CN101732762B - 能缓释微量元素硒的生物活性人工关节 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种能缓释微量元素硒的生物活性人工关节，这种人工关节由纯钛或钛合金人工关节基体以及负载有微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白(BMP)的微孔钛酸钠表面层组成。所述及的具有微孔结构的钛酸钠层生物活性层与金属基体表面结合，由钛或者钛合金基体表面与氢氧化钠溶液水热反应生成的钛酸钠微孔结构相互交替堆叠而成，微量亚硒酸钠和BMP通过离心力与毛细管作用复合于微孔结构中。制备的方法为：首先选用纯钛或钛合金加工好人工关节；然后采用碱液水热合成技术在钛人工关节表面获得具有微孔结构的钛酸钠层；最后采用离心负载技术在微孔钛酸钠层内负载亚硒酸钠和骨形态发生蛋白。

Description

能缓释微量元素硒的生物活性人工关节
技术领域
本发明涉及一种能缓释微量元素硒的生物活性人工关节，特别是涉及一种由纯钛或钛合金人工关节基体以及负载有微量元素硒和骨形态发生蛋白的微孔钛酸钠表面层组成的人工关节及其制备方法，属于人工关节材料技术领域。
背景技术
全球每年约有150万因退变性和炎症性关节炎导致的关节丧失功能患者需进行人工关节置换术。其中金属材料用作制造人工关节应用最早，而且在目前临床中的应用也仍最为广泛。随着时间的推移和临床研究表明，金属材料的人工关节普遍存在人工关节发生松动、下沉或折断等情况，引起骨吸收，是影响人工关节置换远期疗效的主要并发症之一。植入体表面形貌和化学特征改性被证明是一种提高骨整合的有效手段，是一种可确保骨接触式种植体稳定性的可靠途径。
微量元素硒与人体健康有密切关系，是一种人体不可缺少的微量元素，具有重要的生理功能及广泛的药理作用。它参与机体抗氧化和能量代谢，产生多方面作用：可有助于清除人和动物体内产生的各种亲电子自由基；保护细胞的完整性；保护蛋白质和大分子的结构与功能；能抑制致癌物的活力；加速重金属解毒；刺激免疫球蛋白及抗体的产生，增强机体对疾病的抵抗力以及抗菌消炎等等。特别是其提高免疫力和消炎作用，可在人工关节植入过程中发挥巨大的作用，有效降低植入体附近人体组织的感染。
骨形态发生蛋白(BMP)是广泛存在于骨基质中的一种低分子糖蛋白多肽，可以作用于间充质细胞表面受体，诱导血管周围的未分化间充质细胞和骨髓基质细胞转化为软骨和骨细胞，具有诱导骨形成的生物特性。在人工关节表面负载骨形态发生蛋白(BMP)，可以显著提高植入初期人工关节表面诱导成骨的能力。但是BMP易被较快吸收、降解，必须要有合适的载体起到提高其释放周期的作用。
人体硬组织的主要无机质是钙磷相，而钛酸钠盐在体液中可以转变为水合二氧化钛，使金属表面原位形成许多Ti-OH基团，从而诱导体液中的钙、磷沉积，形成磷灰石层(Ceramics International，1996，79(24)：1127-1129)。另外由于钛酸钠晶体的特殊结构，使得钠离子有着很强的交换能力，可以与多种阳离子进行置换，从而进行离子缓释，加强钛酸钠结构层的功能性。同时表面微孔的特殊形貌增大了比表面积，使得钛酸钠结构层在负载能力方面得到极大的增强。
制备具有生物活性的钛酸钠结构的常用方法是碱液水热合成技术。中国专利ZL02117866.6“一种制备水合钛酸钠盐以及系列钛酸盐纳米管的工艺方法”公开了一种基于碱液水热合成技术制备钛酸钠纳米结构的方法，即在密闭容器中使用二氧化钛粉体或者偏钛酸粉体与氢氧化钠溶液进行水热反应，最终制得具有管状结构的分散的钛酸钠盐。但该制备方法只能针对制备出分散的钛酸盐结构，并没有涉及金属基体表面的制备。而钛酸钠作为一种极具潜力的生物医用材料，还很少有应用于人工关节材料技术领域。因此寻找合适的工艺在人工关节金属基体表面制备具有特殊结构的钛酸钠生物活性涂层，并且增强其功能性和负载能力，将越来越受到人工关节材料技术领域的重视。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对人工关节上述不足，提出一种具有微量元素硒缓释功能，并且可以显著提高植入初期人工关节表面诱导成骨的能力的人工关节及其制备方法。
技术方案：这种能缓释微量元素硒的生物活性人工关节在金属基体表面有一层采用碱液水热合成技术获得的具有微孔结构的钛酸钠生物活性涂层，其表面利用离心负载技术复合有微量元素硒和骨形态发生蛋白(BMP)。具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层与金属基体结合强度高，由于钛酸钠微孔结构交替堆叠生长于基体表面，可抑制金属基体中有毒金属离子的析出，而钛酸钠微孔结构具有很好的生物活性并且能促进磷灰石层的沉积生长，同时微孔结构也是亚硒酸钠和BMP的理想载体，硒元素掺入后可提高机体免疫力、消炎能力。BMP可通过离心力作用与毛细管效应的双重作用深入渗透到微孔钛酸钠涂层中，使人工关节表面BMP的携带量大大提高。人工关节植入人体后，其表面BMP释放周期延长，有利于BMP诱导成骨作用的充分发挥。
本发明通过以下技术方案加以实现：
在这种能缓释微量元素硒的生物活性人工关节金属基体表面有一层具有微孔结构的钛酸钠生物活性涂层，微孔涂层上进一步复合有微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白(BMP)。
所述及的具有微孔结构的钛酸钠生物活性涂层与金属基体表面结合，由钛或者钛合金基体表面与氢氧化钠溶液进行水热反应生成的钛酸钠微孔结构相互交替堆叠而成；所述及亚硒酸钠和BMP由离心负载技术复合于微孔结构涂层中。
其制备的步骤如下：
1)首先选用纯钛或者钛合金加工好人工关节；
2)把人工关节进行表面预处理，通过物理打磨抛光以及清洗，然后在水热条件下获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层；
3)将具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层的人工关节置于由微量亚硒酸钠以及骨形态发生蛋白和磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中，利用离心负载技术进行表面负载后，取出。
4)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释微量元素硒的生物活性人工关节。
所述的水热处理采用浓度为5～15mol/L的NaOH水溶液，处理时间为4～200小时，处理温度为60～180摄氏度；所述的离心负载技术，采用浓度为5×10-3～2×10-2mol/L的亚硒酸钠以及0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，工作转速2000～80000rpm，工作时间5～30min，工作温度4～40℃。
有益效果：
(1)硒元素具有多种生物学效应，本发明能缓释微量元素硒的生物活性人工关节由纯钛或钛合金人工关节基体以及负载有微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白的微孔钛酸钠表面层组成。硒元素掺入后可提高机体免疫力、消炎能力。
(2)人工关节表面钛酸钠生物活性层与金属基体结合强度高，并具有理想的微孔结构，并可作为“晶核基面”促进磷灰石层的沉积生长；微孔结构是亚硒酸钠和BMP理想的载体，既具有消炎等有益作用又有利于BMP诱导成骨作用的充分发挥。
附图说明：
图1为本发明人工关节表面具有微孔结构的钛酸钠表面层形态的扫描电镜(SEM)照片；
图2是本发明人工关节表面具有微孔结构的钛酸钠表面层的X射线衍射(XRD)谱。
具体实施方式
实施例1
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；
(2)人工关节表面水热处理：将人工关节打磨抛光，然后用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗，采用浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液进行水热反应，工作温度120摄氏度，处理时间为6小时，在人工关节表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层；
(3)微量亚硒酸钠和BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层的人工关节固定于离心筒内，倒入5×10-3mol/L的亚硒酸钠以及0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以6000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(4)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释微量元素硒的生物活性人工关节。
实施例2
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；
(2)人工关节表面水热处理：将人工关节打磨抛光，然后用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗，采用浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液进行水热反应，工作温度120摄氏度，处理时间为6小时，在人工关节表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层；
(3)微量亚硒酸钠和BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层的人工关节固定于离心筒内，倒入5×10-3mol/L的亚硒酸钠以及0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以8000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(4)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释微量元素硒的生物活性人工关节。
实施例3
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；
(2)人工关节表面水热处理：将人工关节打磨抛光，然后用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗，采用浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液进行水热反应，工作温度150摄氏度，处理时间为72小时，在人工关节表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层，其SEM照片和XRD谱分别见图1和图2；
(3)微量亚硒酸钠和BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层的人工关节固定于离心筒内，倒入5×10-3mol/L的亚硒酸钠以及0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以6000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(4)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释微量元素硒的生物活性人工关节。
实施例4
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；
(2)人工关节表面水热处理：将人工关节打磨抛光，然后用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗，采用浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液进行水热反应，工作温度150摄氏度，处理时间为72小时，在人工关节表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层；
(3)微量亚硒酸钠和BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层的人工关节固定于离心筒内，倒入5×10-3mol/L的亚硒酸钠以及0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以8000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(4)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释微量元素硒的生物活性人工关节。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可在上述说明的基础上做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举，而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种能缓释微量元素硒的生物活性人工关节，其特征在于，所述的能缓释微量元素硒的生物活性人工关节由纯钛或钛合金人工关节金属基体以及负载有微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白BMP的具有微孔结构的钛酸钠表面层组成，所述及的具有微孔结构的钛酸钠表面层与纯钛或钛合金人工关节金属基体结合，由纯钛或钛合金人工关节金属基体表面与氢氧化钠溶液水热反应生成的钛酸钠微孔结构相互交替堆叠而成，所述及能缓释微量元素硒的生物活性人工关节制备方法按如下步骤进行：
1)首先选用纯钛或者钛合金加工好人工关节；
2)把人工关节表面打磨抛光，然后采用碱液水热合成技术在其表面获得具有微孔结构的钛酸钠表面层；
3)最后采用离心负载技术在具有微孔结构的钛酸钠表面层内负载微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白，
所述及的碱液水热合成技术，采用浓度为5～15mol/L的NaOH水溶液，处理时间为4～200小时，处理温度为60～180摄氏度。
2.根据权利要求1所述的能缓释微量元素硒的生物活性人工关节的制备方法，1)首先选用纯钛或者钛合金加工好人工关节；2)把人工关节表面打磨抛光，然后采用碱液水热合成技术在其表面获得具有微孔结构的钛酸钠表面层；3)最后采用离心负载技术在具有微孔结构的钛酸钠表面层内负载微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白，所述及的碱液水热合成技术，采用浓度为5～15mol/L的NaOH水溶液，处理时间为4～200小时，处理温度为60～180摄氏度，其特征在于所述及的离心负载技术具体操作为：将表面具有微孔结构的钛酸钠表面层的人工关节置于离心机中，倒入浓度为5×10-3～2×10-2mol/L的亚硒酸钠以及0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以2000～80000rpm的离心速度工作5～30min，其间保持工作温度为4～40℃。
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