專利名稱：晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法。
背景技術(shù)：
目前，在承重骨替代材料中，金屬材料占有重要的地位。在植入體材料與宿主環(huán)境 的反應(yīng)中，材料的表面起著非常重要的作用，控制植入體材料表面的結(jié)構(gòu)和特性可有效改 善材料的植入效果[1]。但傳統(tǒng)的金屬植入體表面處理多是采用物理或化學(xué)方法在金屬表面 制備具有良好生物相容性的涂層或薄膜，如生物玻璃涂層[2]、磷酸鈣涂層[3]、Ti02-HA復(fù)合 涂層[4_5]等。植入體內(nèi)一段時間后，雖然涂層與新骨的結(jié)合強(qiáng)度較高，但由于植入體表面涂 層常處于動態(tài)、沖擊的高剪切應(yīng)力環(huán)境中，使涂層易與金屬脫落，最終導(dǎo)致種植失效[6_7]。因 此，可以認(rèn)為解決金屬骨內(nèi)種植體與骨連接的問題主要從兩個方向出發(fā)一是繼續(xù)開發(fā)新 型涂層技術(shù)，提高涂層與金屬基體的粘結(jié)強(qiáng)度，保證植入后期的穩(wěn)定性；二是另辟蹊徑，引 導(dǎo)骨組織與金屬植入體表面的直接聯(lián)結(jié)，使骨細(xì)胞在金屬表面直接參與膠原纖維的生成和 礦化，獲得具微血管和生命活性的界面，該界面由于有膠原纖維的參與，將顯著提高界面的 抗沖擊強(qiáng)度和韌性，避免出現(xiàn)目前涂層整體脫落的情況。骨是一種堅固的結(jié)締組織，它的基質(zhì)由嵌在鈣鹽中的膠原蛋白纖維組成[8]，這種 結(jié)合賦予骨組織堅韌的特性，從材料學(xué)看，它是一種優(yōu)良的無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料。由于骨包 含活的細(xì)胞，它可以隨人體的生長而生長。欲引導(dǎo)骨組織與金屬植入體表面的直接骨整合， 應(yīng)該在金屬表面創(chuàng)造出適合細(xì)胞增殖及骨鈣化的條件。參考資料[1]劉宣勇，生物醫(yī)用鈦材料及其表面改性[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2009 44-120.[2]Balamurugan A, Balossier G, Michel J, Ferreira JMF. Electrochemical and structural evaluationof functionally graded bioglass-apatite composites electrophoretically deposited onto Ti6A14Valloy. Electrochimica Acta,2009, 54(4) :1192-1198.[3]Paital SR, Dahotre NB. Calcium phosphate coatings for bio-implant applications-Materials,performance factors,and methodologies. Materials Science and Engineering Reports, 2009,66(1-3) 1-70.[4]Lee JH, Kim HE, Koh YH. Highly porous titanium(Ti)scaffolds with bioactive microporoushydroxyapatite/Ti02hybrid coating layer. Materials Retters，2009，63(23) :1995_1998.[5]Un S, Durucan C. Preparation of Hydroxyapatite-Titania Hybrid Coatings on TitaniumAlloy. Journal of Biomedical Materials Research Part B-applied Biomaterials,2009,90B(2) :574_583.[6] Dal ton JE, Cook SD. In vivo mechanical and histological
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題提供一種引導(dǎo)骨組織與生物相容性鈦及合金直接實(shí) 現(xiàn)骨整合的方法，通過在表面活化過的金屬植入體表面誘導(dǎo)一定密度的晶核生成，賦予金 屬植入體良好的骨形成能力，使其能同骨組織形成良好的生物性結(jié)合，避免在金屬材料與 骨組織間存在脆性的涂層/基體界面。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表 面改性的方法，其特征在于包括有以下步驟1)選擇具有生物相容性的金屬材料作為基體，并對其基體表面進(jìn)行清洗和粗化處 理；2)對經(jīng)過步驟1)處理的基體再經(jīng)過表面活化處理；3)對經(jīng)過步驟2)處理的基體浸泡于仿生溶液中，水浴加熱，以在基體表面培養(yǎng)羥 基磷灰石晶核，其中通過控制水浴加熱溫度為37士0.5°C，浸泡時間Id 14d，控制溶液中 Ca離子和P離子濃度大于或等于正常體液中Ca離子和P離子的濃度來調(diào)節(jié)羥基磷灰石晶 核的密度和直徑，控制羥基磷灰石晶核間的統(tǒng)計平均間距小于細(xì)胞尺度，使其成為骨細(xì)胞 參與新骨礦化的貼附點(diǎn)。按上述方案，所述的具有生物相容性的金屬材料為鈦金屬或鈦合金。按上述方案，所述的表面活化處理為表面酸處理、表面堿處理或表面過氧化氫處理。按上述方案，所述的仿生溶液為鈣磷飽和溶液或模擬體液。按上述方案，所述的模擬體液按下述方法配制而成在37°C下，將NaCl 8. 0362g、 NaHC030 . 3 5 0 7g、KCl 0. 2244g、K2HP04 3H20 0. 2303g、MgCl2 6H20 0. 3112g 置于容器中，加 入去離子水?dāng)嚢瑁缓蠹尤?M的HC1溶液25mL，再依次加入CaCl20. 2896g、Na2S040 . 07 1 7g 和NH2 (CH20H) 6. 0692g充分溶解后用1M的HC1溶液調(diào)節(jié)pH = 7. 26，最后用1L容量瓶定量， 于5-10°C下保存即可。按上述方案，所述的1M的HC1溶液的配制方法是將8. 6-8. lmL分析純HC1溶入 100mL蒸餾水中。按上述方案，所述的羥基磷灰石晶核統(tǒng)計平均間距為1-30 ym。按上述方案，所述的羥基磷灰石晶核的直徑為1-10 ym。本發(fā)明的基本原理是本發(fā)明金屬或合金基體表面需預(yù)先進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻娲只?至進(jìn)行表面多孔化，可增大與骨的接觸面積；經(jīng)過表面活化處理，使金屬基體表層具有誘導(dǎo) 羥基磷灰石沉積的能力；通過適當(dāng)?shù)暮嘶に嚕刂屏u基磷灰石晶核的密度和晶核的直徑，
4使該核化的金屬基體表面成為有利于骨細(xì)胞貼附良好場所，進(jìn)而起到“拋磚引玉”，誘導(dǎo)骨 細(xì)胞直接貼附生長，實(shí)現(xiàn)材料與骨直接結(jié)合。骨的形成以成骨細(xì)胞為中心，而金屬基體材料 表面晶核修飾會給骨細(xì)胞創(chuàng)造一個良好的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境，更適合于骨細(xì)胞的黏附、增殖 以及分化。最終引導(dǎo)形成有膠原纖維、微血管和細(xì)胞參與的有彈性的材料表面骨整合。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點(diǎn)①本發(fā)明在金屬基體表面預(yù)制一定密度的生物活性錨點(diǎn)，從而引導(dǎo)骨細(xì)胞直接與 金屬基體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)骨整合；②采用在金屬基體表面誘導(dǎo)適當(dāng)密度的生物活性晶核，提高接近生物惰性材料的 表面生物活性，賦予其骨整合的能力，避免出現(xiàn)涂層和基體界面處產(chǎn)生的后期脫落，最終實(shí) 現(xiàn)骨組織與金屬基體表面直接性的生物結(jié)合，該結(jié)合的界面由于膠原纖維和微血管的參 與，成為“活的”界面，可大大提高骨整合界面的抗沖擊韌性，獲得永久植入；③通過對接近生物惰性的金屬基體進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚x予了其誘導(dǎo)羥基磷灰 石沉積的能力，金屬基體表面預(yù)先培養(yǎng)一定密度的晶核，該晶核(d:l-10i!m)無序分布于 材料金屬基體表面，且晶核的間距小于骨細(xì)胞的線度，該預(yù)活化的金屬基體表面在植入骨 內(nèi)后，骨細(xì)胞可以貼附于其表面生長，引導(dǎo)膠原纖維直接與金屬基體表面結(jié)合，膠原纖維的 礦化形成新骨，從而實(shí)現(xiàn)了直接骨整合。


圖1是晶核引導(dǎo)骨組織生長與金屬基體生物結(jié)合的示意圖；圖2鈦片表面羥基磷灰石晶核掃描電鏡照片；其中圖2(a)是低倍放大掃描電鏡圖 片；圖2(b)是圖2(a)中一個晶核的高倍放大掃描電鏡圖片；圖3不同羥基磷灰石晶核密度掃描電鏡照片，其中圖3 (a)是37士0. 5°C下，活化的 鈦金屬在模擬體液中浸泡3天的結(jié)果，圖3 (b)是同樣條件下浸泡6天的結(jié)果，可以看出，隨 著時間的延長，晶核長大且晶核間的間距縮小。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不僅僅局限于下面的實(shí)施例。晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，包括有以下步驟選擇生物相 容性好的金屬材料作為基體，如鈦金屬或鈦合金等，對其進(jìn)行表面清洗和粗化處理。骨植入 材料的表面粗糙度不僅與植入材料在體內(nèi)的力學(xué)穩(wěn)定性相關(guān)，而且顯著影響成骨細(xì)胞在其 上的黏附、增殖和分化等特性；再經(jīng)過表面活化處理，如表面酸處理、表面堿處理或表面過 氧化氫處理等，通過表面活化處理可有效提高鈦和鈦合金材料的生物活性、生物相容性和 骨傳導(dǎo)性能，賦予鈦和鈦合金植入體良好的骨形成能力以使其能同組織形成良好的生物結(jié)
口 o如圖1，活化過的鈦金屬和鈦合金材料通過核化工藝，在金屬材料的基體表面培養(yǎng) 出一定量的可誘導(dǎo)骨生長的晶核2，如將基體6浸泡于仿生溶液(鈣磷飽和溶液、模擬體液 等)中可培養(yǎng)羥基磷灰石晶核，通過控制浸泡時間(Id到14d不等)及溶液中離子濃度(Ca、 P離子濃度)來調(diào)節(jié)晶核的密度和晶核的直徑，并控制晶核的統(tǒng)計平均間距小于細(xì)胞尺度 1，使其成為骨細(xì)胞3參與新骨8礦化的貼附點(diǎn)，由于骨細(xì)胞的增殖，形成交織的骨膠原纖維
54，骨膠原纖維的礦化形成骨組織5，在骨組織5的形成過程中，有微血管7形成和骨組織5 長入，從而與活化的鈦金屬直接形成活的骨界面。實(shí)施例1將鈦金屬基片經(jīng)過如下核化工藝處理1.鈦金屬基片的處理①用不同粒度(200#、400#、1000#)的砂紙依次打磨鈦金屬基片；②將鈦金屬基片置于丙酮中連續(xù)超聲15min ；③再將經(jīng)過步驟②處理的鈦金屬基片在體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇溶液中連續(xù)超聲 15min ；④再將經(jīng)過步驟③處理的鈦金屬基片在蒸餾水中連續(xù)超聲15min ；⑤將經(jīng)過步驟④處理的鈦金屬基片放入lOmol/L NaOH溶液中，水浴加熱60°C，放 置 24h ；⑥用蒸餾水浸泡24h后，清洗3-5次(可輕輕振蕩)。2.配制模擬體液(SBF)在37 "C 下，將 NaCl (8. 0362g)、NaHC03(0. 3507g)、KC1 (0. 2244g)、 K2HP04 3H20(0. 2303g)、MgCl2 6H20(0. 3112g)依次加入去離子水中攪拌，然后加入1M的 HC1 溶液 25mL，再依次加入 CaCl2 (0. 2896g)、Na2S04 (0 . 07 1 7g)和 NH2(CH20H) (6. 0692g)充 分溶解后用1M的HC1溶液調(diào)節(jié)pH = 7. 26，最后用1L容量瓶定量，保存5_10°C。(該模擬 體液中Ca離子濃度為2. 5mmol/L, P離子濃度為1. Ommol/L，與血漿中鈣磷離子濃度相同， 1MHC1配制方法8. 6-8. lmL分析純HC1溶入100mL蒸餾水中)3.誘導(dǎo)晶核形成①將上述經(jīng)過清洗、粗化和表面活化處理過的鈦金屬基片放入上述配制好的模擬 體液中，37°C水浴加熱，每兩天換一次模擬體液，浸泡ld-14d ；控制溶液中Ca和P離子濃度 大于或等于正常體液中Ca和P離子的濃度；②取出泡好的鈦金屬基片，用去離子水清洗，然后在水浴鍋中37°C干燥24h。如圖2為經(jīng)過核化工藝處理過的鈦片表面掃描電鏡照片，鈦金屬基片上分布均勻 的1-10 ym大小晶核，晶核統(tǒng)計平均間距在l-30i!m之間不等。(注晶核統(tǒng)計平均間距是 任意兩個相鄰晶核間距的平均值)該預(yù)活化的金屬基體表面在植入骨內(nèi)后，骨細(xì)胞可以貼附于其表面生長，引導(dǎo)膠 原纖維直接與金屬基體表面結(jié)合，膠原纖維的礦化形成新骨，從而實(shí)現(xiàn)了直接骨整合。實(shí)施例2實(shí)施例2與實(shí)施例1其它操作步驟相同，區(qū)別是浸泡時間不同，浸泡時間分別為3 天和6天，如圖3所示，圖3 (a)和圖3 (b)分別為浸泡時間為3天和6天的磷灰石晶核密度 的掃描電鏡照片。通過實(shí)施例1-2可以看出，依據(jù)不同的處理工藝，可制備不同出不同羥基磷灰石 晶核密度的鈦片，如圖3所示，為不同羥基磷灰石晶核密度掃描電鏡照片，本發(fā)明可以通過 改變①水浴溫度；②浸泡時間；③模擬體液中鈣和磷離子濃度等調(diào)節(jié)羥基磷灰石晶核的密 度，最終制備出最適合于細(xì)胞黏附、增殖和分化的磷灰石晶核密度。
權(quán)利要求
晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，其特征在于包括有以下步驟1)選擇具有生物相容性的金屬材料作為基體，并對其基體表面進(jìn)行清洗和粗化處理；2)對經(jīng)過步驟1)處理的基體再經(jīng)過表面活化處理；3)對經(jīng)過步驟2)處理的基體浸泡于仿生溶液中，水浴加熱，以在基體表面培養(yǎng)羥基磷灰石晶核，其中通過控制水浴加熱溫度為37±0.5℃，浸泡時間1d～14d，控制溶液中Ca離子和P離子濃度大于或等于正常體液中Ca離子和P離子的濃度來調(diào)節(jié)羥基磷灰石晶核的密度和直徑，控制羥基磷灰石晶核間的統(tǒng)計平均間距小于細(xì)胞尺度，使其成為骨細(xì)胞參與新骨礦化的貼附點(diǎn)。
2.按權(quán)利要求1所述的晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，其特征在 于所述的具有生物相容性的金屬材料為鈦金屬或鈦合金。
3.按權(quán)利要求1或2所述的晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，其特征 在于所述的表面活化處理為表面酸處理、表面堿處理或表面過氧化氫處理。
4.按權(quán)利要求1或2所述的晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，其特征 在于所述的仿生溶液為鈣磷飽和溶液或模擬體液。
5.按權(quán)利要求4所述的晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，其特征在 于所述的模擬體液按下述方法配制而成在37°C下，將NaCl 8. 0362g、NaHC030. 3507g、 KC10. 2244g、K2HP04 3H20 0. 2303g、MgCl2 6H20 0. 3112g 置于容器中，加入去離子 水?dāng)嚢瑁缓蠹尤?M的HC1溶液25mL,再依次加入CaCl20. 2896g、Na2S040 . 07 1 7g和 NH2 (CH20H) 6. 0692g充分溶解后用1M的HC1溶液調(diào)節(jié)pH = 7. 26，最后用1L容量瓶定量，于 5-10°C下保存即可。
6.按權(quán)利要求5所述的晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，其特征在 于所述的1M的HC1溶液的配制方法是將8. 6-8. lmL分析純HC1溶入100mL蒸餾水中。
7.按權(quán)利要求1所述的晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，其特征在 于羥基磷灰石晶核統(tǒng)計平均間距為1-30 ym。
8.按權(quán)利要求1所述的晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，其特征在 于羥基磷灰石晶核的直徑為1-10 ym。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種晶核引導(dǎo)骨性結(jié)合的金屬植入體表面改性的方法，包括有以下步驟1)選擇具有生物相容性的金屬材料作為基體，并對其基體表面進(jìn)行清洗、粗化；2)表面活化處理；3)基體浸泡于仿生溶液中，水浴加熱，以在基體表面培養(yǎng)羥基磷灰石晶核，控制溶液中Ca離子和P離子濃度大于或等于正常體液中Ca離子和P離子的濃度來調(diào)節(jié)羥基磷灰石晶核的密度和直徑，控制羥基磷灰石晶核間的統(tǒng)計平均間距小于細(xì)胞尺度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點(diǎn)①本發(fā)明在金屬基體表面預(yù)制一定密度的生物活性錨點(diǎn)，從而引導(dǎo)骨細(xì)胞直接與金屬基體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)骨整合；②大大提高骨整合界面的抗沖擊韌性，獲得永久植入。
文檔編號A61L27/06GK101850131SQ20101016876
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者李世普, 王晶, 陳曉明 申請人:武漢理工大學(xué)