CN103446625A - 一种医用金属植入体表面改性涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医用金属植入体表面改性涂层及其制备方法，该涂层是在二氧化钛纳米棒组元阵列中嵌入介孔生物玻璃组元组装成的微纳结构改性层。二氧化钛纳米棒阵列具有上凸结构的特征，介孔生物玻璃具有介孔和微裂纹的下凹结构特征，其纳米尺度的上凸和下凹结构可增加细胞伪足能感受到的空间维度，从而强化细胞对涂层的感知能力，利于细胞的粘附、增殖和分化等行为，具有高生物学响应性；介孔和微裂纹为生物因子/药物的承载提供了有效的容纳空间，增强了涂层可控释放的功能。该涂层采用溶胶-凝胶法和旋涂法制备，工艺简单，涂层兼具高生物学响应性、高效承载生长因子/抗生素等药物及缓慢释放功能，在骨整合领域拥有广阔的应用前景。

Description

一种医用金属植入体表面改性涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种医用金属植入体表面改性涂层及其制备方法，尤其是可控释生物因子/药物的高生物学响应性涂层及其制备方法。

背景技术

骨整合是指植入体与骨组织之间呈现的无纤维结缔组织界面层的直接接触。医用金属材料由于强度高、韧性好、抗疲劳性能和加工性能优异，已广泛用于承受或传递负载的骨植入体。

加强细胞和植入体表面之间的相互作用是促进骨整合的重要途径。细胞的响应行为主要依靠其伪足实现，相比平面，适当粗糙度的微纳结构能起到与细胞伪足多维度作用的效果。由纳米结构单元组合营造出的适当微纳结构可提高细胞对其感知程度，为细胞的粘附、迁移提供更多的接触位点，促进细胞增殖、分化等生物学响应，诱导骨形成，加速骨整合。

二氧化钛具有良好的生物相容性和无毒性，其纳米棒阵列又可为生命机体提供更多的接触位点，因此，二氧化钛纳米棒阵列在促进骨生长方面表现出更高的潜力（Hydrothermal growth of rutile TiO₂ nanorods films on titanium substrates,Thin Solid Film.Volume 519, Issue 15, 31 May 2011, P. 4634-4640）。

介孔生物玻璃具有良好的生物活性，将其嵌入表面改性层可营造出适当的粗糙度，促进细胞的粘附、增殖、分化等行为；且介孔纳米结构具有高的比表面积和孔容，提高对药物（如抗菌药物）的容纳能力和实现控释药物的功能，可为高生物学响应性提供抗菌微环境等。

在医用金属植入体表面将介孔生物玻璃组元嵌入到二氧化钛纳米棒组元阵列中，可控地组装出由纳米棒的上凸结构、介孔和微裂纹的下凹结构所组成的适当微纳结构，其纳米尺度的上凸和下凹结构增加了细胞伪足能感受到的空间维度，从而强化细胞对涂层的感知能力，利于细胞的粘附、增殖和分化等行为，拥有高生物学响应性；介孔生物玻璃所具有的高比表面积和孔容的介孔纳米结构，及制备过程中由于二氧化钛纳米棒穿出介孔生物玻璃层和热处理过程形成的微裂纹结构为生物因子/药物的承载提供了有效的容纳空间，增强了涂层可控释放的效能。该表面改性层在骨整合的速度加快和质量提高等方面具有不容忽视的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单，兼具高生物学响应性和药物有效缓释性能的医用金属植入体表面改性涂层及其制备方法。

本发明的医用金属植入体表面改性涂层是在二氧化钛纳米棒组元阵列中嵌入介孔生物玻璃组元组装成的微纳结构改性层，二氧化钛纳米棒阵列具有上凸结构的特征，其二氧化钛纳米棒的直径为50 nm，凸出高度为50 nm ~500 nm，凸出密度为20/μm^-2~45 /μm^-2；介孔生物玻璃具有介孔和微裂纹的下凹结构特征，其介孔平均孔径为5.8 nm，下凹深度为100 nm ~550 nm；微裂纹长度为50 nm ~350 nm，下凹深度为20 nm ~150 nm。

医用金属植入体表面改性涂层的制备方法，包括以下步骤：

1）清洁生长有二氧化钛纳米棒阵列的基板，其二氧化钛纳米棒的直径为50 nm，高度为200 nm ~600 nm，密度为45 /μm^-2；

2）将平均分子量为5800的模板剂P123完全溶解于无水乙醇中，加入浓度为1.0 mol/L的盐酸，再依次加入正硅酸乙酯、四水合硝酸钙、磷酸三乙酯和钛酸四正丁酯，使得物质的量的比为P123:C₂H₅OH:HCl:

SiO₂:CaO:P₂O₅:TBOT=0.01:20:0.001:0.8:0.15:0.05:0.5，充分搅拌20 小时~24 小时，再陈化24 小时~72 小时，得到介孔生物玻璃溶胶。

3）将步骤2）配制的介孔生物玻璃溶胶旋涂在步骤1）清洁好的基板上，陈化24 小时~72 小时后置于马弗炉内，以1 ℃/min ~10 

℃/min的升温速率升温至400 ℃~550 ℃，保温60 min ~300 min，随炉冷却至室温，得到嵌介孔生物玻璃的二氧化钛纳米棒阵列涂层。

上述的基板可以为钽金属基板、铌金属基板或锆金属基板。

二氧化钛纳米棒阵列可以采用CN101973582A公开的方法制备，初始二氧化钛纳米棒的直径为50 nm，高度为200 nm ~600 nm，密度为45 /μm^-2；当嵌入介孔生物玻璃得到微纳结构改性层后，二氧化钛纳米棒的直径仍为50 nm，凸出高度为50 nm ~500 nm，凸出密度为20/μm^-2~45 /μm^-2；

本发明配制介孔生物玻璃溶胶时，无水乙醇作为溶剂，在旋涂时其易挥发，使溶胶快速形成凝胶。P123作为形成介孔的模板剂。盐酸作为催化剂、稳定剂。

本发明制备过程中二氧化钛纳米棒的凸出高度、凸出密度可通过调节介孔生物玻璃的嵌入程度来控制，介孔生物玻璃层的厚度可通过改变溶胶的物质的量的比、旋转速度来调控。涂层中微裂纹的尺寸和密度可通过调节热处理过程的升温速率来控制。热处理过程采用缓慢的升温速率可有效防止因膜层开裂、介孔结构坍塌等降低涂层稳定性的行为发生。

本发明采用溶胶-凝胶法和旋涂法组装出嵌介孔生物玻璃的二氧化钛纳米棒阵列涂层，该涂层在纳米尺度的上凸和下凹结构可增加细胞伪足能感受到的空间维度，从而强化细胞对涂层的感知能力，利于细胞的粘附、增殖和分化等行为，拥有高生物学响应性；且介孔生物玻璃所具有的高比表面积和孔容的介孔纳米结构，及制备过程中由于二氧化钛纳米棒穿出介孔生物玻璃层和热处理过程形成的微裂纹结构，均可改善涂层对药物的缓释行为。通过本发明的方法，有望组装出兼具高生物学响应性和高效承载生长因子、抗生素等药物，并缓慢释放功能的医用金属植入体表面改性层，工艺简单、所需仪器普遍、制备成本低，在骨整合领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层50 nm~200 nm涂层的表面微观形貌图；

图2是二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层50 nm ~200 nm涂层的截面扫描电镜图；

图3是二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层200 nm ~350 nm涂层的表面微观形貌图；

图4是二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层200 nm ~350 nm涂层的截面扫描电镜图；

图5是二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层350 nm ~500 nm涂层的表面微观形貌图；

图6是二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层350 nm ~500 nm涂层的截面扫描电镜图；

图7是典型形貌涂层上成骨细胞培养不同时间后的MTS表征图；

图8是载盐酸万古霉素典型形貌涂层的释药曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实例来说明本发明。

实施例1

将生长有二氧化钛纳米棒阵列的钽金属基板（规格1×1 cm²），分别用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗三次，自然干燥，放好待用。配制介孔生物玻璃溶胶：称量2.0 g平均分子量为5800的模板剂P123溶于90 mL无水乙醇，搅拌至其完全溶解，依次加入40μL盐酸（浓度为1.0 mol/L）、6.85 mL正硅酸乙酯（TEOS）、1.35 g 四水合硝酸钙（Ca(NO₃)₂·4H₂O）、655 μL磷酸三乙酯（TEP）和6.65 mL钛酸四正丁酯（TBOT），每加一种物质，均需间隔30 min，充分搅拌24小时，静置陈化24小时，得到介孔生物玻璃溶胶。将清洁好的基板置于旋涂仪上，用移液枪移取20 μL配制好的溶胶，开启旋涂仪，当转速达到7000 rpm后在基板中心滴下溶胶，匀胶40 s。静置一段时间后，把试样放在盛有过饱和氯化钠溶液的干燥器皿中，保持恒温恒湿，陈化24小时。把试样放入坩埚中，置于马弗炉内，以1 

℃/min的升温速率，缓慢升温至500 ℃后保温300 min，随炉冷却至室温，最终得到表面形貌如图1所示的二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层50 nm~200 nm涂层，该涂层的截面扫描电镜图见图2。

在本例制备的试样表面涂层、二氧化钛纳米棒薄膜和纯钽金属基板上培养成骨细胞1天和5天后的MTS表征结果见图7。

配置浓度为4 mg/mL 的盐酸万古霉素溶液，用移液枪移取盐酸万古霉素溶液50 μL滴加到本例制备的试样表面涂层和二氧化钛纳米棒薄膜中，自然干燥。载药涂层的盐酸万古霉素释放曲线如图8所示。

实施例2

将生长有二氧化钛纳米棒阵列的钽金属基板（规格1×1 cm²），分别用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗三次，自然干燥，放好待用。配制介孔生物玻璃溶胶：称量2.0 g平均分子量为5800的模板剂P123溶于90 mL无水乙醇，搅拌至其完全溶解，依次加入40μL盐酸（浓度为1.0 mol/L）、6.85 mL正硅酸乙酯（TEOS）、1.35 g 四水合硝酸钙（Ca(NO₃)₂·4H₂O）、655 μL磷酸三乙酯（TEP）和6.65 mL钛酸四正丁酯（TBOT），每加一种物质，均需间隔30 min，充分搅拌20小时。将上述所得溶胶用移液枪移出40 mL，加入10 mL无水乙醇稀释其浓度，搅拌4小时后静置陈化24小时，得到介孔生物玻璃溶胶。将清洁好的基板置于旋涂仪上，用移液枪移取20 μL配制好的溶胶，开启旋涂仪，当转速达到7000 rpm后在基板中心滴下溶胶，匀胶40 s。静置一段时间后，把试样放在盛有过饱和氯化钠溶液的干燥器皿中，保持恒温恒湿，陈化24小时。把试样放入坩埚中，置于马弗炉内，以1 ℃/min的升温速率，缓慢升温至500 ℃后保温300 min，随炉冷却至室温，最终得到表面形貌如图3所示的二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层200 nm~350 nm涂层，该涂层的截面扫描电镜图见图4。

在本例制备的试样表面涂层、二氧化钛纳米棒薄膜和纯钽金属基板上培养成骨细胞1天和5天后的MTS表征结果见图7。

配置浓度为4 mg/mL 的盐酸万古霉素溶液，用移液枪移取盐酸万古霉素溶液50 μL滴加到本例制备的试样表面涂层和二氧化钛纳米棒薄膜中，自然干燥。载药涂层的盐酸万古霉素释放曲线如图8所示。

实施例3

将生长有二氧化钛纳米棒阵列的钽金属基板（规格1×1 cm²），分别用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗三次，自然干燥，放好待用。配制介孔生物玻璃溶胶：称量2.0 g平均分子量为5800的模板剂P123溶于90 mL无水乙醇，搅拌至其完全溶解，依次加入40μL盐酸（浓度为1.0 mol/L）、6.85 mL正硅酸乙酯（TEOS）、1.35 g 四水合硝酸钙（Ca(NO₃)₂·4H₂O）、655 μL磷酸三乙酯（TEP）和6.65 mL钛酸四正丁酯（TBOT），每加一种物质，均需间隔30 min，充分搅拌20小时。将上述所得溶胶用移液枪移出30 mL，加入20 mL无水乙醇稀释其浓度，搅拌4小时后静置陈化24小时，得到介孔生物玻璃溶胶。将清洁好的基板置于旋涂仪上，用移液枪移取20 μL配制好的溶胶，开启旋涂仪，当转速达到7000 rpm后在基板中心滴下溶胶，匀胶40 s。静置一段时间后，把试样放在盛有过饱和氯化钠溶液的干燥器皿中，保持恒温恒湿，陈化24小时。把试样放入坩埚中，置于马弗炉内，以1 ℃/min的升温速率，缓慢升温至500 ℃后保温300 min，随炉冷却至室温，最终得到表面形貌如图5所示的二氧化钛纳米棒凸出介孔生物玻璃层350 nm~500 nm涂层，该涂层的截面扫描电镜图见图6。

在本例制备的试样表面涂层、二氧化钛纳米棒薄膜和纯钽金属基板上培养成骨细胞1天和5天后的MTS表征结果见图7。

配置浓度为4 mg/mL 的盐酸万古霉素溶液，用移液枪移取盐酸万古霉素溶液50 μL滴加到本例制备的试样表面涂层和二氧化钛纳米棒薄膜中，自然干燥。载药涂层的盐酸万古霉素释放曲线如图8所示。

Claims (3)

1.一种医用金属植入体表面改性涂层，其特征在于该涂层是在二氧化钛纳米棒组元阵列中嵌入介孔生物玻璃组元组装成的微纳结构改性层，二氧化钛纳米棒阵列具有上凸结构的特征，其二氧化钛纳米棒的直径为50 nm，凸出高度为50 nm ~500 nm，凸出密度为20 

/μm^-2~45 /μm^-2；介孔生物玻璃具有介孔和微裂纹的下凹结构特征，其介孔平均孔径为5.8 nm，下凹深度为100 nm ~550 nm；微裂纹长度为50 nm ~350 nm，下凹深度为20 nm ~150 nm。

2.制备权利要求 1 所述的医用金属植入体表面改性涂层的方法，其特征包括以下步骤：

1）清洁生长有二氧化钛纳米棒阵列的基板，其二氧化钛纳米棒的直径为50 nm，高度为200 nm ~600 nm，密度为45 /μm^-2；

2）将平均分子量为5800的模板剂P123完全溶解于无水乙醇中，加入浓度为1.0 mol/L的盐酸，再依次加入正硅酸乙酯、四水合硝酸钙、磷酸三乙酯和钛酸四正丁酯，使得物质的量的比为P123:C₂H₅OH:

HCl:SiO₂:CaO:P₂O₅:TBOT=0.01:20:0.001:0.8:0.15:0.05:0.5，充分搅拌20 小时~24 小时，再陈化24 小时~72 小时，得到介孔生物玻璃溶胶。

3）将步骤2）配制的介孔生物玻璃溶胶旋涂在步骤1）清洁好的基板上，陈化24 小时~72 小时后置于马弗炉内，以1 ℃/min ~10 

℃/min的升温速率升温至400 ℃~550 ℃，保温60 min ~300 min，随炉冷却至室温，得到嵌介孔生物玻璃的二氧化钛纳米棒阵列涂层。

3.根据权利要求2所述的医用金属植入体表面改性涂层的制备方法，其特征在于所述的基板为钽金属基板、铌金属基板或锆金属基板。

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