CN103143061A - SiC/TiO2复合结构生物支架材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种SiC/TiO2复合结构生物支架材料及其制备方法，该材料是在钛金属基片上生长TiO2纳米纤维，构成网格状微孔结构，然后在TiO2纳米纤维的表面覆盖SiC镀层；本发明从生物相容性材料出发，探索在材料表面大面积修饰SiC生物相容性镀层的新途径。在微观水平上模拟组织生长环境，在钛骨骼表面制备平行排列的可容纳细胞的纳米纤维网孔状结构是良好的材料/细胞的过渡层。过渡层被SiC修饰后，更加促进了其细胞黏附、增殖功能，可用于骨骼结构的再生和重建。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物支架，尤其涉及一种SiC/TiO2复合结构生物支架材料及其制备方法。
背景技术
由于交通意外、运动创伤、社会老龄化等问题的日益突出以及对高水平生活质量的追求，人们对医疗器械以及生物医用材料的需求与日俱增，目前临床上广泛使用的骨移植或残损修复材料是钛金属或者钛金属合金。然而，根据近几年的调查分析，在人造钛骨骼表面的细胞往往不能很好地生长，这主要是因为对于钛和钛合金这样的活泼金属或合金，其耐蚀性依赖于表面存在的保护性氧化膜。一旦表面膜被破坏，将产生严重的腐蚀。从而导致植入假体周围出现黑化现象，强烈抑制细胞生长。严重时还会引起生理危害，如组织毒化、细胞畸变等，危害到受体人群的身体健康。这些问题的存在促进了一个新领域（生物相容性材料）的发展。
目前人们利用水热法，已经成功地制备出TiO2纳米纤维。生成的这种纳米纤维具有耐腐蚀，利于细胞黏附、增殖，杀菌消毒等特点，但是其强度不够。SiC又名金刚砂或耐火砂。SiC一般为6方晶体，比重为3.20-3.25，9.2-9.3的莫氏硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉，是一种硬度大、耐磨的材料。常温常压下SiC材料非常稳定，一般不与其它物质发生化学反应，高温时也能抗氧化，SiC还具有优良的导热和导电性能，是一种生物相容性很强的物质。
理想的人造骨移植或者残损修复生物支架材料至少必须具备以下性能：它必需在化学上具有生物相容性；它必需能提供一定的结构完整性。从结构仿生角度出发，研发性能优异的生物支架材料已成为当前生物材料前沿领域中的一大研究热点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种SiC/TiO2复合结构生物支架材料及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种SiC/TiO2复合结构生物支架材料，钛金属基片上生长TiO2纳米纤维，构成网格状微孔结构，所述TiO2纳米纤维的表面覆盖有SiC镀层。
一种上述SiC/TiO2复合结构生物支架材料的制备方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
（1）水热法制备TiO2纳米纤维：将钛片放入丙酮中超声清洗后放入干燥箱里烘干；然后将钛片置于反应釜里，并用2mol/L的NaOH溶液浸没；将反应釜放在电阻炉中用220℃-240℃的温度加热2-10个小时后自然降温；取出钛片，用蒸馏水冲洗，烘干，得到所需的表面长有TiO2纳米纤维基片；
（2）磁控溅射制备SiC镀层：将SiC靶材和步骤1制备的TiO2纳米纤维基片置于多靶磁控溅射仪中，调节靶级距为3cm-4cm；通入氩气，工作压强为0.6Pa-2.0Pa，功率为100W-150W，在以上条件下溅射15-120分钟以制备SiC/TiO2复合结构生物支架材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料不仅有利于药物或细胞生长因子的加载和控制释放，而且能够促进新生骨的进一步长入，实现骨移植和骨残损修复的双重功效。可以减少患者身上植入假体医疗器材的更换次数，从而大大降低医疗成本，达到医疗器械普及与发展的目的。
附图说明
图1是本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料不同溅射时间的SEM图；其中，A为TiO2纳米纤维的SEM图；B为本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅射15min的SEM图；C为本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅射30min的SEM图；D为本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅射45min的SEM图；E为本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅射60min的SEM图；F为本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅射120min的SEM图；
图2是本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料的EDX图谱；
图3是本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料的XRD图谱；
图4是本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料的TEM图与电子衍射图；
图5是本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料的HRTEM图；
图6是本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料的细胞培养的荧光显微镜图；
图7是本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料的MTT直方图。
具体实施方式
本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）水热法制备TiO2纳米纤维 ：
将钛片放入丙酮中超声清洗8-10分钟，然后放入干燥箱里烘干。将钛片倾斜放入清洗过的反应釜里，并用2mol/L的NaOH溶液浸没。将反应釜放在电阻炉中用220℃-240℃的温度加热2-10个小时，自然降温。取出钛片，用蒸馏水冲洗，烘干，得到所需的表面长有TiO2纳米纤维基片。采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜在10kV高压下对TiO2纳米纤维形貌进行观察分析。由图1A可见，由水热法制备的TiO2纳米纤维其网孔在5-50 μm之间，形状规则且分布均匀。
2．磁控溅射制备SiC镀层：
将SiC靶材和TiO2纳米纤维基片置于KCCK-III多靶磁控溅射仪中，调节靶级距为3cm-4cm（以控制正常溅射速率，而不浪费）；通入氩气，工作压强为0.6Pa-2.0Pa之间（以保证启辉）；功率为100W-150W（以保证可以溅射出大小均匀的靶分子，但不会烧坏靶材）。在以上条件下溅射15分钟-120分钟以制备SiC/TiO2复合结构生物支架材料。采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜在10kV高压下对SiC/TiO2复合结构生物支架材料形貌进行观察分析。图1B-F分别代表溅射时间15min、30min、45min、60min、120min后的该生物支架材料的SEM图。可见SiC镀层对基片表面进行的修饰与覆盖，并在TiO2纳米纤维表面生长出SiC纳米棒，随着溅射时间增长，所生长出的SiC纳米棒明显变粗，但纳米纤维的网孔结构基本没有改变。由细胞培养结果可知，溅射30min-45min时的SiC/TiO2复合结构生物支架材料最具生物相容性。
下面结合附图2-7进行材料的表征与分析。
1、用EDX检测基片元素组成：采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜附配的X射线能谱（EDX）在15kV高压下对SiC/TiO2复合结构生物支架材料所含有的元素进行分析。由图2可见，此生物支架材料含有钠、钛、碳、硅、氧等元素，且含有的碳元素与硅元素比例接近1：1，接近SiC晶体中Si和C的比例。
2、XRD分析镀层结构及物质组成：图3可见SiC/TiO2复合结构生物支架材料的XRD图谱，其中三条能谱分别对应磁控溅射镀层0min、30min、60min的图谱，随着溅射时间的增加，SiC的标准峰逐渐显现，其中包括[111]、[200]等晶面上SiC的标准峰。
3．TEM观测镀层微观结构，电子衍射分析镀层成分：采用JEM2100F透射电子显微镜（TEM）在200kV高压下对SiC/TiO2复合结构生物支架材料SiC镀层的形貌进行观察。由图4可见，该生物支架材料中SiC镀层紧密连接在TiO2纳米纤维上且成直径在0.5μm-1.0μm之间的棒状结构。电子衍射图可分析出该生物支架材料所含有SiC晶体和TiO2晶体。
4．HRTEM观测镀层超微结构，通过晶格间距分析镀层成分：采用JEM 2100F中高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）在200 kV高压下对SiC/TiO2复合结构生物支架材料中SiC镀层进行观察。由图5可见，SiC镀层的晶格条纹间距0.25 nm，对应的是其[111]晶面。
5．荧光显微镜观察细胞生长：采用美国IX71 Olympus倒置荧光显微镜在绿光（激发波长460-550 nm）下对MG63细胞在此生物支架材料上的生长形貌进行观察分析。具体方法如下：将此生物支架材料，置于无菌培养板之中，加入体积分数为75%酒精溶液消毒处理30min，PBS缓冲液（pH7.4）充分浸泡1h，中间每隔15分钟进行换液，以保证交换出所有残留酒精，然后置于紫外灯下照射1.5h，自然风干，灭菌后的生物支架材料用 DMEM 培养液（5%胎牛血清，100 U/mL青霉素和100 μg/mL链霉素）浸泡24h，移入24孔无菌培养板。取500μL的MG63细胞悬液（1.0×105个/mL）接种于含生物支架的培养板中，在37 °C、饱和湿度、体积分数5%的CO2培养箱中培养2h后，将长方形试样翻转，向另一侧接种相同浓度的细胞悬液500μL，继续培养2h。然后每孔加入1mL的DMEM培养液，培养板置于37 °C、饱和湿度、体积分数5% CO2培养箱内培养，次日换液，以后隔天换培养液一次，共培养7天。图4为在溅射时间为30min 的SiC/TiO2复合结构生物支架材料细胞培养的荧光显微镜图。图6中A﹑B﹑C﹑D分别为MG63细胞在此支架材料上培养1、3、5、7天MG63细胞的生长状态图。在起始阶段，细胞附着于该生物支架材料表面（相应于MG63细胞培养1天的情况），随着时间的推移，细胞在样品表面黏附的位置逐渐远离该生物支架材料，像孔洞中心附着。这说明了本生物支架材料具有促进细胞黏附、增殖的作用。
6．MTT检测细胞的生物相容性：采用美国Bio-RAD Model680酶标仪对样品进行标定，计算其MTT值。具体方法如下：用无血清的DMEM细胞培养液冲洗该生物支架，以去除未贴壁的细胞，并将细胞/支架材料复合物移入新的无菌培养板中。每孔加入1mL血清的培养液和 500μL的MTT 贮存液（5 mg/mL），37 °C培养箱中继续培养4h，在此过程中有紫色物质在支架上形成，小心吸取培养液，加入500μL的DMSO，并不断振荡，使紫色沉淀全部溶解，取200 μL溶解液转入24孔板中，酶标仪测定其在570nm处的光密度值（OD）。以纯DMEM培养液（即无生物支架材料）培养时的OD是570nm时为基准，计算细胞增殖能力，每次均做4个平行实验试样，取其平均值。图7为细胞培养实验研究生物支架分别在细胞接种培养1、3、5、7天的MTT比色法测定直方图。其中，白色代表TiO2纳米纤维生物支架材料，灰色代表溅射30min 的SiC/TiO2复合结构生物支架材料。与二者对比说明，MG63细胞在SiC/TiO2复合结构生物支架材料具有良好的粘附、增殖能力。
基于结构仿生和功能仿生的原理，我们将SiC这种具有高度生物相容性的镀层材料制备在具有空间网状多孔、高比表面积的TiO2纳米纤维结构过渡层的表面，使之具有优异的生物相容性与骨诱导特性。能够促进骨组织细胞在纳米纤维生物仿生支架材料上的定向粘附、再生和分化，达到结构仿生的目的。这项技术能为临床应用提供实验参考，其发展与推广将会减少患者身上植入假体器材的更换次数，从而大大降低医疗成本，对医疗事业的普及与发展有重大意义。
Claims (2)
1.一种SiC修饰的TiO2纳米纤维生物支架材料，其特征在于：钛金属基片上生长TiO2纳米纤维，构成网格状微孔结构，所述TiO2纳米纤维的表面覆盖有SiC镀层。
2.一种权利要求1所述SiC/TiO2复合结构生物支架材料的制备方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
（1）水热法制备TiO2纳米纤维：将钛片放入丙酮中超声清洗后放入干燥箱里烘干；然后将钛片置于反应釜里，并用2mol/L的NaOH溶液浸没；将反应釜放在电阻炉中用220℃-240℃的温度加热2-10个小时后自然降温；取出钛片，用蒸馏水冲洗，烘干，得到所需的表面长有TiO2纳米纤维基片；
（2）磁控溅射制备SiC镀层：将SiC靶材和步骤1制备的TiO2纳米纤维基片置于多靶磁控溅射仪中，调节靶级距为3cm-4cm；通入氩气，工作压强为0.6Pa-2.0Pa，功率为100W-150W，在以上条件下溅射15-120分钟以制备SiC/TiO2复合结构生物支架材料。
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