CN1451367A - 诱导成骨生物活性人工牙根种植体材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物活性人工牙根种植体，具体是指诱导成骨生物活性梯度涂层人工牙根种植体材料及其制备方法。它采用了全自动净能量控制的等离子喷涂技术，在生物相容性优良的金属基体表面制备出成分和结构连续梯度变化的生物活性涂层，涂层的成分及其质量百分含量范围为羟基磷灰石纳米粉体30～80％、生物活性玻璃纳米粉体5～20％、氧化铝纳米粉体5～20％以及氧化钛纳米粉体10～40％。在梯度涂层表面组装有骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子或转化生长因子β。本发明所制备的人工牙根种植体不但具有良好的诱导成骨功能和生物活性，而且人工牙根种植体材料的涂层与金属基体结合强度高，满足临床应用要求。
Description
技术领域
本发明涉及生物活性人工牙根种植体，具体是指诱导成骨生物活性梯度涂层人工牙根种植体材料及其制备方法。
背景技术
由于各种原因造成的牙部分缺失或全部缺失直接影响了人们的身体健康和美观，现代人工牙种植技术使失牙再植成为可能。人工种植牙可恢复缺失天然恒牙的全部功能及类似天然恒牙的状态，使大量用传统方法无法修复的牙缺失患者得到根本治疗。目前临床应用最广泛的牙根种植体是由金属纯钛或钛合金制成，这类种植体具有良好的生物相容性以及优良的力学性能和加工性能，但是由于金属牙种植体属于生物惰性材料，牙床和人工牙根不能形成生物结合，易于感染、松动，远期疗效差。羟基磷灰石涂层人工牙种植体材料具有良好的生物活性和生物相容性，然而羟基磷灰石涂层与金属基体的结合强度低，在应力作用及生物液体的侵蚀作用下，涂层容易脱落、溶解及侵蚀，造成种植体生物活性降低，使用寿命缩短，甚至感染。中国专利ZL97119791.1“生物活性梯度涂层人工关节的制备方法”公开了一种在金属基体表面生物活性梯度涂层材料的制备方法，有效的提高涂层与金属基体间的结合强度，改善了人工牙的功能和使用状态。但是，该类材料仍然存在一些未能解决的技术问题，主要是材料本身不具有诱导成骨功能，当材料植入生物体后，需要较长的时间才能与生物体形成稳定的生物结合。因此存在早期固定时间长有可能引起种植体周围组织感染，生物活性降低等问题。
发明内容
本发明的目的是针对目前人工牙根种植体材料存在的问题，提供一种诱导成骨的生物活性梯度涂层人工牙根种植体材料及其制备方法，从而使种植体材料短期内与人体组织产生生物结合，并且形成一个整体，解决牙根种植体材料的早期固定问题和远期疗效问题。
本发明的目的可以通过以下措施实现：
一种诱导成骨生物活性人工牙根种植体材料，其特征在于：
(1)结构上从致密至多孔、成分上从生物稳定性至生物活性呈连续梯度变化的生物活性梯度涂层，其涂层厚度为80～100μm、表面涂层的孔隙率为20～30％；
(2)梯度涂层的成分及其质量百分含量为羟基磷灰石纳米粉体30～80％、生物活性玻璃纳米粉体5～20％、氧化铝纳米粉体5～20％以及氧化钛纳米粉体10～40％；
(3)梯度涂层表面组装有骨形态发生蛋白或/和碱性成纤维细胞生长因子或/和转化生长因子β。
一种诱导成骨生物活性人工牙根种植体材料的制备方法，包括采用全自动净能量控制的等离子喷涂技术，在生物相容性优良的金属基体表面制备生物活性梯度涂层，其特征在于生物活性涂层的成分和结构均呈连续梯度变化，且生物活性涂层表面组装有生物活性因子，具体步骤如下：
步骤一、生物活性梯度涂层的制备
(1)梯度涂层的成分及其质量百分含量调整范围如下：
羟基磷灰石纳米粉体 30～80％
生物活性玻璃纳米粉体 5～20％
氧化铝纳米粉体 5～20％
氧化钛纳米粉体 10～40％
以金属假体为基底，由里向外涂层成分呈梯度分布的规律为：
羟基磷灰石纳米粉体 30～80％呈逐步递增
生物活性玻璃纳米粉体 20～5％呈逐步递减
氧化铝纳米粉体 20～5％呈逐步递减
氧化钛纳米粉体 40～10％呈逐步递减
(2)上述纳米粉体的粒径范围均为30～80nm，并需进行常规表面活化处理；
(3)根据上述梯度涂层材料的配方和要求，精确控制各种纳米粉体的输送量和等离子喷涂工艺参数，梯度涂层厚度为80～100μm、表面涂层的孔隙率为20～30％；等离子喷涂工艺参数如下：主气：Argon70～90scfh，次气：Hydrogen5～10scfh，喷涂电流：400～600A，喷涂电压：40～60V，喷涂距离：100～150mm；
步骤二、组装生物活性因子
(1)将骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子或转化生长因子β中的一种或二种或三种生物活性因子溶于溶剂，使相应的溶液中含有生物活性因子的浓度为：骨形态发生蛋白0～500μg/L，碱性成纤维细胞生长因子0～10μg/L，或转化生长因子β0～50μg/L；当三种生物活性因子即骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、转化生长因子β同时溶于溶剂，使溶液中生物活性因子的浓度范围如下：骨形态发生蛋白100～500μg/L，碱性成纤维细胞生长因子2～10μg/L，转化生长因子β10～50μg/L。
(2)将含有生物活性因子溶液置于30～37℃的恒温箱中低速振荡5～10分钟后，把步骤一所制备的生物活性梯度涂层材料浸入该溶液中，保持2～8小时，然后取出真空抽吸冷冻干燥，选用环氧乙烷熏蒸消毒3～5小时，得到具有诱导成骨功能的生物活性人工牙根种植体材料。。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、生物活性梯度涂层表面的多孔结构(表面涂层的孔隙率为20～30％)和生物活性成分有利于植入体与骨组织间形成骨性结合，同时可作为各种生物因子、活体细胞的载体与支架。
2、生物活性梯度涂层表面组装有生物活性因子，具有诱导成骨功能和生物活性，可在短时间内与牙床组织产生生物结合、组织与细胞反应，促进材料参与人体组织的新陈代谢，患者恢复快。
3、生物活性梯度涂层具有结构上从致密至多孔、成分上从生物稳定至生物活性的双梯度涂层特征。涂层底层的致密结构和生物稳定性成分明显提高了生物活性涂层与金属基体的结合强度以及牙种植体在人体生理环境中抗体液溶解能力，同时有利于阻止体液对金属基体的腐蚀，解决了牙根种植体材料所面临的远期疗效问题。
4、本发明所制备的诱导成骨生物活性人工牙根种植体材料具有良好的诱导成骨功能、生物活性和生物相容性，种植体短时间内可与牙床形成牢固的生物结合，并长期稳定存在，满足临床应用要求。
具体实施方式
实施例1
选用金属纯钛加工出一批狗的牙根作为基体材料，采用Praxair4550等离子喷涂设备制备生物活性梯度涂层。然后利用生物组装技术将骨形态发生蛋白组装在梯度涂层表面，使材料具有诱导成骨功能和良好的生物活性。其具体制备过程如下：
第一步、生物活性梯度涂层的制备
将粒径范围在30～80nm的羟基磷灰石、生物活性玻璃、氧化铝以及氧化钛粉体分别进行常规表面活化处理，以满足等离子喷涂工艺要求。生物活性梯度涂层的成分上从生物稳定性至生物活性呈连续梯度变化。即以金属假体为基底，由里向外涂层的成分及其质量百分含量变化规律如下：
羟基磷灰石纳米粉体 40％～80％依次逐步递增；
生物活性玻璃纳米粉体 15％～5％依次逐步递减；
氧化铝纳米粉体 20％～5％依次逐步递减；
氧化钛纳米粉体 25％～10％依次逐步递减。
生物活性梯度涂层制备过程中，采用全自动净能量控制的等离子喷涂技术，根据上述梯度涂层的组分要求，精确控制各种纳米粉体的输送量和等离子喷涂工艺参数。梯度涂层厚度为约100μm、表面涂层的孔隙率为30％。等离子喷涂工艺参数如下：主气：Argon70scfh；次气：Hydrogen5scfh；喷涂电流：400A；喷涂电压：40V；喷涂距离：150mm。
第二步、组装生物活性因子
(1)配置含有生物活性因子的溶液
a、将450μg骨形态发生蛋白用0.2g/dL盐酸胍溶液溶解后，用水透析除去盐酸胍，振动摇匀配置成浓度为300μg/L的骨形态发生蛋白混悬液1.5L；
b、将12μg碱性成纤维细胞生长因子溶于去离子水后，振动摇匀配置成浓度为8μg/L的碱性成纤维细胞生长因子混悬液1.5L；
c、将45μg转化生长因子β溶于去离子水后，振动摇匀配置成浓度为30μg/L的转化生长因子β混悬液1.5L。
(2)将上述a或b或c混悬液置于37℃的恒温箱中低速振荡5分钟后，把步骤一所制备的生物活性梯度涂层材料浸入混悬液，并在37℃下，恒温2小时，取出真空抽吸冷冻干燥；
第三步、将上述步骤所制备的人工牙根种植体材料用环氧乙烷熏蒸消毒3小时后备用。
实施例2
选用金属Ti6Al7Nb加工出一批狗的牙根作为基体材料，采用Praxair4550等离子喷涂设备制备生物活性梯度涂层。然后利用生物组装技术将骨形态发生蛋白、转化生长因子β组装在梯度涂层表面，使材料具有诱导成骨功能和良好的生物活性。其具体制备过程如下：
第一步、生物活性梯度涂层的制备
将粒径范围在30～80nm的羟基磷灰石、生物活性玻璃、氧化铝以及氧化钛粉体分别进行常规表面活化处理，以满足等离子喷涂工艺要求。生物活性梯度涂层的成分上从生物稳定性至生物活性的连续梯度变化。即以金属假体为基底，由里向外涂层的成分及其质量百分含量度变化规律如下：
羟基磷灰石纳米粉体 30％～65％依次逐步递增
生物活性玻璃纳米粉体 20％～10％依次逐步递减
氧化铝纳米粉体 10％～5％依次逐步递减
氧化钛纳米粉体 40％～20％依次逐步递减
生物活性梯度涂层制备过程中，采用全自动净能量控制的等离子喷涂技术，根据上述梯度涂层的组分要求，精确控制各种纳米粉体的输送量和等离子喷涂工艺参数。梯度涂层厚度为约80μm、表面涂层的孔隙率为20％。等离子喷涂工艺参数如下：主气：Argon90scfh；次气：Hydrogen10scfh；喷涂电流：600A；喷涂电压：55V；喷涂距离：100mm。
第二步、组装生物活性因子
(1)将150μg骨形态发生蛋白、30μg转化生长因子β加0.1mol/L磷酸缓冲盐溶液振动摇匀，配置成骨形态发生蛋白浓度100μg/L、转化生长因子β浓度20μg/L的混悬液1.5L。
(2)将上述混悬液置于30℃的恒温箱中低速振荡8分钟后，把步骤一所制备的生物活性梯度涂层材料浸入混悬液，并在37℃下，恒温5小时后，取出真空抽吸冷冻干燥；
第三步、将步骤所制备的人工牙根种植体材料用环氧乙烷熏蒸消毒3小时后备用。
实施例3
选用金属纯钛加工出一批狗的牙根作为基体材料，采用Praxair4550等离子喷涂设备制备生物活性梯度涂层。然后利用生物组装技术将骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、转化生长因子β组装在梯度涂层表面，使材料具有诱导成骨功能和良好的生物活性。其具体制备过程如下：
第一步、生物活性梯度涂层的制备
将粒径范围在30～80nm的羟基磷灰石、生物活性玻璃、氧化铝以及氧化钛粉体分别进行常规表面活化处理，以满足等离子喷涂工艺要求。生物活性梯度涂层的成分上从生物稳定性至生物活性的连续梯度变化。即以金属假体为基底，由里向外涂层的成分及其质量百分含量变化规律如下：
羟基磷灰石纳米粉体 35％～70％依次逐步递增
生物活性玻璃纳米粉体 20％～15％依次逐步递减
氧化铝纳米粉体 15％～5％依次逐步递减
氧化钛纳米粉体 30％～10％依次逐步递减
生物活性梯度涂层制备过程中，采用全自动净能量控制的等离子喷涂技术，根据上述梯度涂层的组分要求，精确控制各种纳米粉体的输送量和等离子喷涂工艺参数。梯度涂层厚度为约90μm、表面涂层的孔隙率为25％。等离子喷涂工艺参数如下：主气：Argon82scfh；次气：Hydrogen8scfh；喷涂电流：480A；喷涂电压：50V；喷涂距离：120mm。
第二步、组装生物活性因子
(1)将750骨形态发生蛋白、75μg转化生长因子β加0.1mol/L磷酸缓冲盐溶液振动摇匀，然后再加入15μg碱性成纤维细胞生长因子配置成骨形态发生蛋白浓度500μg/L、转化生长因子β浓度50μg/L、碱性成纤维细胞生长因子浓度10μg/L的混悬液1.5L。
(2)将上述混悬液置于30℃的恒温箱中低速振荡10分钟后，把步骤一所制备的生物活性梯度涂层材料浸入，并在37℃下，恒温8小时后，取出真空抽吸冷冻干燥；
第三步、将步骤所制备的人工牙根种植体材料用环氧乙烷熏蒸消毒5小时后备用。
实施例4
选用金属Ti6Al7Nb加工出一批狗的牙根作为基体材料，采用Praxair4550等离子喷涂设备制备生物活性梯度涂层。然后利用生物组装技术将转化生长因子β，碱性成纤维细胞生长因子组装在梯度涂层表面，使材料具有诱导成骨功能和良好的生物活性。其具体制备过程如下：
第一步、生物活性梯度涂层的制备
将粒径范围在30～80nm的羟基磷灰石、生物活性玻璃、氧化铝以及氧化钛粉体分别进行常规表面活化处理，以满足等离子喷涂工艺要求。生物活性梯度涂层的成分上从生物稳定性至生物活性的连续梯度变化。即以金属假体为基底，由里向外涂层的成分及其质量百分含量梯度变化规律如下：
羟基磷灰石纳米粉体 30％～60％依次逐步递增
生物活性玻璃纳米粉体 20％～12％依次逐步递减
氧化铝纳米粉体 15％～8％依次逐步递减
氧化钛纳米粉体 35％～20％依次逐步递减
生物活性梯度涂层制备过程中，采用全自动净能量控制的等离子喷涂技术，根据上述梯度涂层的组分要求，精确控制各种纳米粉体的输送量和等离子喷涂工艺参数。梯度涂层厚度为约78μm、表面涂层的孔隙率为22％。等离子喷涂工艺参数如下：主气：Argon85scfh；次气：Hydrogen10scfh；喷涂电流：580A；喷涂电压：60V；喷涂距离：110mm。
第二步、组装生物活性因子
(1)将15μg转化生长因子β、3μg碱性成纤维细胞生长因子加去离子水溶液振动摇匀，配置成转化生长因子β浓度10μg/L、碱性成纤维细胞生长因浓度2μg/L的混悬液1.5L。
(2)将上述混悬液置于30℃的恒温箱中低速振荡6分钟后，把步骤一所制备的生物活性梯度涂层材料浸入，并在37℃下，恒温3小时后，取出真空抽吸冷冻干燥；
第三步、将步骤所制备的人工牙根种植体材料用环氧乙烷熏蒸消毒3小时后备用。
Claims (4)
1、一种诱导成骨生物活性人工牙根种植体材料，其特征在于：
(1)结构上从致密至多孔、成分上从生物稳定性至生物活性呈连续梯度变化的生物活性梯度涂层，其涂层厚度为80～100μm、表面涂层的孔隙率为20～30％；
(2)梯度涂层的成分及其质量百分含量为羟基磷灰石纳米粉体30～80％、生物活性玻璃纳米粉体5～20％、氧化铝纳米粉体5～20％以及氧化钛纳米粉体10～40％；
(3)在梯度涂层表面组装有骨形态发生蛋白或/和碱性成纤维细胞生长因子或/和转化生长因子β。
2、一种诱导成骨生物活性人工牙根种植体材料的制备方法，包括采用全自动净能量控制的等离子喷涂技术，在生物相容性优良的金属基体表面制备生物活性涂层，其特征在于生物活性涂层的成分和结构均呈连续梯度变化，且生物活性涂层表面组装有生物活性因子，具体步骤如下：
步骤一、生物活性梯度涂层的制备
(1)梯度涂层的成分及其质量百分含量调整范围如下：
羟基磷灰石纳米粉体 30～80％，
生物活性玻璃纳米粉体 5～20％，
氧化铝纳米粉体 5～20％，
氧化钛纳米粉体 10～40％；
(2)上述纳米粉体的粒径范围均为30～80nm，并需进行常规表面活化处理；
(3)根据上述梯度涂层材料的配方和要求，精确控制各种纳米粉体的输送量和等离子喷涂工艺参数，梯度涂层厚度为80～100μm、表面涂层的孔隙率为20～30％；等离子喷涂工艺参数如下：主气：Argon70～90scfh，次气：Hydrogen5～10scfh，喷涂电流：400～600A，喷涂电压：30～60V，喷涂距离：100～150mm；
步骤二、组装生物活性因子
(1)将骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、转化生长因子β中的一种或二种或三种生物活性因子溶于溶剂，使相应的溶液中生物活性因子的浓度范围如下：骨形态发生蛋白0～500μg/L，碱性成纤维细胞生长因子0～10μg/L，转化生长因子β0～50μg/L；
(2)将含有生物活性因子溶液置于30～37℃的恒温箱中低速振荡5～10分钟后，把步骤一所制备的生物活性梯度涂层材料浸入该溶液中，保持2～8小时，然后取出真空抽吸冷冻干燥、消毒，得到具有诱导成骨功能的生物活性人工牙根种植体材料。
3、根据权利要求2所述的一种诱导成骨生物活性人工牙根种植体材料的制备方法，其特征在于以金属假体为基底，由里向外涂层成分呈梯度分布的规律为：
羟基磷灰石纳米粉体 30～80％呈逐步递增；
生物活性玻璃纳米粉体 20～5％呈逐步递减；
氧化铝纳米粉体 20～5％呈逐步递减；
氧化钛纳米粉体 40～10％呈逐步递减。
4、根据权利要求2所述的一种诱导成骨生物活性人工牙根种植体材料的制备方法，其特征在于当三种生物活性因子即骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、转化生长因子β同时溶于溶剂，使溶液中生物活性因子的浓度范围如下：骨形态发生蛋白100～500μg/L，碱性成纤维细胞生长因子2～10μg/L，转化生长因子β10～50μg/L。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20041229 Termination date: 20100228 |