成本大，使其难以应用与晶体硅的表面批 量改性，且该技术对形状复杂的晶体硅的表面改性均勻性较差；另外，还有部分研究 采用在晶体硅表面直接制备磷灰石涂层的方法来提高晶体硅的表面生物相容性，包括采 用化学沉积[Chung R，et al.Surface and Coatings Technology, 2003 194]、溶胶-凝胶 (sol-gel)法[Miguel Μ, et al.International Journal of Inorganic Materials, 2001: 1153]、 激光熔覆[Guillot N O et al.J.Appl.Phys，1996，80 (6) 1803]、仿生沉积[Seala S，et aLAppliedSurface Science, 2001，137 339]等几种方法，但采用这些方法制备的磷灰石 涂层与晶体硅之间存在明显界面，较差的结合性致使磷灰石涂层容易脱落失效。基于上述晶体硅表面生物学改性方法的不足，非常有必要开发可方便应用于生 物医用晶体硅表面生物学改性的新涂层及其制备方法。本发明的最大创新点在于首次 采用高温高压下氢氧化钙与晶体硅表层原子直接反应生成硅酸钙的新技术，在晶体硅 表面原位制备出具有纳米结构的硅酸钙薄层。该发明涉及的新改性思路的提出主要基 于(1)高温高压环境中可实现晶体硅单质与氢氧化钙的可控反应；(2)硅酸钙薄层原 位生成在晶体硅表面，可与晶体硅形成优良的结合界面；( 纳米硅酸钙具有诱导骨磷 灰石形核与生长的能力，并具有与细胞和组织的优异生物相容性。包括硅酸钙与硅灰 石等在内的硅酸钙盐促进骨磷灰石沉积以及其优异的生物相容性已被相关研究工作所 证实[Hench L.J Am Ceram Soc, 1991，74(7) 1487 ； Nakamura T.J Biomed MaterRes, 1985，19 685]；目前，硅酸钙盐类生物材料的主要制备与应用形式包括溶胶-凝胶法 或化学沉积法或固相反应法制备生物相容陶瓷粉体或多孔结构生物陶瓷植入体[朱宏扬， 等.生物医学工程研究，2008，27(1) 9；万祥辉，等.材料科学与工程学报，2005，23(2) 230；林开利，等.无机材料学报，2005，20(3) 692；林开利，等.中国发明专 利CN1403414，CN1439618]、等离子喷涂医用金属基生物相容涂层[刘宣勇，等.硅酸 盐学报，2002，30(1) 20],还没有任何工作涉及将硅酸钙应用于晶体硅的表面生物学 改性，也没有在晶体硅表面制备硅酸钙涂层的报道，更没有与本发明采用的高温高压下 在晶体硅表面原位制备硅酸钙生物薄层有任何相似或相近的研究工作。特别值得一提的 是，与现有用来制备硅酸钙盐类生物陶瓷粉体、涂层和体材的方法对比，本发明提出的 高温高压方法在改性成本、改性流程与工艺参数的可控性等方面都具有明显的优势，是 对具有多种形貌结构、应用于生物医学领域的晶体硅进行表面生物学改性的理想的新途 径。发明内容本发明的主要目的是提供一种可在片状、线状与管状等多种形态晶体硅表面原 位制备纳米涂层的新方法，具体是提供一种在晶体硅表面原位制备硅酸钙生物薄层的方 法，期望原位形成的硅酸钙生物薄层与晶体硅基材间牢固结合避免外置涂层的脱落问 题，同时期望生物相容性好的硅酸钙生物薄层能提高生物惰性晶体硅的表面生物相容 性。本发明公开的晶体硅表面原位制备硅酸钙生物薄层的新方法，其特征在于，包 括以下步骤i)晶体硅的表面清洗将片状或线状或管状晶体硅先后放入丙酮、无水乙醇和 去离子水中用超声波清洗，超声波的清洗频率为20 80kHz，优选40 75kHz;超声清 洗时间为10 60分钟，用去离子水冲洗、晾干备用；ii)饱和氢氧化钙溶液的配制在温度为15 35°C将过量的氢氧化钙倒入去离子 水中，密封瓶口，稍加搅拌后静置；
iii)晶体硅表面原位硅酸钙生物薄层的形成取ii)中氢氧化钙饱和溶液的上清 液倒入高压釜中，将i)中经表面清洗的晶体硅浸入饱和氢氧化钙溶液，在温度151 300°C。压强为0.5 5.0MRi，环境中处理0.5 10小时后将晶体硅取出，反复用去离 子水浸润与淋洗，晾干后在电炉中于温度为300 600°C退火0.5 5小时，即在晶体硅 表面原位制得硅酸钙生物薄层。
在本发明中，所述晶体硅在丙酮、无水乙醇和去离子水中先后进行超声波清洗 时间优选30 50分钟。
在本发明中，所述氢氧化钙为分析纯或化学纯级试剂。
在本发明中，所述氢氧化钙饱和溶液的配制温度优选20 30°C。
在本发明中，所述经过表面清洗的晶体硅在高压釜中的氢氧化钙饱和溶液中的 处理温度优选160 洸0°C。
在本发明中，所述经过表面清洗的晶体硅在高压釜中的氢氧化钙饱和溶液中的 处理压力优选1.0 3.0MRI。
在本发明中，所述经过表面清洗的晶体硅在高压釜中的氢氧化钙饱和溶液中的 处理时间优选3 6小时。
在本发明中，所述从高压釜中取出的晶体硅在电炉中的退火温度优选350 500 "C。
在本发明中，所述从高压釜中取出的晶体硅在电炉中的退火时间优选1 3小 时。
将片状、线状、管状等多种形态的晶体硅在高温高压的氢氧化钙饱和溶液中处 理，利用硅单质与高温下的中等强度的氢氧化钙碱液反应生成硅酸钙，并借助高压控制 硅酸钙生长为纳米形态且与晶体硅基材紧密结合，最后通过中高温退火处理，从而在多 种形态晶体硅表面原位形成硅酸钙生物薄层，实现具有优良结合界面与生物相容性的晶 体硅基生物薄层的制备。
采用本发明的氢氧化钙饱和溶液与晶体硅在高温高压下反应的方法，可在晶体 硅表面原位制备硅酸钙生物薄层，其基本原理是利用高温下硅单质可与氢氧化钙溶解 电离出的氢氧根离子反应生成硅酸根离子和水，硅酸根与氧化化钙电离出的钙离子进 一步结合生成硅酸钙，由于氢氧化钙的溶解度随温度升高而降低，可避免过多的氢氧 根离子在高温下对硅单质的剧烈溶蚀而造成的晶体硅主体结构损坏，且较低的电离钙 离子浓度能抑制硅酸钙晶体的快速形核与长大，此外，高压釜的高压状态也能有效控 制硅酸钙的过度生长，从而为形成与晶体硅基原位紧密结合的硅酸钙生物薄层提供有 利条件，生物相容性好的硅酸钙生物薄层也为骨状磷灰石、细胞和新生组织的附着和 生长提供了活性场所，是改善生物惰性晶体硅表面生物相容性的一条有效途径，为研发 基于体内应用的新型生物芯片(Biochips)、微传感器(Micro-sensors)、微电子机械系统 (Micro-electro-mechanical System, MEMS)等微型生物医学器件提供生物安全可靠的表 面改性晶体硅材料，进一步拓展上述器件的生物医学应用。
有益效果
本发明采用方便可控的高温高压氢氧化钙饱和溶液热反应方法对晶体硅表面进 行涂层改性，即在晶体硅表面原位制备硅酸钙生物薄层，所需改性试剂便宜易得、设备 投入小、工艺操作便于实施，且该方法适用于任意形状的晶体硅材料表面原位硅酸钙生 物薄层的制备。

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易 于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
i)晶体硅的表面清洗将长和宽分别为3cm和2cm、厚0.5mm的片状晶体硅先 后用丙酮、无水乙醇和去离子水在20kHz超声波清洗器中各清洗60分钟，最后用去离子 水冲洗、晾干备用；
ii)饱和氢氧化钙溶液的配制在15°C下将相分析纯氢氧化钙倒入盛有300mL 去离子水的塑料烧杯中，用保鲜膜密封瓶口，稍加磁力搅拌后静置；
iii)晶体硅表面原位硅酸钙生物薄层的形成取ii)中配制氢氧化钙饱和溶液的 120mL倒入容量为150mL的高压釜中，将i)中经表面清洗的晶体硅浸入饱和氢氧化钙溶 液，在151°C、0.5MRi高温高压环境中处理10小时后将晶体硅取出，反复用去离子水浸 润与淋洗，晾干后在电炉中于600°C退火0.5小时，即在晶体硅表面原位制得硅酸钙生物薄层，硅酸钙生物薄层由长约600nm、直径约30nm的硅酸钙纳米线状晶体构成。
实施例2
i)晶体硅的表面清洗将直径约3mm线状晶体硅先后用丙酮、无水乙醇和去离 子水在80kHz超声波清洗器中各清洗10分钟，最后用去离子水冲洗、晾干备用；
ii)饱和氢氧化钙溶液的配制在35°C下将相分析纯氢氧化钙倒入盛有200mL 去离子水的塑料烧杯中，用保鲜膜密封瓶口，稍加磁力搅拌后静置；
iii)晶体硅表面原位硅酸钙生物薄层的形成取ii)中配制氢氧化钙饱和溶液的 135mL倒入容量为150mL的高压釜中，将i)中经表面清洗的晶体硅浸入饱和氢氧化钙溶 液，在300°C、5.0MRi高温高压环境中处理0.5小时后将晶体硅取出，反复用去离子水浸 润与淋洗，晾干后在电炉中于300°C退火5小时，即在晶体硅表面原位制得硅酸钙生物薄 层，硅酸钙生物薄层由长约lOOOnm、厚约70nm的硅酸钙纳米线束状晶体构成。
实施例3
i)晶体硅的表面清洗将直径约3mm线状晶体硅先后用丙酮、无水乙醇和去离 子水在40kHz超声波清洗器中各清洗30分钟，最后用去离子水冲洗、晾干备用；
ii)饱和氢氧化钙溶液的配制在20°C下将相分析纯氢氧化钙倒入盛有350mL 去离子水的塑料烧杯中，用保鲜膜密封瓶口，稍加磁力搅拌后静置；
iii)晶体硅表面原位硅酸钙生物薄层的形成取ii)中配制氢氧化钙饱和溶液的 130mL倒入容量为150mL的高压釜中，将i)中经表面清洗的晶体硅浸入饱和氢氧化钙溶 液，在160°C、I.8MR1高温高压环境中处理6小时后将晶体硅取出，反复用去离子水浸 润与淋洗，晾干后在电炉中于350°C退火3小时，即在晶体硅表面原位制得硅酸钙生物薄 层，硅酸钙生物薄层由长约720nm、直径约45nm的硅酸钙纳米线晶体构成。
实施例4
i)晶体硅的表面清洗将长和宽分别为5cm和3cm、厚0.5mm的片状晶体硅先 后用丙酮、无水乙醇和去离子水在60kHz超声波清洗器中各清洗20分钟，最后用去离子 水冲洗、晾干备用；
ii)饱和氢氧化钙溶液的配制在下将吆分析纯氢氧化钙倒入盛有500mL 去离子水的塑料烧杯中，用保鲜膜密封瓶口，稍加磁力搅拌后静置；
iii)晶体硅表面原位硅酸钙生物薄层的形成取ii)中配制氢氧化钙饱和溶液的 IOOmL倒入容量为150mL的高压釜中，将i)中经表面清洗的晶体硅浸入饱和氢氧化钙溶 液，在220°C、2.1MRi高温高压环境中处理4.5小时后将晶体硅取出，反复用去离子水浸 润与淋洗，晾干后在电炉中于450°C退火2小时，即在晶体硅表面原位制得硅酸钙生物薄 层，硅酸钙生物薄层由长约810nm、直径约52nm的硅酸钙纳米线状晶体构成。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的 技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是 说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改 进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权 利要求书及其等效物界定。


一种晶体硅表面原位制备硅酸钙生物薄层的方法，包括以下步骤i)晶体硅的表面清洗；ii)饱和氢氧化钙溶液的配制；iii)晶体硅表面原位硅酸钙生物薄层的形成取ii)中氢氧化钙饱和溶液的上清液倒入高压釜中，将i)中经表面清洗的晶体硅浸入饱和氢氧化钙溶液，在高温高压环境中处理后将晶体硅取出，反复用去离子水浸润与淋洗，晾干后在电炉中退火，即在晶体硅表面原位制得硅酸钙生物薄层。本发明适用于任意形状的晶体硅材料表面原位硅酸钙生物薄层的制备。