CN101850131A - 晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，包括有以下步骤：1)选择具有生物相容性的金属材料作为基体，并对其基体表面进行清洗、粗化；2)表面活化处理；3)基体浸泡于仿生溶液中，水浴加热，以在基体表面培养羟基磷灰石晶核，控制溶液中Ca离子和P离子浓度大于或等于正常体液中Ca离子和P离子的浓度来调节羟基磷灰石晶核的密度和直径，控制羟基磷灰石晶核间的统计平均间距小于细胞尺度。本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：①本发明在金属基体表面预制一定密度的生物活性锚点，从而引导骨细胞直接与金属基体结合，实现骨整合；②大大提高骨整合界面的抗冲击韧性，获得永久植入。
Description
技术领域
本发明涉及到一种晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法。
背景技术
目前，在承重骨替代材料中，金属材料占有重要的地位。在植入体材料与宿主环境的反应中，材料的表面起着非常重要的作用，控制植入体材料表面的结构和特性可有效改善材料的植入效果[1]。但传统的金属植入体表面处理多是采用物理或化学方法在金属表面制备具有良好生物相容性的涂层或薄膜，如生物玻璃涂层[2]、磷酸钙涂层[3]、TiO2-HA复合涂层[4-5]等。植入体内一段时间后，虽然涂层与新骨的结合强度较高，但由于植入体表面涂层常处于动态、冲击的高剪切应力环境中，使涂层易与金属脱落，最终导致种植失效[6-7]。因此，可以认为解决金属骨内种植体与骨连接的问题主要从两个方向出发：一是继续开发新型涂层技术，提高涂层与金属基体的粘结强度，保证植入后期的稳定性；二是另辟蹊径，引导骨组织与金属植入体表面的直接联结，使骨细胞在金属表面直接参与胶原纤维的生成和矿化，获得具微血管和生命活性的界面，该界面由于有胶原纤维的参与，将显著提高界面的抗冲击强度和韧性，避免出现目前涂层整体脱落的情况。
骨是一种坚固的结缔组织，它的基质由嵌在钙盐中的胶原蛋白纤维组成[8]，这种结合赋予骨组织坚韧的特性，从材料学看，它是一种优良的无机/有机复合材料。由于骨包含活的细胞，它可以随人体的生长而生长。欲引导骨组织与金属植入体表面的直接骨整合，应该在金属表面创造出适合细胞增殖及骨钙化的条件。
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发明内容
本发明所要解决的技术问题提供一种引导骨组织与生物相容性钛及合金直接实现骨整合的方法，通过在表面活化过的金属植入体表面诱导一定密度的晶核生成，赋予金属植入体良好的骨形成能力，使其能同骨组织形成良好的生物性结合，避免在金属材料与骨组织间存在脆性的涂层/基体界面。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于包括有以下步骤：
1)选择具有生物相容性的金属材料作为基体，并对其基体表面进行清洗和粗化处理；
2)对经过步骤1)处理的基体再经过表面活化处理；
3)对经过步骤2)处理的基体浸泡于仿生溶液中，水浴加热，以在基体表面培养羟基磷灰石晶核，其中通过控制水浴加热温度为37±0.5℃，浸泡时间1d～14d，控制溶液中Ca离子和P离子浓度大于或等于正常体液中Ca离子和P离子的浓度来调节羟基磷灰石晶核的密度和直径，控制羟基磷灰石晶核间的统计平均间距小于细胞尺度，使其成为骨细胞参与新骨矿化的贴附点。
按上述方案，所述的具有生物相容性的金属材料为钛金属或钛合金。
按上述方案，所述的表面活化处理为表面酸处理、表面碱处理或表面过氧化氢处理。
按上述方案，所述的仿生溶液为钙磷饱和溶液或模拟体液。
按上述方案，所述的模拟体液按下述方法配制而成：在37℃下，将NaCl 8.0362g、NaHCO30.3507g、KCl 0.2244g、K2HPO4·3H2O 0.2303g、MgCl2·6H2O 0.3112g置于容器中，加入去离子水搅拌，然后加入1M的HCl溶液25mL，再依次加入CaCl20.2896g、Na2SO40.0717g和NH2(CH2OH)6.0692g充分溶解后用1M的HCl溶液调节pH＝7.26，最后用1L容量瓶定量，于5-10℃下保存即可。
按上述方案，所述的1M的HCl溶液的配制方法是将8.6-8.1mL分析纯HCl溶入100mL蒸馏水中。
按上述方案，所述的羟基磷灰石晶核统计平均间距为1-30μm。
按上述方案，所述的羟基磷灰石晶核的直径为1-10μm。
本发明的基本原理是：本发明金属或合金基体表面需预先进行适当的表面粗化甚至进行表面多孔化，可增大与骨的接触面积；经过表面活化处理，使金属基体表层具有诱导羟基磷灰石沉积的能力；通过适当的核化工艺，控制羟基磷灰石晶核的密度和晶核的直径，使该核化的金属基体表面成为有利于骨细胞贴附良好场所，进而起到“抛砖引玉”，诱导骨细胞直接贴附生长，实现材料与骨直接结合。骨的形成以成骨细胞为中心，而金属基体材料表面晶核修饰会给骨细胞创造一个良好的细胞外基质环境，更适合于骨细胞的黏附、增殖以及分化。最终引导形成有胶原纤维、微血管和细胞参与的有弹性的材料表面骨整合。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
①本发明在金属基体表面预制一定密度的生物活性锚点，从而引导骨细胞直接与金属基体结合，实现骨整合；
②采用在金属基体表面诱导适当密度的生物活性晶核，提高接近生物惰性材料的表面生物活性，赋予其骨整合的能力，避免出现涂层和基体界面处产生的后期脱落，最终实现骨组织与金属基体表面直接性的生物结合，该结合的界面由于胶原纤维和微血管的参与，成为“活的”界面，可大大提高骨整合界面的抗冲击韧性，获得永久植入；
③通过对接近生物惰性的金属基体进行适当的表面处理，赋予了其诱导羟基磷灰石沉积的能力，金属基体表面预先培养一定密度的晶核，该晶核(d：1-10μm)无序分布于材料金属基体表面，且晶核的间距小于骨细胞的线度，该预活化的金属基体表面在植入骨内后，骨细胞可以贴附于其表面生长，引导胶原纤维直接与金属基体表面结合，胶原纤维的矿化形成新骨，从而实现了直接骨整合。
附图说明
图1是晶核引导骨组织生长与金属基体生物结合的示意图；
图2钛片表面羟基磷灰石晶核扫描电镜照片；其中图2(a)是低倍放大扫描电镜图片；图2(b)是图2(a)中一个晶核的高倍放大扫描电镜图片；
图3不同羟基磷灰石晶核密度扫描电镜照片，其中图3(a)是37±0.5℃下，活化的钛金属在模拟体液中浸泡3天的结果，图3(b)是同样条件下浸泡6天的结果，可以看出，随着时间的延长，晶核长大且晶核间的间距缩小。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，包括有以下步骤：选择生物相容性好的金属材料作为基体，如钛金属或钛合金等，对其进行表面清洗和粗化处理。骨植入材料的表面粗糙度不仅与植入材料在体内的力学稳定性相关，而且显著影响成骨细胞在其上的黏附、增殖和分化等特性；再经过表面活化处理，如表面酸处理、表面碱处理或表面过氧化氢处理等，通过表面活化处理可有效提高钛和钛合金材料的生物活性、生物相容性和骨传导性能，赋予钛和钛合金植入体良好的骨形成能力以使其能同组织形成良好的生物结合。
如图1，活化过的钛金属和钛合金材料通过核化工艺，在金属材料的基体表面培养出一定量的可诱导骨生长的晶核2，如将基体6浸泡于仿生溶液(钙磷饱和溶液、模拟体液等)中可培养羟基磷灰石晶核，通过控制浸泡时间(1d到14d不等)及溶液中离子浓度(Ca、P离子浓度)来调节晶核的密度和晶核的直径，并控制晶核的统计平均间距小于细胞尺度1，使其成为骨细胞3参与新骨8矿化的贴附点，由于骨细胞的增殖，形成交织的骨胶原纤维4，骨胶原纤维的矿化形成骨组织5，在骨组织5的形成过程中，有微血管7形成和骨组织5长入，从而与活化的钛金属直接形成活的骨界面。
实施例1
将钛金属基片经过如下核化工艺处理：
1.钛金属基片的处理
①用不同粒度(200#、400#、1000#)的砂纸依次打磨钛金属基片；
②将钛金属基片置于丙酮中连续超声15min；
③再将经过步骤②处理的钛金属基片在体积分数为70％的乙醇溶液中连续超声15min；
④再将经过步骤③处理的钛金属基片在蒸馏水中连续超声15min；
⑤将经过步骤④处理的钛金属基片放入10mol/L NaOH溶液中，水浴加热60℃，放置24h；
⑥用蒸馏水浸泡24h后，清洗3-5次(可轻轻振荡)。
2.配制模拟体液(SBF)
在37℃下，将NaCl(8.0362g)、NaHCO3(0.3507g)、KCl(0.2244g)、K2HPO4·3H2O(0.2303g)、MgCl2·6H2O(0.3112g)依次加入去离子水中搅拌，然后加入1M的HCl溶液25mL，再依次加入CaCl2(0.2896g)、Na2SO4(0.0717g)和NH2(CH2OH)(6.0692g)充分溶解后用1M的HCl溶液调节pH＝7.26，最后用1L容量瓶定量，保存5-10℃。(该模拟体液中Ca离子浓度为2.5mmol/L，P离子浓度为1.0mmol/L，与血浆中钙磷离子浓度相同，1MHCl配制方法：8.6-8.1mL分析纯HCl溶入100mL蒸馏水中)
3.诱导晶核形成
①将上述经过清洗、粗化和表面活化处理过的钛金属基片放入上述配制好的模拟体液中，37℃水浴加热，每两天换一次模拟体液，浸泡1d-14d；控制溶液中Ca和P离子浓度大于或等于正常体液中Ca和P离子的浓度；
②取出泡好的钛金属基片，用去离子水清洗，然后在水浴锅中37℃干燥24h。
如图2为经过核化工艺处理过的钛片表面扫描电镜照片，钛金属基片上分布均匀的1-10μm大小晶核，晶核统计平均间距在1-30μm之间不等。(注：晶核统计平均间距是任意两个相邻晶核间距的平均值)
该预活化的金属基体表面在植入骨内后，骨细胞可以贴附于其表面生长，引导胶原纤维直接与金属基体表面结合，胶原纤维的矿化形成新骨，从而实现了直接骨整合。
实施例2
实施例2与实施例1其它操作步骤相同，区别是浸泡时间不同，浸泡时间分别为3天和6天，如图3所示，图3(a)和图3(b)分别为浸泡时间为3天和6天的磷灰石晶核密度的扫描电镜照片。
通过实施例1-2可以看出，依据不同的处理工艺，可制备不同出不同羟基磷灰石晶核密度的钛片，如图3所示，为不同羟基磷灰石晶核密度扫描电镜照片，本发明可以通过改变①水浴温度；②浸泡时间；③模拟体液中钙和磷离子浓度等调节羟基磷灰石晶核的密度，最终制备出最适合于细胞黏附、增殖和分化的磷灰石晶核密度。
Claims (8)
1.晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于包括有以下步骤：
1)选择具有生物相容性的金属材料作为基体，并对其基体表面进行清洗和粗化处理；
2)对经过步骤1)处理的基体再经过表面活化处理；
3)对经过步骤2)处理的基体浸泡于仿生溶液中，水浴加热，以在基体表面培养羟基磷灰石晶核，其中通过控制水浴加热温度为37±0.5℃，浸泡时间1d～14d，控制溶液中Ca离子和P离子浓度大于或等于正常体液中Ca离子和P离子的浓度来调节羟基磷灰石晶核的密度和直径，控制羟基磷灰石晶核间的统计平均间距小于细胞尺度，使其成为骨细胞参与新骨矿化的贴附点。
2.按权利要求1所述的晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于：所述的具有生物相容性的金属材料为钛金属或钛合金。
3.按权利要求1或2所述的晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于：所述的表面活化处理为表面酸处理、表面碱处理或表面过氧化氢处理。
4.按权利要求1或2所述的晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于：所述的仿生溶液为钙磷饱和溶液或模拟体液。
5.按权利要求4所述的晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于：所述的模拟体液按下述方法配制而成：在37℃下，将NaCl 8.0362g、NaHCO30.3507g、KCl0.2244g、K2HPO4·3H2O 0.2303g、MgCl2·6H2O 0.3112g置于容器中，加入去离子水搅拌，然后加入1M的HCl溶液25mL，再依次加入CaCl20.2896g、Na2SO40.0717g和NH2(CH2OH)6.0692g充分溶解后用1M的HCl溶液调节pH＝7.26，最后用1L容量瓶定量，于5-10℃下保存即可。
6.按权利要求5所述的晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于：所述的1M的HCl溶液的配制方法是将8.6-8.1mL分析纯HCl溶入100mL蒸馏水中。
7.按权利要求1所述的晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于：羟基磷灰石晶核统计平均间距为1-30μm。
8.按权利要求1所述的晶核引导骨性结合的金属植入体表面改性的方法，其特征在于：羟基磷灰石晶核的直径为1-10μm。
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