CN104815354B - 一种仿真骨小梁纳米骨骼材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真骨小梁纳米骨骼材料，其为表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO₂纳米纤维共同复合而成，其中，取向生长纳米柱的材料为生物相容性材料，纳米颗粒的材料为压电材料或生物材料，TiO₂纳米纤维为多壁钛酸盐纳米纤维，具有多壁韧性的网孔状结构。本发明的纳米骨骼材料首先通过水热合成的方法在Ti骨骼表面制备出多壁韧性的TiO₂构筑的网孔状结构，再通过电化学沉积的方法在TiO₂纳米纤维表面制备纳米颗粒，然后通过磁控溅射技术在表面修饰纳米颗粒的TiO₂纳米纤维表面制备出取向生长纳米柱结构，从而制备出仿生骨小梁结构。本发明的材料生物相容性好，尺寸和天然骨骼微观骨小梁结构高度相似，有望取代现今钛合金骨骼成为新一代骨骼材料。

Description

一种仿真骨小梁纳米骨骼材料及其制备方法

技术领域

本发明属于仿生材料领域，具体地涉及一种仿真骨小梁纳米骨骼材料及其制备方法。

背景技术

由于交通意外，运动创伤，社会老龄化等问题的增加，世界范围内对人工骨骼材料的需求与日俱增。我国是一个拥有13亿人口的大国，也是一个骨组织修复和重建材料的需求大国。目前我国有6000万残疾人，其中致残者约800万人；由风湿和类风湿引发的大骨节病患者有数百万人；有7000万伴随人口老龄化的骨质疏松症患者；每年由于疾病、交通事故和运动创伤等造成的骨缺损、骨折和骨缺失患者人数近1000万；需要行颅颌面和肢体整形、美容的人数也在千万人以上。到2013年，全球人工骨骼材料市场实现销售额达300亿美元。因此，人工骨骼材料已成为各国科学家竞相研究和开发的热点方向之一。

人工骨骼材料是纳米科技向生物材料领域渗透的产物，纳米材料所具有的独特性能不仅为设计和制备新型高性能生物材料提供了新思路和新方法，而且为生物材料领域中采用常规技术和方法所无法解决的问题提供了新的解决手段。纳米尺度的特殊生物效应使得人工骨骼材料在组织修复、替代领域具有广泛地应用前景，近年来取得了引人注目的成就。

研究开发新型纳米材料与器械用于组织修复替代对于提高临床治疗水平具有深远的意义。前期以纳米钙磷类生物材料为代表的骨修复替代材料的研究与开发，已向着生物结构和生物功能的仿生目标迈进了重要的一步，并取得了令人兴奋的治疗效果。随着纳米技术的发展，指导构建人工骨骼材料的性能如硬度、韧性、生物活性、降解性以及生物相容性等方面的优势必将会进一步显现，其功能必将不断完善。相信在不久的将来会有更多的适于组织修复替代的纳米材料和器械的出现，为再塑健康人体作出贡献。

已有的人工骨骼材料主要有金属涂层材料、生物陶瓷材料、生物骨水泥材料等，它们在结构上从宏观到微观都与天然骨骼差别较大，特别是天然骨微观骨小梁结构更是难以制备，因此人工骨骼材料的生物性能、力学特性还有生物电位特性等都远远不及天然骨骼。一种高度仿生天然骨结构的纳米骨骼材料是当下医疗领域所迫切需要的。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，基于结构仿生与功能仿生原理，提出了一种仿真骨小梁纳米骨骼材料的制备与应用。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出了一种仿真骨小梁纳米骨骼材料，所述的仿真骨小梁纳米骨骼材料为表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO₂纳米纤维共同复合而成，其中，所述取向生长纳米柱的材料为生物相容性材料，所述纳米颗粒的材料为压电材料或生物材料，所述TiO₂纳米纤维为多壁钛酸盐纳米纤维，具有多壁韧性的网孔状结构。

优选地，所述纳米柱的材料为Ti、TiO₂、SnO₂和SiC中的任意一种；所述的压电材料为ZnO，所述的生物材料为羟基磷酸钙。

本发明进一步提出了上述仿真骨小梁纳米骨骼材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)水热法制备多壁钛酸盐纳米纤维：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，并用浓度为1～3mol/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，在钛片上得到网孔状的多壁钛酸盐纳米纤维阵列，即TiO₂纳米纤维；

(2)采用电化学工作站IM6的恒电流/电压模式，在三电极反应池中，类体液SBF作沉积液，步骤(1)所制备的多壁钛基钛酸盐纳米纤维阵列基体作工作电极，铂片电极作对电极，饱和甘汞电极作参比电极进行电化学反应，沉积液的pH为7.40～9.30，沉积温度为室温至65℃，沉积电流为-5～-20mA，沉积电压为-1.0～-2.0V，沉积时间为0.5～3h，使多壁钛酸盐纳米纤维阵列的表面生长ZnO或羟基磷酸钙纳米颗粒；

(3)磁控溅射制备仿真骨小梁纳米骨骼材料：以Ti或TiO₂或SnO₂或SiC为溅射靶材，步骤(2)处理后的材料为溅射基底，进行双靶溅射；调节靶级距为3cm～4cm，通入氩气，工作压强为0.6Pa～2.0Pa之间，功率为100W～150W；在以上条件下溅射5～60分钟以制备出仿真骨小梁纳米骨骼材料。

具体地，步骤(2)中，当使多壁钛酸盐纳米纤维阵列的表面生长ZnO时，所述的类体液SBF包含如下组分：ZnCl₂8.0g/L和NaOH0.40g/L；当使多壁钛酸盐纳米纤维阵列的表面生长羟基磷酸钙时，所述的类体液SBF包含如下组分：NaCl 8.0g/L、CaCl₂ 0.14g/L、KCl0.40g/L、NaHCO₃ 0.35g/L、葡萄糖1.00g/L、KH₂PO₄ 0.10g/L、MgCl₂·6H₂O 0.10g/L、Na₂HPO₄·2H₂O 0.06g/L和MgSO₄·7H₂O 0.06g/L。

本发明的仿真骨小梁纳米骨骼材料通过一种表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO₂纳米纤维共同复合而成，首先通过水热合成的方法在Ti骨骼表面制备出多壁韧性的TiO₂构筑的网孔状结构，再通过电化学沉积的方法在TiO₂纳米纤维表面制备纳米颗粒，然后通过磁控溅射技术在表面修饰纳米颗粒的TiO₂纳米纤维表面制备出取向生长纳米柱结构，从而制备出仿生骨小梁结构。其与天然骨骼微观骨小梁结构与尺寸高度相似，并且选用了生物相容性材料与压电材料作为合成物，其功能与天然骨骼高度接近，有望取代现今钛合金材料作为新一代骨骼材料。通过调节电化学沉积的反应条件可以TiO₂纳米纤维表面ZnO与羟基磷酸钙颗粒的大小、结晶度与整体分布数量与密度，然后通过磁控溅射包覆后形成的纳米骨小梁结构。

本发明采用的外部纳米柱材料(Ti、TiO₂、SnO₂和SiC材料)主要具有生物相容性与力学性能，其中，Ti、TiO₂和SnO₂为偏向生物相容性材料，SiC为偏向力学性能方向材料，上述材料均可以在TiO₂纳米纤维表面取向生长，而纳米颗粒的选择针对其对整体材料的功能而定，其中ZnO为偏向压电促进生物相容性方向，而羟基磷酸钙偏向材料仿生促进生物相容性方向。因此，本发明可以根据需要制备如下类型的材料：

1)Ti或TiO₂或SnO₂/ZnO/TiO₂主要用于对压电刺激敏感一些的地方，需要超高生物相容性的地方，但是力学特性能差一点；

2)SiC/ZnO/TiO₂主要用于对压电刺激敏感一些的地方，需要超高力学特性的地方，但是生物相容性对比下差一点；

3)Ti或TiO₂或SnO₂/羟基磷酸钙/TiO₂主要用于对材料融合敏感一些的地方，需要超高生物相容性的地方，但是力学特性能差一点；

4)SiC/羟基磷酸钙/TiO₂主要用于对压材料融合感一些的地方，需要超高力学特性的地方，但是生物相容性对比下差一点。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的仿真骨小梁纳米骨骼材料在结构仿生方面首次实现了在人工骨骼材料微观骨小梁级别的结构的高度仿真，此结构为天然骨组织最为重要的结构，实现此结构就意味着仿真骨小梁纳米骨骼材料具备了天然骨优异的生物相容性、力学特性等，并且其他级别的结构特性也与天然骨骼相似，如网孔结构，骨水泥结构，取向生长结构，多壁结构等；

(2)本发明同时兼顾功能仿生原理，首先选用具有高度生物相容性的材料最为表面材料，如Ti、TiO₂、SnO₂、SiC等，这些材料既具有生物惰性，又具有力学特性，可根据不同需要(Ti、TiO₂、SnO₂等材料偏重于生物惰性，SiC等材料侧重于力学特性)进行选择；本实验中的纳米颗粒材料为ZnO或羟基磷酸钙，他们分别具有极高的生物相容性或生物压电特性，可根据不同需要进行搭配选择，最终实现功能仿生的目的。

附图说明

图1是本发明纳米骨骼材料的SEM图像：A)TiO₂材料；B)Ti/TiO₂材料；C)Ti/ZnO/TiO₂材料；其中，A*-C*为对应A-C高放大倍数的SEM图；

图2是本发明不同磁控溅射功率制备的仿真骨小梁纳米骨骼材料的SEM图像：A)50W；B)200W；C)100W；其中，A*～B*为对应A-B高放大倍数的SEM图，C的插图为真实骨小梁结构的3D图像(靶极距为3cm衬底温度为500℃时间为30min)；

图3是本发明纳米骨骼材料的TEM图像：A)TiO₂材料；B)Ti/TiO₂材料；C)Ti/ZnO/TiO₂材料；其中，A*～C*为对应A～C的电子衍射图；

图4是本发明纳米骨骼材料的XRD图谱：三条曲线分别为TiO₂材料、Ti/TiO₂材料、Ti/ZnO/TiO₂材料；

图5是本发明纳米骨骼材料(TiO₂材料、Ti/TiO₂材料、Ti/ZnO/TiO₂材料)细胞培养的荧光显微镜图：A)1d；B)3d；C)5d；D)7d；

图6是本发明纳米骨骼材料(TiO₂材料、Ti/TiO₂材料、Ti/ZnO/TiO₂材料)的：A)MTT直方图；B)ALP直方图；

图7是本发明纳米骨骼材料(TiO₂材料、Ti/TiO₂材料、Ti/ZnO/TiO₂材料)骨组织切片的荧光显微镜图：A)1d；B)3d；C)5d；D)7d。

具体实施方式

下面通过具体的实施例详细说明本发明，然而本发明的保护范围并不局限于下述实施例。

实施例1仿真骨小梁纳米骨骼材料(Ti/ZnO/TiO₂)的制备方法。

一种仿真骨小梁纳米骨骼材料(Ti/ZnO/TiO₂)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，并用浓度为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8个小时，自然降温。取出钛片，用蒸馏水冲洗，烘干，得到所需的网孔状TiO₂纳米纤维阵列。

(2)电化学沉积法在TiO₂纳米纤维表面制备纳米颗粒：

采用电化学工作站IM6的恒电流/电压模式，在三电极反应池中，类体液(ZnCl₂8.0g/L，NaOH 0.40g/L)作沉积液，步骤1所制备的钛基钛酸盐纳米线基体作工作电极(WE)，铂片电极作对电极(CE)，饱和甘汞电极作参比电极(RE)进行电化学反应，沉积液的pH为8.00，沉积温度为室温至65℃，沉积电流为-10mA，沉积电压为-1.5V，沉积时间为2h，使钛酸盐纳米线表面生长ZnO纳米颗粒。

(3)磁控溅射制备仿真骨小梁纳米骨骼材料：

磁控溅射制备仿真骨小梁纳米骨骼材料：以Ti为溅射靶材，步骤2处理后的材料为溅射基底，进行双靶溅射；调节靶级距为4cm，通入氩气，工作压强为1Pa之间，功率为150W；在以上条件下溅射30分钟以制备出仿真骨小梁纳米骨骼材料，其中，取向生长纳米柱为Ti，表面纳米颗粒为ZnO。

采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜在10kV高压下对仿真骨小梁纳米骨骼材料形貌进行观察分析。图1给出了不同纳米骨骼材料表面结构对比SEM图像。可以看出，水热法所制备的TiO₂材料具有网孔状结构，但是其TiO₂纳米纤维直径比较细，不足以承受骨骼的压力。Ti/TiO₂材料对比TiO₂材料与真实骨小梁结构更为接近，并且多了骨水泥结构与取向生长结构等，其力学特性尤为突出。但是，其表面结构过于平整，仍然与真实骨小梁表面凹凸不平结构有区别。Ti/ZnO/TiO₂材料对比Ti/TiO₂材料其表面形成更多凸起结构，这种结构不仅仅增大了材料比表面积，使得细胞更容易附着，并且形貌与真实骨小梁结构更为接近，内部复合的ZnO纳米颗粒可增强材料生物压电性能，从功能仿生上更深层次的去模拟天然骨骼。

通过改变条件对仿真骨小梁纳米骨骼材料影响的探究：

不同磁控溅射功率对仿真骨小梁纳米骨骼材料影响：图2给出了不同磁控溅射功率下仿真骨小梁纳米骨骼材料结构的变化。调节靶级距为4cm(以控制正常溅射速率，而不浪费)；通入氩气，工作压强为1.0Pa之间(以保证启辉)；在以上条件下溅射30分钟，以制备珊瑚状Zn/TiO₂纳米阵列结构。之间当磁控溅射功率为50W时，Ti包覆与修饰不均匀，如图2中A和A*所示；当磁控溅射功率增加到100W时，Ti有序且均匀地对TiO₂纳米纤维与表面ZnO颗粒进行包覆与修饰，如图3所示，其结构与真实骨小梁3D结构(图3插图)高度相近；当磁控溅射功率增加到200W时，Ti将TiO₂纳米纤维与表面ZnO颗粒的包覆占满整个网孔状结构空间，材料即将失去了空间大孔结构，如图2中B和B*中所示。控制磁控溅射功率对合成高质量的仿真骨小梁纳米骨骼材料非常重要。

对仿真骨小梁纳米骨骼材料的形貌进行分析：

纳米骨骼材料的TEM图像：如图3中A-C所示，并结合3中A*-C*的电子衍射图像可分析出，多壁TiO₂纳米纤维结晶良好；基于基于晶格匹配原理表面的晶体ZnO颗粒牢固的辅助在TiO₂纳米纤维表面；表面取向生长的Ti纳米柱为非晶态的，这样的结构与天然骨骼微晶态羟基磷灰石结构很相似，从原子和分子角度更深层次地体现出了结构仿生原理。

对仿真骨小梁纳米骨骼材料物相及结构进行测试：

利用D8 Discover型X射线衍射仪分析材料物相。图4可知仿真骨小梁纳米骨骼材料的XRD图谱，对比钛骨骼和长有TiO₂纳米纤维的钛骨骼图谱，以及JADE卡片可知ZnO的标准峰，对应其(111)(200)(220)(311)晶面，证明纳米颗粒晶型为面心立方。TiO₂纳米纤维结晶良好，表面取向生长的Ti纳米柱为非晶态的，其结果与TEM图像和电子衍射结构吻合。

对仿真骨小梁纳米骨骼材料生物相容性进行测试：

如图5不同材料(TiO₂材料Ti/TiO₂材料Ti/ZnO/TiO₂材料)对比可以看出，Ti/ZnO/TiO₂材料生物相容性最好。在1-3天，MG63细胞先沿着纳米纤维进行生长，而后逐渐相孔洞结构中延伸。当MG63细胞生长7天时，已经覆盖在材料表面很多，体现出仿真骨小梁纳米骨骼材料具有优异的生物相容性。其独特的骨小梁结构增大纳米纤维表面摩擦力，促进成骨MG63细胞的黏附、增殖与分化。

由图6中A的MTT结果说明MG63在仿真骨小梁纳米骨骼材料(Ti/ZnO/TiO₂材料)上的黏附、生长情况要明显好于TiO₂材料和Ti/TiO₂材料。由图6中B可知，仿真骨小梁纳米骨骼材料(Ti/ZnO/TiO₂材料)上MG63细胞培养1天所产生的ALP的量明显多于TiO₂材料和Ti/TiO₂材料。

由图7是本发明纳米骨骼材料(TiO₂材料、Ti/TiO₂材料、Ti/ZnO/TiO₂材料)骨组织切片的荧光显微镜图的对比也可以证明，本发明的仿真骨小梁纳米骨骼材料的生物相容性明显高于其他生物材料。

利用类似的方法同样可以制备出Ti/ZnO₂/TiO₂、TiO₂/ZnO₂/TiO₂、SnO₂/ZnO₂/TiO₂、SiC/ZnO₂/TiO₂、TiO₂/羟基磷酸钙/TiO₂、SnO₂/羟基磷酸钙/TiO₂、SiC/羟基磷酸钙/TiO₂、Ti/羟基磷酸钙/TiO₂结构的材料，本领域技术人员可以根据具体所需材料的性质进行制备，如：

Ti/ZnO/TiO₂或TiO₂/ZnO/TiO₂或SnO₂/ZnO/TiO₂主要用于对压电刺激敏感一些的地方，需要超高生物相容性的地方，但是力学特性能差一点；

SiC/ZnO/TiO₂主要用于对压电刺激敏感一些的地方，需要超高力学特性的地方，但是生物相容性对比下差一点；

Ti/羟基磷酸钙/TiO₂或TiO₂/羟基磷酸钙/TiO₂或SnO₂/羟基磷酸钙/TiO₂主要用于对材料融合敏感一些的地方，需要超高生物相容性的地方，但是力学特性能差一点；

SiC/羟基磷酸钙/TiO₂主要用于对压材料融合感一些的地方，需要超高力学特性的地方，但是生物相容性对比下差一点。

本发明的仿真骨小梁纳米骨骼材料在结构仿生方面首次实现了在人工骨骼材料微观骨小梁级别的结构的高度仿真，此结构为天然骨组织最为重要的结构，实现此结构就意味着仿真骨小梁纳米骨骼材料具备了天然骨优异的生物相容性、力学特性等，并且其他级别的结构特性也与天然骨骼相似，如网孔结构，骨水泥结构，取向生长结构，多壁结构等。

Claims (2)

1.一种仿真骨小梁纳米骨骼材料，其特征在于，所述的仿真骨小梁纳米骨骼材料为表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO₂纳米纤维共同复合而成，其中，所述取向生长纳米柱的材料为生物相容性材料，所述纳米颗粒的材料为压电材料，所述TiO₂纳米纤维为多壁钛酸盐纳米纤维，具有多壁韧性的网孔状结构，所述纳米柱的材料为Ti、TiO₂、SnO₂中的任意一种；所述的压电材料为ZnO，其通过如下方法制备得到：

(1)水热法制备多壁钛酸盐纳米纤维：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，并用浓度为1～3mol/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，在钛片上得到网孔状的多壁钛酸盐纳米纤维阵列；

(2)采用电化学工作站IM6的恒电流/电压模式，在三电极反应池中，类体液SBF作沉积液，步骤(1)所制备的多壁钛基钛酸盐纳米纤维阵列基体作工作电极，铂片电极作对电极，饱和甘汞电极作参比电极进行电化学反应，沉积液的pH为7.40～9.30，沉积温度为室温至65℃，沉积电流为-5～-20mA，沉积电压为-1.0～-2.0V，沉积时间为0.5～3h，使多壁钛酸盐纳米纤维阵列的表面生长ZnO；

(3)磁控溅射制备仿真骨小梁纳米骨骼材料：以Ti或TiO₂或SnO₂为溅射靶材，步骤(2)处理后的材料为溅射基底，进行双靶溅射；调节靶级距为3cm～4cm，通入氩气，工作压强为0.6Pa～2.0Pa之间，功率为100W～150W；在以上条件下溅射5～60分钟以制备出仿真骨小梁纳米骨骼材料。

2.根据权利要求1所述的仿真骨小梁纳米骨骼材料，其特征在于，步骤(2)中，当使多壁钛酸盐纳米纤维阵列的表面生长ZnO时，所述的类体液SBF包含如下组分：ZnCl₂8.0g/L和NaOH0.40g/L。