CN102950102B - 一种钛及钛合金表面多种生长因子缓释涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在钛及钛合金表面制备多种生长因子涂层的制备方法。该方法以纳米颗粒为生长因子载体，以带电高分子薄膜为介质，在钛表面制备多层含有生长因子的纳米颗粒的涂层。涂层中所包含的纳米颗粒由含有一定浓度多巴胺的聚阳离子溶液，与含有生长因子的聚阴离子溶液混合制备而成。该纳米颗粒分散性好，能保护生长因子活性，易于在材料表面固定。通过控制纳米颗粒与高分子薄膜的电性，在高分子薄膜间包埋载有不同因子的纳米颗粒。通过调节不同纳米颗粒的载入量、载入顺序及涂层厚度，能实现对多种生长因子的释放速率、释放量和释放顺序的有效控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种在医用钛及钛合金表面制备多种生长因子缓释涂层方法。
背景技术
钛及钛合金由于其良好的生物相容性和优良的力学性能，已经大量应用在整形外科和牙科领域。然而钛及钛合金是生物惰性材料，在植入人体后，其表面上新骨再生缓慢，并且新骨与钛表面的键合较弱。为了提高钛植入体的表面活性和骨整合能力，常需要对钛表面进行功能化处理。钛表面常用的提高生物活性的方法有碱热处理，阳极氧化，羟基磷灰石涂层，以及载入促进细胞粘附及生长的生物分子和特定的生长因子等。其中生长因子的载入可以大大加快骨愈合的时间和改善骨整合能力。自然成骨是一个复杂过程，由多种生长因子共同作用。大量的生长因子(如BMPs、VEGF、TGF-β、FGF、IGF等)在骨修复过程中可能促进成骨。已有研究表明与单一因子释放相比，多种生长因子联用，如BMP-2及BMP-7，BMP-2及VEGF，BMP-7和IGF-1等，能促进细胞增殖、分化，提高材料表面骨再生能力。因此在骨组织修复中，模拟骨修复的微观生理环境，实现多种生长因子的协同释放，对加快骨修复，促进骨形成至关重要。
现有钛表面载入多种生长因子的技术主要采用共价结合方式将生长因子固定于材料表面。虽然能够避免药物的突释发生，但共价固定可能破坏生长因子的蛋白结构，使生长因子的活性降低，且很难控制多种因子不同时间段的独立释放。也有将生长因子载入高分子材料中，通过高分子材料的直接层层自组装方法控释多种因子。虽能最大限度的保持生长因子的活性和控制不同生长因子的释放顺序；但高分子材料中能够载入的生长因子的量偏少，且层层之间因高分子的相互渗透使自组装涂层结构不稳定，难于稳定调节多种生长因子的缓释。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛及钛合金表面多种生长因子缓释涂层的制备方法，该方法制备的涂层能在正常生理坏境下稳定调控多种生长因子的吸附和释放，生长因子的载入量高、活性强。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是，一种钛及钛合金表面多种生长因子缓释涂层的制备方法，其具体步骤如下：
A、生长因子的载入：
A1、配置聚阳离子与多巴胺的浓度均为0.5-2mg/mL的混合溶液；
A2、将对骨生长有促进作用的多种生长因子逐一分别溶解于浓度为0.5-2mg/mL的聚阴离子溶液中，相应得到多组聚阴离子溶液，每组聚阴离子溶液中均含有一种生长因子，且生长因子的浓度均为0.5-10μg/mL；
A3、将A2步的含生长因子的多组聚阴离子溶液分别与A1步的混合溶液按3-5∶1的体积比混合，并搅拌、离心、冷冻干燥，相应制备出多组带负电荷的纳米颗粒；
B、在钛或钛合金表面上接枝带负电荷的官能团；
C、在B步处理后的钛或钛合金表面上组装一层带正电荷的高分子薄膜；
D、用A3步得到的任一组带负电荷的纳米颗粒溶于水中，得到纳米颗粒浓度为0.5-2mg/mL的溶液，将C步得到的钛或钛合金在该溶液中浸泡0.5-24小时，即在钛或钛合金的高分子薄膜表面固定一层载有一种生长因子的纳米颗粒；
E、在D步的钛或钛合金的表面组装一层带正电荷的高分子薄膜；
F、在E步的表面组装一层带负电荷的高分子薄膜；
G、重复以上C-F步的操作5-50次；且A3步的每组带负电荷的纳米颗粒均至少在一次重复操作中的D步得到使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、纳米颗粒因为含有多巴胺而易于在涂层间牢固嵌合，且纳米颗粒带负电，在中性条件下能提高带正电的生长因子的固定量。因此，本发明采用含有多巴胺的纳米颗粒为生长因子的载体，生长因子的固定量高。且在制备过程中没有使用任何有机溶剂，生长因子的活性未受到破坏，活性高。
二、从里至外由第一层的正电荷高分子薄膜、第二层的负电荷的载有生长因子的纳米颗粒、第三层的正电荷高分子薄膜和第四层的负电荷高分子薄膜层构成一个生长因子涂层单元；由于每一个生长因子涂层单元内的含多巴胺的纳米颗粒层的存在，高分子薄膜间的相互渗透减弱，同一个生长因子涂层单元内部及不同生长因子涂层单元之间能始终通过静电吸附实现牢固的自组装，改善 了涂层的稳定性，不易剥落，便于稳定的调控多种生长因子的吸附和释放。
三、通过改变各个涂层的厚度、使用的高分子薄膜种类、含不同生长因子的涂层单元的载入顺序，可方便的实现对多种生长因子的缓释时间和顺序的可控调节。
上述的生长因子是BMP-2、VEGF、TGF-β、BMP-7或FGF。
这些生长因子均对骨再生具良好的促进作用，钛或钛合金合金兼容性好。
上述的聚阳离子是壳聚糖或聚赖氨酸；带正电荷的高分子薄膜是壳聚糖或聚赖氨酸薄膜。
壳聚糖和聚赖氨酸是带正电的多糖，能在溶液中与聚阴离子进行离子交联，在交联时将生长因子包裹形成包埋生长因子的纳米颗粒，很好的保持生长因子的活性。同时壳聚糖和聚赖氨酸能与带负电的高分子进行静电吸附形成牢固的自组装涂层；且其生物相容性较好，在体内容易降解，从而具有良好的缓释作用。
上述的聚阴离子是肝素、海藻酸钠、透明质酸或硫酸软骨素；带负电荷的高分子薄膜是肝素、海藻酸钠、透明质酸或硫酸软骨素薄膜。
这四种物质是天然的带负电的多糖，能在溶液中与聚阳离子进行离子交联，在交联时将生长因子包裹形成包埋生长因子的纳米颗粒，很好的保持生长因子的活性。同时这四种物质能与带正电的高分子进行静电吸附形成牢固的自组装涂层；且其生物相容性较好，在体内容易降解，从而具有良好的缓释作用。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述。
具体实施方式
实施例1
一种钛表面多种生长因子缓释涂层的制备方法，其具体步骤如下：
A、生长因子的载入：
A1、配置壳聚糖(聚阳离子)与多巴胺的浓度均为1mg/mL的混合溶液；
A2、将BMP-2、VEGF、FGF和TGF-β四种生长因子分别溶解于浓度为1mg/mL的肝素(聚阴离子)溶液中，得到分别含BMP-2、VEGF、VEGF和TGF-β生长因子的四组肝素溶液，每组肝素溶液中生长因子的浓度均为5μg/mL；
A3、将A2步的四组聚阴离子溶液分别与A1步的混合溶液按4∶1的体积 比混合，并搅拌、离心、冷冻干燥，制备出四组带负电荷的纳米颗粒；四组带负电荷的纳米颗粒分别载有生长因子BMP-2、VEGF、VEGF和TGF-β。
B、在钛表面接枝带负电荷的官能团；其具体操作是，钛表面经过酸、碱处理后再用浓度为5mg/mL的多巴胺浸泡一夜，再泡入5mg/mL的肝素溶液一夜，使其表面接枝上带有负电的磺酸基和羧基官能团。
C、在B步处理后的钛表面上组装一层带正电荷的高分子薄膜；其具体操作是，将处理后的钛浸泡在浓度为5mg/mL的壳聚糖溶液中，通过静电吸附，在其表面组装上带正电荷的壳聚糖薄膜。
D、将A步得到的载有BMP-2生长因子的纳米颗粒溶于水中，得到纳米颗粒溶液浓度为1mg/mL的溶液，将C步处理后的钛在该纳米颗粒溶液中浸泡6小时，即在钛的高分子薄膜表面固定一层带BMP-2生长因子的多巴胺纳纳米颗粒；
E、在D步的钛表面组装一层带正电荷的壳聚糖(高分子)薄膜，其具体操作是，将处理后的钛浸泡在浓度为5mg/mL的壳聚糖溶液中，通过静电吸附，在其表面组装上带正电荷的壳聚糖薄膜；
F、在E步的表面组装一层带负电荷的肝素(高分子)薄膜，其具体操作是，将处理后的钛浸泡在浓度为5mg/mL的肝素溶液中，通过静电吸附，在其表面组装上带正电荷的肝素薄膜；
G、重复以上C-F步的操作五次；将D步中的载有BMP-2的纳米颗粒换成载有VEGF的纳米颗粒，再重复C-F步的操作五次；然后将D步中的纳米颗粒换成载有FGF的纳米颗粒，重复C-F步的操作一次；最后将D步中的纳米颗粒换成载有TGF-β的纳米颗粒，重复C-F步的操作四次。即在钛表面制得从里到外依次包裹有五层BMP-2生长因子、五层VEGF生长因子、一层FGF生长因子和四层TGF-β生长因子的缓释涂层。
实施例2
一种钛合金表面多种生长因子缓释涂层的制备方法，其具体步骤如下：
A、生长因子的载入：
A1、配置聚赖氨酸(聚阳离子)与多巴胺的浓度均为2mg/mL的混合溶液；
A2、将BMP-2和TGF-β两种生长因子分别溶解于浓度为2mg/mL的海藻酸钠(聚阴离子)溶液中，得到分别含BMP-2和TGF-β生长因子的两组海藻 酸钠溶液，每组海藻酸钠溶液中生长因子的浓度均为10μg/mL；
A3、将A2步的两组海藻酸钠(聚阴离子)溶液分别与A1步的混合溶液按5∶1的体积比混合，并搅拌、离心、冷冻干燥，制备出分别载有生长因子BMP-2和TGF-β的两组带负电荷的纳米颗粒；
B、在钛合金表面上接枝带负电荷的官能团；其具体操作是，钛合金经过酸、碱处理后再用浓度为5mg/mL的多巴胺浸泡一夜，再泡入浓度为5mg/mL的肝素溶液一夜，使其表面接枝上带有负电的磺酸基和羧基官能团。
C、在B步处理后的钛合金表面上组装一层带正电荷的高分子薄膜；其具体操作是，将处理后的钛合金浸泡在浓度为5mg/mL的聚赖氨酸液中，通过静电吸附，在其表面组装上带正电荷的聚赖氨酸薄膜。
D、将A3步得到的载有BMP-2生长因子的纳米颗粒溶于水中，得多巴胺纳米颗粒浓度为2mg/mL的纳米颗粒溶液，将C步处理后的钛合金在该纳米颗粒溶液中浸泡24小时，即在钛合金表面固定一层载有BMP-2生长因子的纳米颗粒；
E、在D步的钛合金的表面组装一层带正电荷的聚赖氨酸薄膜(高分子薄膜)；其具体操作是，将处理后的钛合金浸泡在浓度为5mg/mL的聚赖氨酸液中，通过静电吸附，在其表面组装上带正电荷的聚赖氨酸薄膜。；
F、在E步的表面组装一层带负电荷的海藻酸钠薄膜；其具体操作是，将处理后的钛合金浸泡在5mg/mL的海藻酸钠液中12小时，通过静电吸附，在其表面组装上带负电荷的海藻酸钠薄膜
G、重复以上C-F步的操作20次；然后将D步中的载有BMP-2的纳米颗粒换成载有TGF-β的纳米颗粒，继续重复C-F步的操作30次。即在钛合金表面制得从里到外依次包裹有20层BMP-2生长因子、30层TGF-β生长因子的缓释涂层。
实施例3
一种钛表面多种生长因子缓释涂层的制备方法，其具体步骤如下：
A、生长因子的载入：
A1、配置壳聚糖(聚阳离子)与多巴胺的浓度均为0.5mg/mL的混合溶液；
A2、将BMP-2和FGF两种生长因子分别溶解于浓度为0.5mg/mL的透明质酸溶液中，分别得到含BMP-2和FGF生长因子的两组透明质酸溶液，每组 透明质酸(聚阴离子)溶液中生长因子的浓度均为0.5μg/mL；
A3、将A2步的两组透明质酸溶液分别与A1步的混合溶液按3∶1的体积比混合，并搅拌、离心、冷冻干燥，制备出两组带负电荷的纳米颗粒，其中一组纳米颗粒载有生长因子BMP-2，另一组载有生长因子FGF。
B、在钛表面上接枝带负电荷的官能团；其具体操作是，纯钛片经过酸、碱处理后再用浓度5mg/mL的多巴胺浸泡一夜，再泡入浓度为5mg/mL的肝素溶液一夜，使其表面接枝上带有负电的磺酸基和羧基官能团。
C、在B步处理后的钛表面上组装一层带正电荷的高分子薄膜；其具体操作是，将处理后的钛浸泡在浓度为5mg/mL的聚赖氨酸液中，通过静电吸附，在其表面组装上带正电荷的聚赖氨酸薄膜。
D、将A3步得到的含有BMP-2生长因子的纳米颗粒溶于水中，得到纳米颗粒溶液浓度为0.5mg/mL的溶液，将C步处理后的钛在纳米颗粒溶液中浸泡30分钟，在钛的高分子薄膜表面固定一层带BMP-2生长因子的纳米颗粒；
E、在D步的钛表面组装一层带正电荷的聚赖氨酸(高分子)薄膜；即将D步处理后的钛浸泡在5mg/mL的聚赖氨酸液中，通过静电吸附，在其表面组装上带正电荷的聚赖氨酸薄膜。
F、在E步的钛表面组装一层带负电荷的透明质酸薄膜，即：将其泡入浓度为5mg/mL的透明质酸溶液一夜。
G、重复以上C-F步的操作二次。然后将D步中的含有BMP-2的纳米颗粒换成含有TGF-β的纳米颗粒，继续重复C-F步的操作三次。即在钛表面制得从里到外依次包裹有二层BMP-2生长因子、三层TGF-β生长因子的缓释涂层。
实施例4
本例的操作与将实施例1基本相同，不同的仅仅是：将实施例1中的生长因子VEGF替换成生长因子BMP-7；并将实施例1中使用的聚阴离子由肝素换成硫酸软骨素。
实施例5
本例的操作与将实施例1基本相同，不同的仅仅是：将F步的带负电荷的高分子薄膜由肝素薄膜换成硫酸软骨素薄膜，即F步的操作改为：将E步的钛表面泡入浓度为5mg/mL的硫酸软骨素一夜。
Claims (4)
1.一种钛及钛合金表面多种生长因子缓释涂层制备方法，其具体步骤如下：
A、生长因子的载入：
A1、配置聚阳离子与多巴胺的浓度均为0.5-2mg/mL的混合溶液；
A2、将对骨生长有促进作用的多种生长因子逐一分别溶解于浓度为0.5-2mg/mL的聚阴离子溶液中，相应得到多组聚阴离子溶液，每组聚阴离子溶液中均含有一种生长因子，且生长因子的浓度均为0.5-10μg/mL；
A3、将A2步的含生长因子的多组聚阴离子溶液逐一分别与A1步的混合溶液按3-5：1的体积比混合，并搅拌、离心、冷冻干燥，相应制备出多组带负电荷的纳米颗粒；
B、在钛或钛合金表面上接枝带负电荷的官能团；
C、在B步处理后的钛或钛合金表面上组装一层带正电荷的高分子薄膜；
D、用A3步得到的任一组带负电荷的纳米颗粒溶于水中，得到纳米颗粒浓度为0.5-2mg/mL的溶液，将C步得到的钛或钛合金在该溶液中浸泡0.5-24小时，即在钛或钛合金的高分子薄膜表面固定一层载有一种生长因子的纳米颗粒；
E、在D步的钛或钛合金的表面组装一层带正电荷的高分子薄膜；
F、在E步的表面组装一层带负电荷的高分子薄膜；
G、重复以上C-F步的操作5-50次；且A3步的每组带负电荷的纳米颗粒均至少在一次重复操作中的D步得到了使用。
2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面多种生长因子缓释涂层制备方法，其特征在于：所述的生长因子是BMP-2、VEGF、TGF-β、BMP-7或FGF。
3.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面多种生长因子缓释涂层制备方法，其特征在于：所述的聚阳离子是壳聚糖或聚赖氨酸；所述的带正电荷的高分子薄膜是壳聚糖或聚赖氨酸薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金表面多种生长因子缓释涂层制备方法，其特征在于：所述的聚阴离子是肝素、海藻酸钠、透明质酸或硫酸软骨素；所述的带负电荷的高分子薄膜是肝素、海藻酸钠、透明质酸或硫酸软骨素薄膜。
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