CN115444981A - 具有生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开具有生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石‑二氧化锰复合涂层及其制备方法和应用。复合涂层包括多孔结构的片层羟基磷灰石和覆盖于羟基磷灰石表面的二氧化锰颗粒；所述复合涂层中锰的含量为0.1～20wt.%。所述复合涂层具有良好的生物相容性和生物抗氧化性能，能有效降低成骨细胞的氧化应激损伤，在氧化应激环境下对前成骨细胞具有保护和促成骨作用，能够促进氧化应激环境下骨组织的修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层及其制备方法和应用，属于生物医用技术领域。
背景技术
随着人口老龄化进程加速，以及交通事故、疾病、自然灾害等造成的骨损伤事故逐年增多，人工骨植入材料的需求量日益增加。与正常生理状态的骨缺损患者相比，患有系统性疾病(如糖尿病、高血压、骨质疏松等)的患者体内微环境中活性氧簇 (ROS，主要包括过氧化氢H2O2、超氧根离子O2·-和羟基自由基·OH)水平较高，导致机体氧化能力超过抗氧化能力，导致容易在骨植入材料周围引发组织的氧化应激损伤，抑制成骨细胞活性，从而严重影响术后骨组织的修复。因此，开发具有良好生物抗氧化性能的骨植入材料，改善骨植入材料的成骨能力，对于促进氧化应激下室温骨修复具有重要的临床意义。
金属钛材及其合金是常用的骨植入材料，具有良好的生物相容性、化学稳定性和耐蚀性。但钛的生物惰性使得钛表面的促进成骨分化能力不足。羟基磷灰石(HA)具备良好的生物活性，HA涂敷的钛金属植入物可显著提高其促成骨能力，并被广泛用于骨科医疗器械。然而，HA不具备生物抗氧化性能，无法满足氧化应激下骨组织的有效修复。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种具有良好生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层及其制备方法和应用。所述复合涂层具有良好的生物相容性和生物抗氧化性能，能有效降低成骨细胞的氧化应激损伤，在氧化应激环境下对前成骨细胞具有保护和促成骨作用，能够促进氧化应激环境下骨组织的修复。
第一方面，本发明提供一种具有良好生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层(也可以称为“HA-MnO2复合涂层”)。所述复合涂层包括多孔结构的片层羟基磷灰石和覆盖于羟基磷灰石表面的二氧化锰颗粒。二氧化锰作为过渡金属氧化物材料，相比于V2O5、Fe3O4、Co3O4等氧化物，具备更优异的过氧化氢酶模拟活性(可清除H2O2)和细胞相容性。此外，通过将MnO2引入多孔羟基磷灰石涂层，多孔羟基磷灰石可吸附MnO2在氧化应激下过量释放的Mn2+，降低过量Mn2+诱导的类芬顿反应活性(生成ROS)，而吸附后形成的磷酸盐-Mn的复合物具有较好的超氧化物歧化酶 (SOD)活性(可清除O2·-)。所述复合涂层同时具有过氧化氢酶和超氧化物歧化酶这两种抗氧化酶的模拟活性，进而能够提高羟基磷灰石的生物抗氧化性能。由此本发明所述复合涂层具备优异的生物抗氧化和促成骨性能，以及锰元素能参与软骨和骨形成所需糖蛋白的合成，对于维持正常骨骼发育有重要作用，故能够加快氧化应激环境下的骨修复进程。
所述羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层复合涂层中Mn的含量为0.1～20wt.％。此含量范围的Mn可发挥较好的生物抗氧化性能，利于溶出少量甚至不会溶出Mn2+。优选地，Mn的含量为0.1～10wt.％，进一步优选为4～6wt.％。
较佳地，所述羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层的厚度为5～30μm。涂层的厚度过低，会导致涂层中羟基磷灰石的含量不足以将过量的Mn2+吸附在涂层中；涂层的厚度过高，会导致涂层与基体的结合力不足，而使得涂层易于剥落。
较佳地，所述二氧化锰颗粒的厚度为1～200nm。
第二方面，本发明提供上述任一项所述的具有良好生物抗氧化和促成骨性能的HA-MnO2复合涂层的制备方法。所述制备方法包括：
(1)使用包含CaCl2、K2HPO4、NaCl和HCl的混合溶液，通过电化学沉积在基材表面形成磷酸氢钙涂层，并将完成电化学沉积后的基材浸泡于氢氧化钠水溶液中以将磷酸氢钙转变成为羟基磷灰石；
(2)将步骤(1)所得样品依次浸泡于氯化锰水溶液和氢氧化钠水溶液中以将锰离子与羟基磷灰石中的钙离子发生交换；
(3)将步骤(2)所得样品退火，得到HA-MnO2复合涂层。
较佳地，步骤(1)中，混合溶液的CaCl2浓度为0.001～0.2mol/L，K2HPO4浓度为0.001～0.2mol/L，NaCl浓度为0.01～1mol/L，HCl浓度为0.005～0.1mol/L。
较佳地，步骤(1)中，电化学沉积温度为30～100℃，沉积电压-0.8至-2V，沉积时间为15～60min。
较佳地，步骤(1)中，氢氧化钠水溶液的浓度为0.01～1mol/L，处理温度为 20～100℃，处理时间为0.5～24h。
较佳地，步骤(2)中，氯化锰水溶液的浓度为0.001～0.1mol/L，处理时间为 0.1～12h；氢氧化钠水溶液的浓度为0.01～1mol/L，处理时间为2～24h。
较佳地，步骤(3)中，退火温度为150～500℃，退火时间为0.5～5h。所述低温退火制度可将羟基磷灰石吸附的Mn2+转化成为MnO2，并且能提高羟磷灰石的结晶性能。过高温度退火会促进MnO2分解，并且会氧化金属基体使得涂层剥落。
第三方面，本发明提供上述任一项所述的具有良好生物抗氧化和促成骨性能的HA-MnO2复合涂层在硬组织修复与替换材料中的应用。
附图说明
图1A为HA、HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层的XRD图谱，图1B为HA、 HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层的拉曼图谱；图1C为HA-Mn1涂层的Mn2p3/2高分辨XPS图谱；图1D为HA-Mn2涂层的Mn2p3/2高分辨XPS图谱；图1E为HA-Mn3涂层的Mn2p3/2高分辨XPS图谱；
图2为HA、HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层的SEM照片；
图3中的A为对照组、HA、HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层分解H2O2后剩余H2O2的UV-Vis吸收光谱，B为对照组、HA、HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层与超氧阴离子反应后NBT溶液的UV-Vis吸收光谱；
图4为HA、HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层表面细胞内ROS的荧光强度；
图5中的A为无H2O2情况下HA、HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层表面细胞的增殖，B为有H2O2情况下HA、HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层表面细胞的增殖，C为 HA、HA-Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层表面细胞的增殖ALP活性，D为HA、HA- Mn1、HA-Mn2和HA-Mn3涂层表面细胞的增殖钙沉积量。
具体实施方式
通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在没有特殊说明的情况下，各百分含量指质量百分含量。
本发明公开了一种具有良好生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石-二氧化锰(HA-MnO2)复合涂层。所述复合涂层包括多孔结构的片层羟基磷灰石和覆盖于羟基磷灰石表面的二氧化锰颗粒。相比于HA涂层，本发明所得HA-MnO2复合涂层具有更优的ROS清除能力，并且能显著促进成骨细胞功能表达。上述复合涂层中Mn的含量为 0.1～20wt.％。优选为0.1～10wt.％。Mn含量过低，复合涂层的生物抗氧化功能不足。当Mn含量过高时，复合涂层的促氧化活性(在氧化应激环境中释放过量Mn2+以发生类芬顿反应并产生活性氧簇)高于生物抗氧化(CAT和SOD模拟活性)故不适用于生物抗氧化材料。
相比于V2O5、Fe3O4、Co3O4、ZrO2等氧化物，二氧化锰具有CAT模拟活性(过氧化氢酶模拟活性，可清除H2O2)和细胞相容性，能够用作活性氧簇的清除剂(清除代谢性疾病下过量的活性氧簇)。将羟基磷灰石与二氧化锰复合，可以同时发挥CAT酶和SOD酶(超氧化物歧化酶)这两种抗氧化酶的活性，并且能抑制过量Mn2+诱导的类芬顿反应活性，此反应会产生活性氧簇且抑制涂层的生物抗氧化性能。
所述复合涂层具有纳米片结构。一些实施方式中，所述纳米片的片层厚度为5～100nm。所述复合涂层还保留了羟基磷灰石的多孔结构。一些实施方式中，孔径为 0.1～20μm。本发明的复合涂层中多孔结构羟基磷灰石起到吸附剂的作用，可用来捕获复合涂层过量释放的Mn2+，并且形成的复合物能增强涂层的生物抗氧化功能(SOD模拟活性，清除O2·-)。
一些实施方式中，所述复合涂层同时具有二价锰离子、三价锰离子和四价锰离子这三种价态。例如，二价锰离子的摩尔百分比为20-30％，三价锰离子的摩尔百分比为 45-55％，四价锰离子的摩尔百分比为20-30％。作为优选，上述三种价态的锰离子的摩尔百分比之和为100％。
本发明所得HA-MnO2复合涂层具有良好的生物相容性和生物抗氧化性能，能有效降低成骨细胞的氧化应激损伤，并促进氧化应激环境下对前成骨细胞的保护和促成骨作用(骨组织的修复)。该涂层还可以提供较好的加工性能和力学性能。由此，所述 HA-MnO2复合涂层可作为潜在的生物医用材料尤其是骨植入涂层材料，以用于硬组织修复与替换生物材料的研究与开发。
以下示例性地说明本发明所述具有良好生物抗氧化和促成骨性能的HA-MnO2复合涂层的制备方法。采用电化学沉积-离子交换-低温退火三步法，在医用基材表面制备 HA-MnO2复合涂层。
使用包含CaCl2、K2HPO4、NaCl和HCl的混合溶液，通过电化学沉积在基材表面形成磷酸氢钙涂层。所述基材为常用的医用金属或医用合金材料，包括但不限于纯钛、钛合金、不锈钢或钴铬钼合金等。一些实施方式中，依次向去离子水中加入 CaCl2、K2HPO4、NaCl和HCl得到混合溶液，使用电化学工作站进行电化学沉积。混合溶液中，CaCl2的浓度为0.001～0.2mol/L，优选为0.01～0.1mol/L；K2HPO4的浓度为 0.001～0.2mol/L，优选为0.01～0.1mol/L；NaCl的浓度为0.01～1mol/L，优选为0.05～0.5 mol/L；HCl的浓度为0.005～0.1mol/L，优选为0.01～0.1mol/L。电化学沉积温度为 20～100℃，优选为40～60℃；沉积电压-0.8～-2V，优选为-1至-1.8V；沉积时间为15～60 min，优选为25～45min。
将电化学沉积的样品浸泡于NaOH水溶液中处理一段时间，将磷酸氢钙转变成为羟基磷灰石。NaOH水溶液的浓度为0.01～1mol/L，优选为0.1～0.5mol/L；处理温度为 20～100℃，优选为60～80℃；处理时间为0.5～24h，优选为2～8h。
离子交换，即将Mn2+与羟基磷灰石中的Ca2+交换。将氢氧化钠水溶液处理后的样品浸泡于MnCl2水溶液中处理一段时间，随后将样品浸泡于NaOH水溶液中处理一段时间。MnCl2浓度为0.001～0.1mol/L，优选为0.002～0.05mol/L；处理时间为0.1～12h，优选为0.15-3h。NaOH浓度为0.01～1mol/L，优选为0.1～0.5mol/L；处理时间为2～24 h，优选为5-15h。
低温退火。低温退火可将羟基磷灰石吸附的Mn2+转化成为MnO2，并且能提高羟磷灰石的结晶性能。将离子交换后所得样品退火得到HA-MnO2复合涂层。退火温度为 150～500℃，优选为200～400℃；退火时间为0.5～5h，优选为1～3h。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
A：电化学沉积-离子交换-低温退火三步法制备HA-MnO2复合涂层
(1)电化学沉积：依次向去离子水中加入CaCl2、K2HPO4、NaCl和HCl得到混合溶液，使用电化学工作站进行电化学沉积，随后将电化学沉积的样品浸泡于NaOH水溶液中处理一段时间。混合溶液中CaCl2的浓度为0.042mol/L，K2HPO4的浓度为0.025 mol/L，NaCl的浓度为0.1mol/L，HCl的浓度为0.024mol/L。电化学沉积温度为 50℃，沉积电压为-1.4V，沉积时间为35min。NaOH水溶液的浓度为0.2mol/L，处理温度为80℃，处理时间为5h。
(2)离子交换：将步骤(1)所得样品浸泡于MnCl2水溶液中处理一段时间。 MnCl2水溶液的浓度为0.005mol/L时，处理时间为10min或2h。MnCl2水溶液的浓度为0.02mol/L时，处理时间为2h。随后将样品浸泡于NaOH水溶液中处理一段时间。 NaOH水溶液的浓度为0.3mol/L，处理时间为12h。
(3)低温退火：将步骤(2)所得样品退火得到HA-MnO2复合涂层。退火温度为300℃，退火时间为2h。
将制备的三种HA-MnO2复合涂层分别标记为HA-Mn1(MnCl2浓度为0.005 mol/L，处理时间为10min)、HA-Mn2(MnCl2浓度为0.005mol/L，处理时间为2h) 和HA-Mn3(MnCl2浓度为0.02mol/L，处理时间为2h)。
省略步骤(2)，即将步骤(1)所得样品直接经过步骤(3)得到的涂层标记为 HA，此为不含MnO2的HA样品。
涂层制备结束后对样品进行物相分析。如图1A所示，HA和HA-MnO2涂层的主要物相为羟基磷灰石，Mn2+处理未明显影响涂层的结晶度。图1B为HA和HA-MnO2涂层的拉曼图谱，频率约为960cm-1和600cm-1的振动峰分别归属于PO4 3-和MnO2。四种涂层的Raman图谱均检测到了PO4 3-的信号，而HA-MnO2纳米涂层表面还检测到了 MnO2的振动峰。以上实验证实，MnO2主要以结晶度较低的颗粒存在于HA表面。该 MnO2为水钠锰矿型MnO2。结晶度较低的MnO2晶粒暴露的晶面更多，具有较高的酶模拟活性。
如图1C、图1D和图1E所示的XPS结果可知，复合涂层中MnO2的价态为 Mn2+、Mn3+和Mn4+。这样的混合价态可在MnO2晶粒中形成大量缺陷，增强MnO2的酶模拟活性。由图2所示的SEM扫描电镜图片可知，片层HA样品被表面光洁的晶粒均匀覆盖，且具有丰富的孔结构。HA涂层表面经MnO2沉积后，HA片层晶粒表面观察到 MnO2颗粒附着，涂层仍保留原有的多孔结构。随着MnCl2溶液处理时间延长或浓度增加，HA表面附着的颗粒数量逐渐增多。
表1 EDS测定的不同样品中元素的质量分数
EDS结果(表1)显示，三种HA-MnO2涂层中Mn含量呈现如下趋势：3.6％ (HA-Mn1)＜5.4％(HA-Mn2)＜6.7％(HA-Mn3)。
B：HA-MnO2复合涂层的类酶活性检测
CAT模拟活性：将HA或HA-MnO2样品浸泡于4mM的H2O2溶液中3h后，采用 UV-8000型紫外可见分光光度计(Metash，China)测试溶液的UV-Vis吸收光谱，测试范围为240-320nm。溶液的吸光度越小，样品的CAT模拟活性越高，越易消除H2O2。
SOD模拟活性：将HA或HA-MnO2样品浸泡在0.01mol/L的PBS溶液中，依次加入2mL的氯化硝基四氮唑蓝(Nitrotetrazolium blue chloride，NBT，80μM)、0.5mL 的黄嘌呤(Xanthine，400μM)和0.5mL的黄嘌呤氧化酶(Xanthine oxide，0.5 μM)，使用NaOH适当调节溶液pH至7.5-9，将溶液定容至4mL。NBT能与由黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶反应产生的超氧阴离子(O2·-)反应而显蓝色，在500-650nm范围内产生吸收峰(将NBT、黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶的混合溶液成为NBT反应液)。样品浸泡 25min后，测试上清液在400-800nm范围内的吸收光谱。溶液的吸光度越小，样品的 SOD模拟活性越高，越易消除O2·-。
如图3所示，对照组为不添加涂层样品时H2O2(图3中的A)和NBT反应液的吸光度。相比于HA涂层，HA-MnO2复合涂层显著降低了H2O2和NBT溶液的吸光度，说明复合涂层能分解H2O2，并降低NBT反应液中O2·-含量，表明MnO2能赋予 HA较好的CAT(清除H2O2)和SOD(清除O2·-)模拟活性。复合涂层在相同处理条件下的CAT模拟活性呈现如下趋势：HA-Mn1＜HA-Mn2＜HA-Mn3，CAT模拟活性与复合涂层中Mn含量成正相关性。复合涂层中CAT模拟活性依赖于MnO2的含量，其含量越高，CAT模拟活性(清除H2O2)越高。以及，复合涂层在相同处理条件下的SOD 模拟活性呈现的趋势为HA-Mn1＞HA-Mn2＞HA-Mn3，SOD模拟活性与复合涂层中Mn含量成反相关性。这是因为：在复合涂层的制备过程中，离子交换步骤将Mn2+与Ca2+交换，使得部分交换吸附的Mn2+与磷酸根形成了磷酸根-Mn2+的复合物，可发挥SOD 模拟活性(清除O2·-)；可是另外一部分交换吸附的Mn2+与氢氧根结合，并在退火后形成了MnO2。覆盖在片层羟基磷灰石表面的MnO2能阻碍磷酸根-Mn2+复合物与O2·-接触，这在一定程度上会降低涂层的SOD模拟活性；因此Mn含量越高，覆盖在羟基磷灰石表面的MnO2越多，复合涂层的SOD模拟活性越低。综上，本发明所述复合涂层的锰含量需要保持在一定的范围内优选为0.1～10wt.％。如此可以利用MnO2的抗氧化酶模拟活性(CAT模拟活性)和MnO2溶出Mn2+与羟基磷灰石形成的磷酸盐-Mn复合物的抗氧化酶模拟活性(SOD模拟活性)，清除系统性疾病下患者体内过量的活性氧簇，降低成骨细胞的氧化应激损伤，促进骨修复进程。
C：HA-MnO2涂层的生物抗氧化和促成骨性能检测
采用小鼠前成骨细胞MC3T3-E1进行相关实验。
(1)将MC3T3-E1细胞种植于灭菌的样品表面，部分孔加入0.15mM的H2O2。将培养24h后的样品在4wt.％的多聚甲醛溶液中固定20min，使用PBS漂洗2次。随后将样品放入孔板，加入含有Triton X-100的PBS破膜处理15min，使用BSA封闭液在37℃环境下处理1h。采用PBS清洗3次后，加入10μM的DCFH-DA(活性氧 ROS荧光探针)溶液，37℃孵育20min，使用PBS清洗样品3次，采用共聚焦激光扫描显微镜(Leica，Germany)对细胞内ROS进行观察和拍照，使用Image J软件对ROS 荧光强度进行统计分析。
(2)细胞增殖
采用蒸汽灭菌器(121℃，30min)对样品进行灭菌消毒，将各组无菌材料小心置于48孔细胞培养板中。取1mL细胞悬液(10000个细胞/mL)种植在样品表面，部分孔加入终浓度为0.15mM的H2O2。在37℃、5％CO2细胞培养箱中分别培养1、4和 7d后，弃去培养液。每孔分别加入1mL新鲜培养液和0.1mL CCK-8溶液。37℃、 5％CO2细胞培养箱中继续培养3h后，小心将各孔溶液吸出并加入96孔板中。利用酶标仪在450nm处测量各孔的OD值。
(3)细胞分化：碱性磷酸酶(ALP)定量检测
采用蒸汽灭菌器(121℃，30min)对样品进行灭菌消毒，将各组无菌材料小心置于48孔细胞培养板中。取1mL细胞悬液(50000个细胞/mL)种植在样品表面，部分孔加入终浓度为0.15mM的过氧化氢。在37℃、5％CO2细胞培养箱中分别培养7d 后，弃去培养液。每孔分别加入300μL 0.1％Triton X-100(PBS稀释)。用枪头反复吸取吹打样品表面后，将孔内液体和泡沫一起吸取至EP管内离心(10000转，5 min)。配制显色底物溶液和标准品工作液(0.5mM)，参考表2使用96孔板设置空白对照孔、标准品孔和样品孔。标准品的用量分别为4、8、16、24、32和40μL(x指的是标准品用量，可为4、8、16、24、32和40μL)。借助摇床(50rpm/min)混匀液体后，37℃孵育10min。每孔加入100μL终止液，利用酶标仪在405nm处测定吸光度。将总蛋白浓度归一化后，得到ALP定量结果。
表2空白对照孔、标准品孔和样品孔的设置参数
(4)钙沉积：茜素红染色定量检测
采用蒸汽灭菌器(121℃，30min)对样品进行灭菌消毒，将各组无菌材料小心置于48孔细胞培养板中。取1mL细胞悬液(50000个细胞/mL)种植在样品表面，部分孔加入终浓度为0.15mM的过氧化氢。在37℃、5％CO2细胞培养箱中分别培养14d 后，弃去培养液。每孔分别加入1mL 4wt.％多聚甲醛溶液，4℃孵育15min。弃去上清液，PBS洗涤3次后，每孔加入500μL茜素红染液，室温孵育20min。弃去上清液， PBS洗涤3次后，每孔加入500μL10wt.％的氯化十六烷基吡啶溶液，室温孵育15 min。利用酶标仪在590nm处测定OD值。
如图4所示，H2O2模拟的氧化应激环境显著提升了材料表面细胞内ROS含量。相比于HA，HA-MnO2复合涂层能降低氧化应激下细胞内ROS含量，其中HA-Mn2组的细胞内ROS含量仅为HA组的31％。复合涂层对细胞内ROS清除能力由强到弱依次为HA-Mn2＞HA-Mn3>HA-Mn1。相比于HA-Mn2，HA-Mn3的MnO2含量和CAT模拟活性较高，但HA-Mn3在氧化应激环境中会产生大量无法及时被羟基磷灰石清除的 Mn2+(表3)，这些Mn2+与H2O2发生类芬顿反应能产生活性氧簇(ROS)，降低HA- Mn3的生物抗氧化性能。然而，相比于HA对照组，HA-Mn3仍然具备一定的生物抗氧化性能。
表3H2O2模拟的氧化应激环境处理1天后复合涂层的Mn2+释放量
由纳米涂层表面细胞增殖结果(图5中的A)可知，HA-Mn2表面细胞在正常培养条件(无H2O2)下孵育4d和7d后的活性最高。在H2O2诱导的氧化应激环境下，相比于HA涂层，HA-MnO2复合涂层表面的细胞数量显著提高。其中，HA-Mn2组细胞在氧化应激环境下的增值约为HA组在氧化应激下增值的2.4倍，甚至与HA组细胞在正常培养环境下的增值相当(图5中的B)。由图5中的C和D的实验结果可知，HA- MnO2能促进其表面MC3T3-E1细胞中ALP分泌和钙沉积。相比于HA，HA-MnO2表面能提升氧化应激环境下细胞中ALP活性和钙沉积量。
综上可知，MnO2能赋予HA较好的生物抗氧化和促成骨性能。
Claims (10)
1.一种具有生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层，其特征在于，所述复合涂层包括多孔结构的片层羟基磷灰石和覆盖于羟基磷灰石表面的二氧化锰颗粒；所述复合涂层中锰的含量为0.1～20wt.%。
2.根据权利要求1所述的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层，其特征在于，所述复合涂层同时具有过氧化氢酶和超氧化物歧化酶这两种抗氧化酶的模拟活性。
3.根据权利要求1或2所述的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层，其特征在于，所述羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层的厚度为5～30 μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层，其特征在于，所述二氧化锰颗粒的厚度为1～200 nm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
（1）使用包含CaCl2、K2HPO4、NaCl和HCl的混合溶液，通过电化学沉积在基材表面形成磷酸氢钙涂层，并将完成电化学沉积后的基材浸泡于氢氧化钠水溶液中以将磷酸氢钙转变成为羟基磷灰石；
（2）将步骤（1）所得样品依次浸泡于氯化锰水溶液和氢氧化钠水溶液中以将锰离子与羟基磷灰石中的钙离子发生交换；
（3）将步骤（2）所得样品退火，退火温度为150~500 ℃，退火时间为0.5~5 h，得到所述具有生物抗氧化和促成骨性能的羟基磷灰石-二氧化锰复合涂层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，混合溶液的CaCl2浓度为0.001～0.2 mol/L，K2HPO4浓度为0.001～0.2 mol/L，NaCl浓度为0.01～1 mol/L，HCl浓度为0.005～0.1 mol/L。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，电化学沉积温度为30～100 ℃，沉积电压-0.8至-2 V，沉积时间为15～60 min。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，氢氧化钠水溶液的浓度为0.01～1 mol/L，处理温度为20～100 ℃，处理时间为0.5～24 h。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，氯化锰水溶液的浓度为0.001～0.1 mol/L，处理时间为0.1～12 h；氢氧化钠水溶液的浓度为0.01～1mol/L，处理时间为2～24 h。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的任一项所述的具有良好生物抗氧化和促成骨性能的HA-MnO2复合涂层在制备硬组织修复与替换生物材料中的应用。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB690134A (en) * | 1950-11-30 | 1953-04-15 | Reginald Scott Dean | Improvements in or relating to the preparation of new compounds containing manganese |
| DE19504386A1 (de) * | 1995-02-10 | 1996-08-22 | Univ Dresden Tech | Verfahren zur Herstellung einer gradierten Beschichtung aus Calciumphosphatphasen und Metalloxidphasen auf metallischen Implantaten |
| US20030099762A1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-05-29 | Zongtao Zhang | Coatings, coated articles and methods of manufacture thereof |
| US20160144070A1 (en) * | 2013-06-21 | 2016-05-26 | Stryker European Holdings I. Llc | Co-precipitation of a therapeutic agent into hydroxyapatite coatings |
| CN106581766A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-04-26 | 王淑芳 | 一种含纳米二氧化锰的胶原‑羟基磷灰石支架的制备方法 |
| CN107638591A (zh) * | 2016-07-20 | 2018-01-30 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种生物抗氧化性能良好的二氧化铈掺杂羟基磷灰石涂层及其应用 |
| CN110559477A (zh) * | 2018-11-01 | 2019-12-13 | 赵全明 | 一种医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层及其制备方法 |
| CN112062114A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-12-11 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种三价锰离子掺杂羟基磷灰石材料及其制备方法和应用 |
| CN112755246A (zh) * | 2019-11-04 | 2021-05-07 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种具有良好生物抗氧化功能的金属离子掺杂二氧化锰涂层及其制备方法和应用 |
| CN112807488A (zh) * | 2019-11-18 | 2021-05-18 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 具有促成骨分化功能的离子吸附型二氧化锰涂层及其制备方法与应用 |
-
2021
- 2021-06-09 CN CN202110643935.1A patent/CN115444981B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB690134A (en) * | 1950-11-30 | 1953-04-15 | Reginald Scott Dean | Improvements in or relating to the preparation of new compounds containing manganese |
| DE19504386A1 (de) * | 1995-02-10 | 1996-08-22 | Univ Dresden Tech | Verfahren zur Herstellung einer gradierten Beschichtung aus Calciumphosphatphasen und Metalloxidphasen auf metallischen Implantaten |
| US20030099762A1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-05-29 | Zongtao Zhang | Coatings, coated articles and methods of manufacture thereof |
| US20160144070A1 (en) * | 2013-06-21 | 2016-05-26 | Stryker European Holdings I. Llc | Co-precipitation of a therapeutic agent into hydroxyapatite coatings |
| CN107638591A (zh) * | 2016-07-20 | 2018-01-30 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种生物抗氧化性能良好的二氧化铈掺杂羟基磷灰石涂层及其应用 |
| CN106581766A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-04-26 | 王淑芳 | 一种含纳米二氧化锰的胶原‑羟基磷灰石支架的制备方法 |
| CN110559477A (zh) * | 2018-11-01 | 2019-12-13 | 赵全明 | 一种医用钛合金表面含锰羟基磷灰石/二氧化钛生物陶瓷涂层及其制备方法 |
| CN112755246A (zh) * | 2019-11-04 | 2021-05-07 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种具有良好生物抗氧化功能的金属离子掺杂二氧化锰涂层及其制备方法和应用 |
| CN112807488A (zh) * | 2019-11-18 | 2021-05-18 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 具有促成骨分化功能的离子吸附型二氧化锰涂层及其制备方法与应用 |
| CN112062114A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-12-11 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种三价锰离子掺杂羟基磷灰石材料及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| LI KAI, ET AL: "Zn-doped Mon2 nanocoating with enhanced catalase-mimetic activity and cytocompatibility protects preosteoblasts against h2o2-induced oxidative stress", 《COLLOIDS AND SURFACES B-BIOINTERFACES》, vol. 202 * |
| YONGHUANG, ET AL: "Characterisation, corrosion resistance and in vitro bioactivity of manganese-doped hydroxyapatite films electrodeposited on titanium", 《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE MATERIALS IN MEDICINE》, vol. 24, pages 1855 - 1856 * |
| 胡科军等: "羟基磷灰石涂层的钛-75合金种植体的犬骨内种植实验", 《第二军医大学学报》, pages 290 - 293 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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