CN102028969A - 一种医用植入体表面非均相层状的矿化涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层，在医用植入体表面自下而上依次有致密壳聚糖层、多孔矿化壳聚糖层和矿化胶原/壳聚糖交联体层。本发明以胶原、壳聚糖、含钙化合物和含磷化合物为原料，在水溶液中下通过电化学反应，在医用金属基体表面一次性组装非均相层状矿化涂层，通过调节电沉积参数，可以调整各相的沉积状态，从而实现非均向层状涂层的制备。本发明方法简单，易行，可控性高，制得的医用材料涂层能够促进细胞在其表面的附着及增殖，具有承载药物的功能，且具有强化的生物活性性能。涂层与金属基板的结合强度高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及医用植入体表面非均相层状的矿化涂层及其制备方法。
背景技术
对于硬组织植入体材料，其既应具有力学性能，又应具有与骨性键合的能力。通常是采用在金属基板表面涂敷一层磷酸钙来兼顾力学性能与生物学性能的要求。磷酸钙涂层具有良好的生物相容性，骨传导性和生物降解性，但是，磷酸钙涂层缺乏与细胞直接作用的能力，同时缺乏载药能力。因此，许多的研究集中在磷酸钙与有机物复合上，以改善与细胞或药物分子的作用。如中国专利CN101244275将壳聚糖与磷酸钙复合，以提高其载药性能，国外专利RU2117492-C1提出一种具有成骨细胞诱导性的胶原/磷酸钙复合涂层，中国专利CN1654543将胶原与壳聚糖交联，以提高其生物学性能，中国专利CN101229393构建出一种壳聚糖/羟基磷灰石/胶原的三相复合体材料，其中羟基磷灰石颗粒分布于胶原中，壳聚糖分布于胶原极性基团附近。因此，在植入体表面涂覆一层壳聚糖，胶原和磷酸钙复合的涂层，将有利于提高涂层的生物学性能和载药性能。
就目前研究现状而言，针对复合涂层的研究较多，但针对涂层的组元结构上特别是在纵向梯度上的成分分布的研究较少。事实上，涂层的组元结构在纵向上梯度分布也与其性能息息相关。如果在涂层表面存在胶原/壳聚糖交联体将极大地增强其与细胞的相互作用，而与此同时，如果壳聚糖分布于涂层内部，那将极大的提高其载药性能以及与基板黏附的能力。
电化学沉积的原理是为多组元共沉积提高有利条件，利用电势驱动溶液中的阳离子在阴极表面富集，通过阴极附近pH上升，从而使溶质在基板附近达到等电点，从而发生自组装沉积。由于溶质的性质不同，其在基板附近发生自组装的位置不同，从而发生了分层自组装沉积。如中国专利CN101338437涉及一种利用电化学手段制备梯度多元金属混合物阳极的制备方法。中国专利CN101225534涉及一种通过电化学手段制备聚合物基金属梯度复合材料的方法。通过调节电沉积条件和电解液的条件，可以使壳聚糖和胶原-壳聚糖交联体在距基板不同的位置发生自组装和矿化，依次沉积在基板上，再在合适的条件下干燥，以得到非均相层状的功能性生物医用涂层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种医用植入体表面非均相层状的矿化涂层及其制备方法。以实现在组成上和功能上极大的提高载药性能、涂层黏附强度的同时增强细胞响应性，即刺激细胞在其表面黏附、分化和增殖的能力。
本发明的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层，在医用植入体表面自下而上依次有致密壳聚糖层、多孔矿化壳聚糖层和矿化胶原/壳聚糖交联体层，致密壳聚糖层中含有壳聚糖与磷酸钙，壳聚糖的质量百分含量自下而上从100～80％逐渐减少，磷酸钙的质量百分含量自下而上从0～20％逐渐增加，多孔矿化壳聚糖层中含有壳聚糖与磷酸钙，壳聚糖的质量百分含量自下而上从80～1％逐渐减少，磷酸钙的质量百分含量自下而上从20～99％逐渐增加。多孔矿化壳聚糖层的孔径在100nm～100μm之间，矿化胶原/壳聚糖交联体层中含有胶原/壳聚糖交联体和磷酸钙，胶原/壳聚糖交联体的质量百分含量自下而上从1～99％逐渐增加，磷酸钙的质量百分含量自下而上从99～1％逐渐减少。
上述的壳聚糖的分子量在1000～100000之间；胶原的分子量为1000～100000；所述的磷酸钙可以为磷酸八钙、羟基磷灰石、氟磷灰石或为透钙磷石，其Ca/P摩尔比为1～1.67。
本发明中，所述的胶原/壳聚糖交联体中，胶原的质量百分含量为10～85％，壳聚糖的质量百分含量为10～85％，交联剂的质量百分含量为1～5％，胶原与壳聚糖的交联度为55％～100％。
医用植入体可以为钛金属，钛合金或不锈钢。
本发明的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)将壳聚糖溶于稀酸，配制成0.1～10g/L的壳聚糖酸溶液，置于0～20℃下；
2)将胶原溶于稀酸，配制成0.01～1g/L的胶原酸溶液，置于0～20℃下；
3)将含钙化合物溶于水中，配制成0.1～10M的钙盐溶液，置于0～20℃下；
4)将含磷化合物溶于水中，配制成0.1～10M的磷酸盐溶液，置于0～20℃下；
5)按壳聚糖与胶原的质量比为0.1～100，将壳聚糖酸溶液和胶原酸溶液混合，在充分搅拌的情况下加入交联剂，调节溶液的pH值为4～6，得到胶原/壳聚糖交联体A溶液。
6)将上述制备的钙盐溶液和磷酸盐溶液按照Ca/P摩尔比为0.1～10的比例混合，得到B溶液，B溶液中Ca的浓度为0.01～2M，P的浓度为0.01～2M；
7)将A溶液和B溶液按照体积比A∶B＝100～1混合，得到C溶液；
8)将上述制备的壳聚糖酸溶液和C溶液按照体积比壳聚糖：C＝0.1～1混合，得到D溶液；
9)以D溶液为电解液，以医用植入体为工作电极，以铂为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，进行电化学沉积。工作电极与对电极间距为1～5cm，沉积过程中，初始电压1～3V，初始温度为15～30℃；先维持初始沉积条件5～10分钟，得到致密壳聚糖层；随后按照0.1～10℃/min的速率升温，当温度达到20～70℃时，停止升温，维持该条件沉积，得到多孔矿化壳聚糖层；接下来提高沉积电压到3～10V，按照0.1～10℃/min的速率降温至初始温度，维持该条件沉积5～10min，得到矿化胶原/壳聚糖交联体层。
10)将医用植入体从电解液中取出，在湿度为30～80％和温度为50～100℃下进行干燥，在医用植入体表面得到非均相层状的矿化涂层。
制备过程中，所用的稀酸可以是0.01M～1M盐酸、0.01M～1M醋酸或0.01M～1M硝酸。含钙化合物可以为硝酸钙、氯化钙或氢氧化钙。含磷化合物可以为磷酸氢铵、磷酸钠、磷酸、六氟磷酸或磷酸钾。交联剂可以为聚乙二醇、丙三醇、二乙烯基苯或二异氰酸酯。
本发明的非均相层状分布涂层通过改变工艺条件可以调节涂层的生物活性，生物降解速率和载药能力。涂层的厚度可以通过调节沉积的时间来控制。通过电化学手段，可以在阴极附近形成pH升高的梯度，再结合调控电解液的组成，可以控制壳聚糖和壳聚糖-胶原交联体在基体附近发生沉积及矿化的位置与速率。在沉积的过程中逐渐升高沉积温度，将会有利电解液中羟基的产生，将有利于磷酸钙的沉积，从而逐渐提高整个涂层的矿化程度，反之亦然。而与此同时，提高沉积电压将增加涂层的外部驱动力，将会改变有机分子在表面的发生沉积位置，从而改变沉积的组元。通过调控以上参数，得到该非均相层状结构化的矿化壳聚糖/壳聚糖-胶原涂层。其中，致密壳聚糖层的状态和厚度与最初始电化学状态下沉积的时间有关；多孔矿化壳聚糖层的状态和厚度同升温过程中的电化学参数有关；矿化胶原/壳聚糖交联体层的状态和厚度同改变电压后降温过程中的电化学参数有关。
本发明的非均相层状分布结构化生物医用涂层，能够牢固的与基体结合，具有缓慢释放药物能力，最外层为矿化胶原/壳聚糖交联体层，通过释放出细胞信号因子，能够促使细胞在其表面黏附、分化与增殖。本发明操作简便，易于推广，适用于复相电化学共沉积，在沉积中通过电化学自组装实现分层结构，适用于不同外型硬组织替代材料的金属基体，适于在工业上推广。
附图说明
图1是钛基体的表面形貌扫描电镜；
图2是致密壳聚糖层的表面形貌扫描电镜；
图3是多孔矿化壳聚糖层的表面形貌扫描电镜；
图4是矿化胶原/壳聚糖交联体层的表面形貌扫描电镜；
图5是非均相层状的矿化涂层的截面扫描电镜及线能谱元素分布数据。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
将壳聚糖溶于稀盐酸形成浓度为1.25g/L的壳聚糖酸溶液。将胶原溶于稀盐酸形成浓度为1.25g/L的胶原酸溶液。将Ca(NO3)2·6H2O溶于蒸馏水中形成钙浓度为0.2M的钙盐溶液。把(NH4)2HPO4溶于蒸馏水中搅拌溶解后形成磷浓度为0.2M的磷酸盐溶液。将壳聚糖酸溶液和胶原酸溶液按照壳聚糖与胶原的质量比为1∶1混合，加入聚乙二醇作为交联剂，通过稀氨水将溶液的pH值调节为5.8，得到A溶液。将钙盐溶液和磷酸盐溶液按照Ca/P摩尔比为3∶1，混合得到B溶液。将A溶液和B溶液按照体积比10∶1混合，得到C溶液。将C溶液和壳聚糖酸溶液按照体积比10∶1混合，得到D溶液。以D溶液为电解液，以纯钛基体(表面形貌如图1所示)为工作电极，以铂为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，进行电化学沉积。工作电极与对电极间距为1.5cm，初始工作电压3V，初始沉积时的工作温度为30℃；开始沉积时，先维持初始沉积条件5min，得到厚度为2μm的致密壳聚糖层(表面形貌如图2所示)；然后按1℃/min的升温速率提高温度到50℃，在沉积温度达到50℃的后维持此条件沉积10min，得到孔径为1μm～10μm、厚度为5μm的多孔矿化壳聚糖层；(表面形貌如图3所示)改变沉积电压为5V，然后按照1℃/min的降温速率将工作温度降至30℃后，维持此条件沉积10min，得到厚度为6μm的矿化胶原/壳聚糖交联体层；(表面形貌如图4所示)沉积完成后将纯钛基体取出，在温度为50℃，湿度为50％条件下进行干燥24小时，在钛基体表面形成非均相层状分布的生物医用羟基磷灰石/胶原/壳聚糖涂层。
图5是非均相层状的矿化涂层的截面扫描电镜及线能谱元素分布数据。由图可见在磷酸钙、壳聚糖、壳聚糖/胶原交联体层在纵向梯度上的分布(其中壳聚糖及胶原/壳聚糖交联体的含量对应C元素分布，磷酸钙的含量对应Ca和P元素)，可分为三层：a，致密壳聚糖层：从元素分布可知，壳聚糖含量最高，磷酸钙含量较少，该层厚度为2μm。b，多孔矿化壳聚糖层：从元素分布可知，从内到外磷酸钙的含量逐渐增加，壳聚糖的含量逐渐减少，即壳聚糖的矿化程度逐渐提高，该层厚度为5μm。c，矿化胶原/壳聚糖交联体层：从元素分布可知，从内到外磷酸钙的含量逐渐减少，壳聚糖/胶原交联体的含量逐渐增加，即壳聚糖/胶原交联体的矿化程度逐渐降低，该层厚度为6μm。
实施例2
将壳聚糖溶于稀醋酸形成浓度为2.5g/L的壳聚糖酸溶液。将胶原溶于稀醋酸形成浓度为2.5g/L的胶原酸溶液。将CaCl2溶于蒸馏水中形成钙浓度为0.2M的钙盐溶液。把Na2HPO4溶于蒸馏水中搅拌溶解后形成磷浓度为0.2M的磷酸盐溶液。将壳聚糖酸溶液和胶原酸溶液按照设计的质量比为1∶1混合，通过稀氨水将溶液的pH值调节为5.2，加入丙三醇作为交联剂，得到A溶液。将钙盐溶液和磷酸盐溶液按照摩尔比Ca∶P＝3∶1，混合得到B溶液。将A溶液和B溶液按照10∶1混合，得到B溶液。将B溶液和壳聚糖酸溶液按照10∶1混合，得到D溶液。以D溶液为电解液，以不锈钢基体为工作电极，以铂为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，进行电沉积。工作电极与对电极间距为1.5cm，初始工作电压3V，初始沉积时的工作温度为20℃；开始沉积时，先维持初始沉积条件5min，得到厚度为1μm的致密壳聚糖层；然后按2℃/min的升温速率提高温度到70℃，在沉积温度达到70℃的后维持此条件沉积5min，得到孔径为10μm～100μm、厚度为3μm的多孔矿化壳聚糖层；改变沉积电压为4V，然后按照2℃/min的降温速率将工作温度降至30℃后，维持此条件沉积5min，得到厚度为3μm的矿化胶原/壳聚糖交联体层。沉积完成后，将不锈钢基体取出，在温度为50℃，湿度为50％条件下进行干燥24小时，在不锈钢基体表面形成非均相层状分布的生物医用磷酸八钙/胶原/壳聚糖涂层。
实施例3
将壳聚糖溶于稀硝酸形成浓度为0.2g/L的壳聚糖酸溶液。将胶原溶于稀硝酸形成浓度为0.1g/L的胶原酸溶液。将CaCl2·6H2O溶于蒸馏水中形成钙浓度为1M的钙盐溶液。把磷酸溶于蒸馏水中搅拌溶解后形成磷浓度为1M的磷酸盐溶液。将壳聚糖酸溶液和胶原酸溶液按照设计的质量比为1∶1混合，通过稀氨水将溶液的pH值调节为4.8，加入二异氰酸酯作为交联剂，得到A溶液。将钙盐溶液和磷酸盐溶液按照摩尔比Ca∶P＝3∶1，混合得到B溶液。将A溶液和B溶液按照10∶1混合，得到B溶液。将B溶液和壳聚糖酸溶液按照10∶1混合，得到D溶液。以D溶液为电解液，以钛合金基体为工作电极，以铂为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，进行电沉积。工作电极与对电极间距为3cm，初始工作电压2V，初始沉积时的工作温度为30℃；开始沉积时，先维持初始沉积条件5min，得到厚度为500nm的致密壳聚糖层；然后按1℃/min的升温速率提高温度到50℃，在沉积温度达到50℃的后维持此条件沉积20min，得到孔径为5μm～50μm、厚度为10μm的多孔矿化壳聚糖层；改变沉积电压为5V，然后按照1℃/min的降温速率将工作温度降至30℃后，维持此条件沉积20min，得到厚度为10μm的矿化胶原/壳聚糖交联体层。沉积完成后，将钛合金基体从溶液中取出，在温度为40℃，湿度为60％条件下进行干燥24小时，在钛合金基体表面形成非均相层状分布的生物医用透钙磷石/胶原/壳聚糖涂层。
实施例4
将壳聚糖溶于稀盐酸形成浓度为0.5g/L的壳聚糖酸溶液。将胶原溶于稀盐酸形成浓度为1g/L的胶原酸溶液。将氢氧化钙溶于蒸馏水中形成钙浓度为0.1M的钙盐溶液。把六氟磷酸溶于蒸馏水中搅拌溶解后形成磷浓度为0.1M的磷酸盐溶液。将壳聚糖酸溶液和胶原酸溶液按照设计的质量比为1∶1混合，通过稀氨水将溶液的pH值调节为5.4，加入二乙烯基苯作为交联剂，得到A溶液。将钙盐溶液和磷酸盐溶液按照摩尔比Ca∶P＝3∶1，混合得到B溶液。将A溶液和B溶液按照10∶1混合，得到B溶液。将B溶液和壳聚糖酸溶液按照10∶1混合，得到D溶液。以D溶液为电解液，以钛镍合金基体为工作电极，以铂为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，进行电沉积。工作电极与对电极间距为3cm，初始工作电压2V，初始沉积时的工作温度为30℃；开始沉积时，先维持初始沉积条件5min，得到厚度为300nm的致密壳聚糖层；然后按2℃/min的升温速率提高温度到70℃，在沉积温度达到70℃的后维持此条件沉积30min，得到孔径为10μm～100μm、厚度为15μm的多孔矿化壳聚糖层；改变沉积电压为4V，然后按照2℃/min的降温速率将工作温度降至30℃后，维持此条件沉积30min，得到厚度为15μm矿化胶原/壳聚糖交联体层。沉积完成后，将钛镍合金基体从溶液中取出，在温度为40℃，湿度为60％条件下进行干燥24小时，在钛镍合金基体表面形成非均相层状分布的生物医用氟磷灰石/胶原/壳聚糖涂层。
Claims (10)
1.一种医用植入体表面非均相层状的矿化涂层，其特征是在医用植入体表面自下而上依次有致密壳聚糖层、多孔矿化壳聚糖层和矿化胶原/壳聚糖交联体层，致密壳聚糖层中含有壳聚糖与磷酸钙，壳聚糖的质量百分含量自下而上从100～80％逐渐减少，磷酸钙的质量百分含量自下而上从0～20％逐渐增加，多多孔矿化壳聚糖层中含有壳聚糖与磷酸钙，壳聚糖的质量百分含量自下而上从80～1％逐渐减少，磷酸钙的质量百分含量自下而上从20～99％逐渐增加。多孔矿化壳聚糖层的孔径在100nm～100μm之间，矿化胶原/壳聚糖交联体层中含有胶原/壳聚糖交联体和磷酸钙，胶原/壳聚糖交联体的质量百分含量自下而上从1～99％逐渐增加，磷酸钙的质量百分含量自下而上从99～1％逐渐减少。
2.根据权利要求1所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层，其特征是壳聚糖的分子量在1000～100000之间。
3.根据权利要求1所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层，其特征是磷酸钙为磷酸八钙、羟基磷灰石、氟磷灰石或为透钙磷石，其Ca/P摩尔比为1～1.67。
4.根据权利要求1所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层，其特征是胶原的分子量为1000～100000。
5.根据权利要求1所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层，其特征是胶原/壳聚糖交联体中，胶原的质量百分含量为10～85％，壳聚糖的质量百分含量为10～85％，交联剂的质量百分含量为1～5％，胶原与壳聚糖的交联度为55％～100％。
6.制备权利要求1所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层的方法，包括以下步骤：
1)将壳聚糖溶于稀酸，配制成0.1～10g/L的壳聚糖酸溶液，置于0～20℃下；
2)将胶原溶于稀酸，配制成0.01～1g/L的胶原酸溶液，置于0～20℃下；
3)将含钙化合物溶于水中，配制成0.1～10M的钙盐溶液，置于0～20℃下；
4)将含磷化合物溶于水中，配制成0.1～10M的磷酸盐溶液，置于0～20℃下；
5)按壳聚糖与胶原的质量比为0.1～100，将壳聚糖酸溶液和胶原酸溶液混合，在充分搅拌的情况下加入交联剂，调节溶液的pH值为4～6，得到胶原/壳聚糖交联体A溶液。
6)将上述制备的钙盐溶液和磷酸盐溶液按照Ca/P摩尔比为0.1～10的比例混合，得到B溶液，B溶液中Ca的浓度为0.01～2M，P的浓度为0.01～2M；
7)将A溶液和B溶液按照体积比A∶B＝100～1混合，得到C溶液；
8)将上述制备的壳聚糖酸溶液和C溶液按照体积比壳聚糖：C＝0.1～1混合，得到D溶液；
9)以D溶液为电解液，以医用植入体为工作电极，以铂为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，进行电化学沉积。工作电极与对电极间距为1～5cm，沉积过程中，初始电压1～3V，初始温度为15～30℃；先维持初始沉积条件5～10分钟，得到致密壳聚糖层；随后按照0.1～10℃/min的速率升温，当温度达到20～70℃时，停止升温，维持该条件沉积，得到多孔矿化壳聚糖层；接下来提高沉积电压到3～10V，按照0.1～10℃/min的速率降温至初始温度，维持该条件沉积5～10min，得到矿化胶原/壳聚糖交联体层。
10)将医用植入体从电解液中取出，在湿度为30～80％和温度为50～100℃下进行干燥，在医用植入体表面得到非均相层状的矿化涂层。
7.根据权利要求6所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层的制备方法，其特征是所述的稀酸为0.01M～1M盐酸、0.01M～1M醋酸或0.01M～1M硝酸。
8.根据权利要求6所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层的制备方法，其特征是所述的含钙化合物为硝酸钙、氯化钙或氢氧化钙。
9.根据权利要求6所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层的制备方法，其特征是所述的含磷化合物为磷酸氢铵、磷酸钠、磷酸、六氟磷酸或磷酸钾。
10.根据权利要求6所述的医用植入体表面非均相层状的矿化涂层的制备方法，其特征是所述的交联剂为聚乙二醇、丙三醇、二乙烯基苯或二异氰酸酯。
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