CN111499416A - 一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷及其制备方法，陶瓷基体的表面形成锆涂层，随后通过电化学阳极氧化形成氧化锆纳米结构涂层，具有氧化锆纳米结构涂层的陶瓷基体按顺序依次利用富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物进行表面修饰以提高其生物相容性。

Description

一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，尤其涉及一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷及其制备方法。
背景技术
氧化锆(ZrO2)同时具有酸性、碱性、氧化性和还原性，其独有的特点和性质使其在多个领域内具有重要应用，包括燃料电池、气体传感器、催化剂载体、固体电解质和生物医学材料领域等。氧化锆纳米管(ZrO2 nanotube)具有更大的比表面积和更强的吸附能力，能够进一步提高ZrO2的性能，因而受到众多研究者的关注和重视。
当氧化锆作为修复材料应用于生物医学材料领域中时，除了承担应力支撑组织再生所要求的优异的机械性能外，良好的生物相容性(biocompatibility)也是必须考虑的因素。但是，氧化锆是一种化学惰性的陶瓷材料，其细胞及组织亲和性较差。因此，通过对氧化锆陶瓷进行表面修饰提高其生物亲和性成为氧化锆生物陶瓷研究的重要方向。
氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)作为石墨烯的氧化衍生物，因其优异的理化性能以及良好的生物活性受到了组织工程领域研究人员的广泛关注。氧化石墨烯的表面具有丰富的含氧基团，从而能够提供活跃的结合位点，使陶瓷基体能够更易于与特定的生物分子、蛋白和药物相互作用并进一步功能化。本领域已存在采用氧化石墨烯修饰氧化锆材料以改善其机械性能和生物活性的相关研究。
中国发明CN111035805A公开了一种具有石墨烯-二氧化钛符合抗菌涂层的工件及其制备方法。所述工件包括工件基体，以及设置于工件基体表面的石墨烯-二氧化钛复合抗菌涂层，所述复合抗菌涂层中，石墨烯掺杂在二氧化钛涂层中。该复合抗菌涂层与工件基体之间结合牢固，在赋予工件基体抗菌性能的同时兼具有良好的生物相容性。该发明仅简单地将石墨烯掺杂在二氧化钛涂层中，对于细胞粘附的提高效果有限；其次，石墨烯与二氧化钛为粉体混合制备，二氧化钛的晶粒附着在石墨烯片层上或穿插在石墨烯片层之间，这种结合方式在长久使用或遭遇更严苛的使用环境时，石墨烯或二氧化钛容易脱出，削弱材料的机械强度并使得石墨烯的纳米毒性对组织造成损害。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷，其特征在于，陶瓷基体的表面形成锆涂层，随后通过电化学阳极氧化形成氧化锆纳米结构涂层，具有氧化锆纳米结构涂层的陶瓷基体按顺序依次利用富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物进行表面修饰以提高其生物相容性。
根据一种优选的实施方式，所述氧化锆纳米结构涂层是通过将涂覆有锆涂层的陶瓷基体作为阳极，铂片作为对电极，在体积比为1:1的甲酰胺和甘油与1％重量百分比的NH4F和1％重量百分比的H2O混合电解质溶液中进行阳极氧化得到的具有龟裂和裂缝的氧化锆纳米管阵列。
根据一种优选的实施方式，阳极氧化后的陶瓷基体浸入3.5％GLYMO/乙醇溶液1小时后取出干燥以使其硅烷化。
根据一种优选的实施方式，硅烷化的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml富勒烯氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
根据一种优选的实施方式，富勒烯氧化物修饰后的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml碳纳米管氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
根据一种优选的实施方式，碳纳米管氧化物修饰后的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml石墨烯氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
根据一种优选的实施方式，所述生物陶瓷表面形成富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中的结构。
本发明还公开了一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷的制备方法，所述制备方法至少包括：在陶瓷基体的表面形成锆涂层；通过电化学阳极氧化氧化锆纳米结构涂层；按顺序依次利用富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物对具有氧化锆纳米结构涂层的陶瓷基体进行表面修饰以提高其生物相容性。
根据一种优选的实施方式，所述氧化锆纳米结构涂层是通过将涂覆有锆涂层的陶瓷基体作为阳极，铂片作为对电极，在体积比为1:1的甲酰胺和甘油与1％重量百分比的NH4F和1％重量百分比的H2O混合电解质溶液中进行阳极氧化得到的具有龟裂和裂缝的氧化锆纳米管阵列。
根据一种优选的实施方式，所述生物陶瓷表面形成富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中的结构。
本发明的有益技术效果包括以下一项或多项：
本发明通过在电化学阳极氧化法在陶瓷基体表面构建出含有龟裂和裂缝的氧化锆纳米管阵列，硅烷化后依次通过富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物进行表面修饰，形成富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中的三维结构，提高了表面的修饰率，由此显著提高了陶瓷基体表面的含氧基团的含量，增加其亲水性，具有促进成骨前体细胞粘附的作用，同时也为基于碳基纳米材料的载药缓蚀系统的构件提供了基础。并且，富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中，结合更稳固，防止纳米颗粒游离或脱出陶瓷基体表面。
附图说明
图1是根据本发明沉积的锆涂层的截面SEM图像；
图2是根据本发明阳极氧化得到的氧化锆纳米管阵列的截面SEM图像；
图3是根据本发明的表面修饰的生物陶瓷与未经表面修饰的陶瓷基体的生物亲和性测试的荧光显微镜照片；和
图4是根据本发明的表面修饰的生物陶瓷与未经表面修饰的陶瓷基体的细胞增殖测试结果。
具体实施方式
下面结合附图1至4进行详细说明。
实施例1
本实施例公开一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷，陶瓷基体的表面形成有锆涂层。随后通过电化学阳极氧化形成氧化锆纳米结构涂层。具有氧化锆纳米结构涂层的陶瓷基体按顺序依次利用富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物进行表面修饰以提高其生物相容性。优选的，陶瓷基体是ZrO2基陶瓷材料。优选的，陶瓷基体添加有CaO、MgO或Y2O3等稳定剂。
优选的，利用磁控溅射在陶瓷基体的表面形成锆涂层。优选的，采用磁控溅射制备锆涂层的方法是：将陶瓷基体依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗2分钟后室温下通风干燥；随后将陶瓷基体置入JGP450A2型超高真空磁控溅射机，抽真空至10-3Pa，通入Ar气使压强保持在0.5Pa。基体施加-50V偏电压，溅射温度为250℃，电流0.54A，电压280V，功率150W，溅射60分钟后关闭电源和Ar气，陶瓷基体冷却至室温后取出。图1示出了如此沉积的锆涂层的截面SEM图像(使用Philips XL30 FEG扫描电镜)。
优选的，所述氧化锆纳米结构涂层是通过将涂覆有锆涂层的陶瓷基体作为阳极，铂片作为对电极，在体积比为1:1的甲酰胺和甘油与1％重量百分比的NH4F和1％重量百分比的H2O混合电解质溶液中进行阳极氧化得到的具有龟裂和裂缝的氧化锆纳米管阵列。优选的，阳极氧化时间为18至24小时。优选的，对电极的选择对于阳极氧化形成的氧化膜及其断面的形貌具有较大的影响。常用的对电极有铂片和石墨。图2示出本实施例采用铂片作为对电极得到的氧化锆纳米管阵列的截面SEM图像(使用Philips XL30FEG扫描电镜)。可观察到，当采用铂片作为对电极时，形成的氧化锆氧化层由纳米管状物构成，氧化锆纳米管之间松散排列，氧化膜具有明显的龟裂，形成有裂缝。而当采用石墨作为对电极时，形成的纳米管阵列排布整齐、紧密。本领域技术人员通常采用石墨，尤其是石墨筒作为对电极制得形貌理想的氧化锆纳米管阵列。因此，石墨对电极时本领域的常规选择。但是，在本实施例中，并未选择能够制得形貌理想的纳米管阵列的石墨对电极，而采用铂片作为对电极，制备出具有大的裂缝和龟裂的氧化锆纳米管阵列，从而能够为后续的碳基纳米材料修饰提供更大的比表面积和更丰富的结合位点。
优选的，阳极氧化后的陶瓷基体浸入3.5％GLYMO/乙醇溶液1小时后取出干燥以使其硅烷化。
优选的，硅烷化的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml富勒烯氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
优选的，富勒烯氧化物修饰后的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml碳纳米管氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
优选的，碳纳米管氧化物修饰后的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml石墨烯氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
优选的，所述生物陶瓷表面形成富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中的结构。
优选的，将经过氧化石墨烯和氧化富勒烯化学修饰后的陶瓷基体利用乙醇或丙酮超声清洗并干燥后进行XPS分析，XPS谱中观察到284.8eV的C-C峰、288.5eV的C＝O峰、286.7eV的C-O峰以及289.4eV的C-C＝O峰，显示出石墨烯氧化物、碳纳米管氧化物和富勒烯氧化物在陶瓷表面的存在。SEM下可观察富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中、填充裂缝并形成桥接的结构。富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物与陶瓷表面的结合位点与陶瓷表面的缺陷相关，尤其与修饰物颗粒粒径与陶瓷基体表面的缺陷尺寸的匹配程度相关。
发明人通过试验发现，富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物三者进行表面修饰的顺序对于提高修饰率和最终陶瓷表面的含氧基团的含量是重要的。碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物先进行反应的情况下，已结合在陶瓷基体表面的碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物会对富勒烯氧化物的结合造成一定的障碍，影响富勒烯氧化物的结合程度，反之则不然。富勒烯氧化物的球状三维结构对于在陶瓷基体表面形成更加复杂的立体微观结构并且提供更丰富的含氧结合位点是重要的，从而显著影响最终陶瓷的生物亲和性的改善程度。
优选的，将根据本实施例进行表面修饰后的陶瓷基体和未进行表面修饰的陶瓷基体进行生物亲和性测试。测试方法为，将表面修饰的陶瓷基体和未修饰的陶瓷基体与人牙髓干细胞采用静态表面接种法接种细胞后共培养。首先，将陶瓷基体完全进入完全培养基中在37℃的二氧化碳培养箱内孵育24小时。随后移去培养基，取生长状态良好的人牙髓干细胞逐滴加入两种陶瓷基材中，其中，细胞密度为106细胞/100μL细胞悬浮液。在37℃，5％二氧化碳恒温培养箱中孵化4小时后分别继续培养1天、3天和5天后取出，使用37℃的PBS溶液漂洗，室温下用4％多聚甲醛固定15分钟，0.5％Triton X-100溶液透化处理5分钟，加入TRITC标记的鬼笔环肽工作液没过陶瓷基体，室温避光孵育染色1小时。加入1μg/mL的DAPI染色液避光孵育5分钟，置于荧光显微镜下观察细胞在两种陶瓷基体上的粘附形态。如图3荧光显微镜照片显示的鬼笔环肽肌动纤维蛋白荧光染色，根据本发明表面修饰后的陶瓷基体上的细胞增殖比未经表面修饰的陶瓷基体更加活跃。在表面修饰后的陶瓷基体样品上能够观察到更加密集的粘附在陶瓷表面，表现更加活跃的细胞增殖状态。
优选的，采用MTS法检测细胞的增殖状况。检测方法为，将如上接种细胞并分别细胞培养1天、3天和5天后的陶瓷基体取出培养箱，分别加入100μL培养基和20μL的MTS溶液，置入37℃，5％二氧化碳恒温培养箱中孵化1小时，吸取反应后的悬浮液100μL在490nm波长下测量A值。图4示出A值测量结果，由此可观察到，表面修饰后的陶瓷基体上的人牙髓干细胞表现出显著更强的细胞活力。
优选的，根据本发明方法制得的生物陶瓷，阳极氧化步骤中，在陶瓷基体表面制得含有龟裂和裂缝的氧化锆纳米管阵列，裂缝的尺寸、深度各异，得到了丰富的表面形态，这被证明在后续的碳基纳米材料的修饰中是有利的，富勒烯氧化物、碳纳米氧化物和石墨烯氧化物各自具有不同的尺寸，能够在具有丰富表面形态的氧化锆纳米管阵列中找到各自最适合的结合位点，形成各自嵌入龟裂和裂缝中的结构。更进一步的，富勒烯氧化物、碳纳米氧化物和石墨烯氧化物还能够在龟裂和裂缝处形成桥接，连接龟裂和裂缝的两端，由此产生更大的结合作用，进一步增强涂层的机械性能。富勒烯氧化物、碳纳米氧化物和石墨烯氧化物含有丰富的含氧基团，高氧化程度有利于提高生物相容性。表面修饰后的生物陶瓷亲水性增加，亲水性的表面有利于细胞粘附，富勒烯氧化物、碳纳米氧化物和石墨烯氧化物嵌入氧化锆纳米管阵列中的三维立体结构能够进一步增强细胞骨架的张力，提供更强的粘附力，防止细胞从生物陶瓷脱落，从而提高细胞接种率，有利于后期增殖。
优选的，使用万能试验机测量经过表面修饰的陶瓷基体和未经表面修饰的陶瓷基体的机械性能。陶瓷基体被制备成0.5cm×1.0cm×1.5cm的样品进行压缩强度测试。其中，万能试验机的机头加载速度设为0.5mm/min。压缩强度测试对比结果显示，经过表面修饰的陶瓷基体样品的压缩强度为1.372±0.065Mpa，未经表面修饰的陶瓷基体样品的压缩强度为1.028±0.072Mpa。也就是说，根据本发明方法表面修饰后的陶瓷基体的压缩强度显著增加。
实施例2
本实施例公开一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷的制备方法，所述制备方法至少包括：在陶瓷基体的表面形成锆涂层；通过电化学阳极氧化氧化锆纳米结构涂层；按顺序依次利用富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物对具有氧化锆纳米结构涂层的陶瓷基体进行表面修饰以提高其生物相容性。
优选的，所述氧化锆纳米结构涂层是通过将涂覆有锆涂层的陶瓷基体作为阳极，铂片作为对电极，在体积比为1:1的甲酰胺和甘油与1％重量百分比的NH4F和1％重量百分比的H2O混合电解质溶液中进行阳极氧化得到的具有龟裂和裂缝的氧化锆纳米管阵列。
优选的，所述生物陶瓷表面形成富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中的结构。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷，其特征在于，陶瓷基体的表面形成锆涂层，随后通过电化学阳极氧化形成氧化锆纳米结构涂层，具有氧化锆纳米结构涂层的陶瓷基体按顺序依次利用富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物进行表面修饰以提高其生物相容性。
2.如权利要求1所述的表面修饰的氧化锆生物陶瓷，其特征在于，所述氧化锆纳米结构涂层是通过将涂覆有锆涂层的陶瓷基体作为阳极，铂片作为对电极，在体积比为1:1的甲酰胺和甘油与1％重量百分比的NH4F和1％重量百分比的H2O混合电解质溶液中进行阳极氧化得到的具有龟裂和裂缝的氧化锆纳米管阵列。
3.如权利要求2所述的表面修饰的氧化锆生物陶瓷，其特征在于，阳极氧化后的陶瓷基体浸入3.5％GLYMO/乙醇溶液1小时后取出干燥以使其硅烷化。
4.如权利要求3所述的表面修饰的氧化锆生物陶瓷，其特征在于，硅烷化的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml富勒烯氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
5.如权利要求4所述的表面修饰的氧化锆生物陶瓷，其特征在于，富勒烯氧化物修饰后的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml碳纳米管氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
6.如权利要求5所述的表面修饰的氧化锆生物陶瓷，其特征在于，碳纳米管氧化物修饰后的陶瓷基体浸入含有质量百分比为0.6至0.8mg/ml石墨烯氧化物的去离子水超声分散液中于35至40℃反应1至1.5小时。
7.如权利要求6所述的表面修饰的氧化锆生物陶瓷，其特征在于，所述生物陶瓷表面形成富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中的结构。
8.一种表面修饰的氧化锆生物陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
在陶瓷基体的表面形成锆涂层；
通过电化学阳极氧化氧化锆纳米结构涂层；
按顺序依次利用富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物对具有氧化锆纳米结构涂层的陶瓷基体进行表面修饰以提高其生物相容性。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述氧化锆纳米结构涂层是通过将涂覆有锆涂层的陶瓷基体作为阳极，铂片作为对电极，在体积比为1:1的甲酰胺和甘油与1％重量百分比的NH4F和1％重量百分比的H2O混合电解质溶液中进行阳极氧化得到的具有龟裂和裂缝的氧化锆纳米管阵列。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述生物陶瓷表面形成富勒烯氧化物、碳纳米管氧化物和石墨烯氧化物嵌入锆纳米管阵列的龟裂和裂缝中的结构。
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