CN101791267B - 能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根，这种人工牙根由纯钛或钛合金人工牙根基体以及负载有稀土元素铈和骨形态发生蛋白(BMP)的微孔钛酸钠生物活性层组成。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，铈与钠进行阳离子交换掺入涂层，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牙根；然后采用碱液水热合成技术在人工牙根表面获得具有微孔结构的钛酸钠层；再通过溶液浸渍离子交换在微孔钛酸钠层内掺入稀土元素铈；最后采用离心负载技术在掺铈的微孔钛酸钠层内负载骨形态发生蛋白。
Description
技术领域
本发明涉及一种能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根，特别涉及一种选用纯钛或钛合金加工基体，采用碱液水热合成技术获得微孔钛酸钠生物活性涂层，通过溶液浸渍离子交换掺铈，使用离心负载技术负载骨形态发生蛋白的人工牙根及其制备方法，属于人工牙根材料技术领域。
背景技术
人工种植牙在国际上被认为是牙齿缺失的首选修复手段，它在功能、形态、使用效果等方面与真牙类似，可以称之为“仿真牙”。种植牙由人工牙根和烤瓷牙冠组成，纯钛以及它的合金广泛用于牙科植入体人工牙根的制造。然而，普通的二氧化钛层没有足够的活性与骨直接形成联系，有时候转化为缺乏骨整合使得长期植入失败。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植入体稳定性的可靠途径。
稀土元素铈有良好的物理化学稳定性，可以通过高温、高压以及滤过等方法进行灭菌。铈元素具有多种生物学效应：高浓度的铈通过软化细胞壁将其分离，并逐步使原生质溢出，进而达到抑制细菌生长的目的；它还可能会固定烧伤时产生的脂蛋白混合物，阻止其进入体内，从而减轻炎性反应，并能防止烧伤后的免疫抑制现象，使组织受到的损伤不会进一步加重；可通过促进DNA无误修复和阻断致突变物对正常DNA损伤等方式来达到抗突变作用。
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。在人工牙根表面负载骨形态发生蛋白(BMP)，可以显著提高植入初期人工牙根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牙根材料技术领域。因此寻找合适的工艺在人工牙根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，将越来越受到人工牙根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牙根材料上述不足，提出一种具有稀土元素铈缓释功能，并且可以显著提高植入初期人工牙根表面诱导成骨能力的人工牙根及其制备方法。
技术方案：这种能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根在金属基体表面有一层采用碱液水热合成技术制备的具有微孔结构的钛酸钠生物活性层，其表面利用溶液浸渍离子交换进行掺铈，并且使用离心负载技术复合有骨形态发生蛋白(BMP)。具有微孔结构的钛酸钠生物活性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，具有很好的生物活性并且能促进磷灰石层的沉积生长；铈元素掺入后在人工牙根表面缓释，具有多种生物学效应，可以产生抑制细菌的生长、减轻炎性反应等有益效果。同时微孔结构也是BMP的理想载体。人工牙根与BMP复合通常采用离心负载技术，BMP可通过离心效应与毛细管效应的双重作用深入渗透到微孔钛酸钠涂层中，使人工牙根表面BMP的携带量大大提高。人工牙根植入人体后，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：
在这种能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根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，微孔涂层上进一步掺铈，并且复合有骨形态发生蛋白(BMP)。
所述及的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；所述及的铈元素通过溶液浸渍与钛酸钠的钠离子进行阳离子交换；所述及的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牙根；
2)把人工牙根表面打磨抛光，然后采用碱液水热合成技术在其表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层；
3)再通过溶液浸渍离子交换在微孔钛酸钠层内掺入稀土元素铈；
4)最后采用离心负载技术在掺铈的微孔钛酸钠层内负载骨形态发生蛋白。
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。
所述及的溶液浸渍离子交换，采用浓度为0.05-5.0mol·L-1可溶性铈盐水溶液，可溶性铈盐水溶液液面应淹过人工牙根，浸渍时间不少于24小时，随后用去离子水清洗几次，以消除剩余的可溶性离子，样品在真空下60-100℃干燥不少于6小时；所述的可溶性铈盐水溶液采用硝酸铈、硝酸铈氨或氯化铈中的一种或两种可溶性铈盐配制。
所述及的离心负载技术具体操作为：将表面具有掺铈微孔钛酸钠生物活性涂层的人工牙根置于离心机中，倒入浓度为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℃。
有益效果：
(1)铈元素具有多种生物学效应，向人工牙根表面微孔钛酸钠生物活性层中掺铈，可以产生抑制细菌的生长、减轻炎性反应等有益效果。该人工牙根材料有很好的生物活性、杀菌作用以及诱导成骨效应，可在短期内安全地与骨组织形成牢固的生理结合。
(2)人工牙根表面钛酸钠生物活性涂层与金属基体结合强度高，并具有理想的微孔结构，可作为“晶核基面”促进磷灰石层的沉积生长，钛酸钠结构中的钠阳离子易于进行离子交换掺入各种元素，同时微孔也是BMP理想的载体，有利于BMP诱导成骨作用的充分发挥。
附图说明：
图1为本发明人工牙根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是本发明人工牙根表面具有微孔结构的钛酸钠表面层的X射线衍射(XRD)谱；
具体实例方式
实施例1
(1)首先选用纯钛加工好人工牙根；
(2)人工牙根表面水热处理：将人工牙根打磨抛光，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，在人工牙根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)浸渍法掺铈处理：将上述制备的表面覆盖微孔钛酸钠生物活性层的人工牙根浸渍在可溶性铈盐(NH4)2Ce(NO3)6水溶液中通过离子交换掺入稀土元素铈，(NH4)2Ce(NO3)6水溶液浓度为0.05mol·L-1，溶液液面应淹过人工牙根，浸渍时间不少于24小时，随后用去离子水清洗几次，以消除剩余的可溶性离子(NH4 +，Ce4+，NO3 -)，样品在真空下60-100℃干燥不少于6小时，以在人工牙根表面获得铈掺杂的钛酸钠生物活性层；
(4)BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的掺铈钛酸钠生物活性涂层的人工牙根固定于离心筒内，倒入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；
(5)将上述取出人工牙根用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根。
实施例2
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工牙根；
(2)人工牙根表面水热处理：将人工牙根打磨抛光，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。
(3)浸渍法掺铈处理：将上述制备的表面覆盖微孔钛酸钠生物活性层的人工牙根浸渍在可溶性铈盐Ce(NO3)4水溶液中通过离子交换掺入稀土元素铈，Ce(NO3)4水溶液浓度为0.05mol·L-1，溶液液面应淹过人工牙根，浸渍时间不少于24小时，随后用去离子水清洗几次，以消除剩余的可溶性离子(Ce4+，NO3 -)，样品在真空下60-100℃干燥不少于6小时，以在人工牙根表面获得铈掺杂的钛酸钠生物活性层；
(4)BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的掺铈钛酸钠生物活性涂层的人工牙根固定于离心筒内，倒入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；
(5)将上述取出人工牙根用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根。
实施例3
(1)首先选用纯钛加工好人工牙根；
(2)人工牙根表面水热处理：将人工牙根打磨抛光，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，在人工牙根表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层。
(3)浸渍法掺铈处理：将上述制备的表面覆盖微孔钛酸钠生物活性层的人工牙根浸渍在可溶性铈盐(NH4)2Ce(NO3)6水溶液中通过离子交换掺入稀土元素铈，(NH4)2Ce(NO3)6水溶液浓度为0.05mol·L-1，溶液液面应淹过人工牙根，浸渍时间不少于24小时，随后用去离子水清洗几次，以消除剩余的可溶性离子(NH4 +，Ce4+，NO3 -)，样品在真空下60-100℃干燥不少于6小时，以在人工牙根表面获得铈掺杂的钛酸钠生物活性层；
(4)BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的掺铈钛酸钠生物活性涂层的人工牙根固定于离心筒内，倒入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；
(5)将上述取出人工牙根用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根。
实施例4
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工牙根；
(2)人工牙根表面水热处理：将人工牙根打磨抛光，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。
(3)浸渍法掺铈处理：将上述制备的表面覆盖微孔钛酸钠生物活性层的人工牙根浸渍在可溶性铈盐CeCl4水溶液中通过离子交换掺入稀土元素铈，CeCl4水溶液浓度为0.05mol·L-1，溶液液面应淹过人工牙根，浸渍时间不少于24小时，随后用去离子水清洗几次，以消除剩余的可溶性离子(Ce4+，Cl-)，样品在真空下60-100℃干燥不少于6小时，以在人工牙根表面获得铈掺杂的钛酸钠生物活性层；
(4)BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的掺铈钛酸钠生物活性涂层的人工牙根固定于离心筒内，倒入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80000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(5)将上述取出人工牙根用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根。
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 (3)
1.一种能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根，其特征在于：所述的能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根是由纯钛或钛合金人工牙根基体以及负载有稀土元素铈和骨形态发生蛋白BMP的具有微孔结构的钛酸钠生物活性层组成，所述及的具有微孔结构的钛酸钠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，再通过溶液浸渍离子交换在微孔钛酸钠层内掺入稀土元素铈，最后采用离心负载技术在掺铈的微孔钛酸钠层内负载骨形态发生蛋白BMP，所述及能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根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牙根；
2)把人工牙根表面打磨抛光，然后采用碱液水热合成技术在其表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层；
3)再通过溶液浸渍离子交换在微孔钛酸钠层内掺入稀土元素铈；
4)最后采用离心负载技术在掺铈的微孔钛酸钠层内负载骨形态发生蛋白，
所述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所述的能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根的制备方法，其特征在于所述及的溶液浸渍离子交换，采用浓度为0.05-5.0mol·L-1可溶性铈盐水溶液，可溶性铈盐水溶液液面应淹过人工牙根，浸渍时间不少于24小时，随后用去离子水清洗几次，以消除剩余的可溶性离子，样品在真空下60-100℃干燥不少于6小时；所述的可溶性铈盐水溶液采用硝酸铈、硝酸铈氨或氯化铈中的一种或两种可溶性铈盐配制。
3.根据权利要求1所述的能缓释稀土元素铈的生物活性人工牙根的制备方法，其特征在于所述及的离心负载技术，具体操作为：将表面具有掺铈微孔钛酸钠生物活性涂层的人工牙根置于离心机中，倒入浓度为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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