一種醫用金屬植入體表面改性涂層及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種醫用金屬植入體表面改性涂層及其制備方法，該涂層是在二氧化鈦納米棒組元陣列中嵌入介孔生物玻璃組元組裝成的微納結構改性層。二氧化鈦納米棒陣列具有上凸結構的特征，介孔生物玻璃具有介孔和微裂紋的下凹結構特征，其納米尺度的上凸和下凹結構可增加細胞偽足能感受到的空間維度，從而強化細胞對涂層的感知能力，利于細胞的粘附、增殖和分化等行為，具有高生物學響應性；介孔和微裂紋為生物因子/藥物的承載提供了有效的容納空間，增強了涂層可控釋放的功能。該涂層采用溶膠-凝膠法和旋涂法制備，工藝簡單，涂層兼具高生物學響應性、高效承載生長因子/抗生素等藥物及緩慢釋放功能，在骨整合領域擁有廣闊的應用前景。
【專利說明】ー種醫用金屬植入體表面改性涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及ー種醫用金屬植入體表面改性涂層及其制備方法，尤其是可控釋生物因子/藥物的高生物學響應性涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002]骨整合是指植入體與骨組織之間呈現的無纖維結締組織界面層的直接接觸。醫用金屬材料由于強度高、韌性好、抗疲勞性能和加工性能優異，已廣泛用于承受或傳遞負載的骨植入體。
[0003]加強細胞和植入體表面之間的相互作用是促進骨整合的重要途徑。細胞的響應行為主要依靠其偽足實現，相比平面，適當粗糙度的微納結構能起到與細胞偽足多維度作用的效果。由納米結構單元組合營造出的適當微納結構可提高細胞對其感知程度，為細胞的粘附、遷移提供更多的接觸位點，促進細胞増殖、分化等生物學響應，誘導骨形成，加速骨整
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[0004]ニ氧化鈦具有良好的生物相容性和無毒性，其納米棒陣列又可為生命機體提供更多的接觸位點，因此，ニ氧化鈦納米棒陣列在促進骨生長方面表現出更高的潛力(Hydrothermal growth of rutile TiO2 nanorods films on titanium substrates, ThinSolid Film.Volume 519，Issue 15，31 May 2011，P.4634-4640)。
[0005]介孔生物玻璃具有良好的生物活性，將其嵌入表面改性層可營造出適當的粗糙度，促進細胞的粘附、増殖、分化等行為；且介孔納米結構具有高的比表面積和孔容，提高對藥物(如抗菌藥物)的容納能 力和實現控釋藥物的功能，可為高生物學響應性提供抗菌微環
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[0006]在醫用金屬植入體表面將介孔生物玻璃組元嵌入到ニ氧化鈦納米棒組元陣列中，可控地組裝出由納米棒的上凸結構、介孔和微裂紋的下凹結構所組成的適當微納結構，其納米尺度的上凸和下凹結構增加了細胞偽足能感受到的空間維度，從而強化細胞對涂層的感知能力，利于細胞的粘附、増殖和分化等行為，擁有高生物學響應性；介孔生物玻璃所具有的高比表面積和孔容的介孔納米結構，及制備過程中由于ニ氧化鈦納米棒穿出介孔生物玻璃層和熱處理過程形成的微裂紋結構為生物因子/藥物的承載提供了有效的容納空間，增強了涂層可控釋放的效能。該表面改性層在骨整合的速度加快和質量提高等方面具有不容忽視的意義。

【發明內容】

[0007]本發明的目的在于提供一種エ藝簡單，兼具高生物學響應性和藥物有效緩釋性能的醫用金屬植入體表面改性涂層及其制備方法。
[0008]本發明的醫用金屬植入體表面改性涂層是在ニ氧化鈦納米棒組元陣列中嵌入介孔生物玻璃組元組裝成的微納結構改性層，ニ氧化鈦納米棒陣列具有上凸結構的特征，其ニ氧化鈦納米棒的直徑為50 nm，凸出高度為50 nm-500 nm，凸出密度為20/y m_2-45 /μm2 ;介孔生物玻璃具有介孔和微裂紋的下凹結構特征，其介孔平均孔徑為5.8 nm，下凹深度為100 nm~550 nm ;微裂紋長度為50 nm~350 nm,下凹深度為20 nm~150 nm。
[0009]醫用金屬植入體表面改性涂層的制備方法，包括以下步驟:
1)清潔生長有二氧化鈦納米棒陣列的基板，其二氧化鈦納米棒的直徑為50nm，高度為200 nm ~600 nm,密度為 45 / μ m 2 ；
2)將平均分子量為5800的模板劑P123完全溶解于無水乙醇中，加入濃度為1.0 mol/L的鹽酸，再依次加入正硅酸乙酯、四水合硝酸鈣、磷酸三乙酯和鈦酸四正丁酷，使得物質的量的比為 P123:C2H50H:HC1:
Si02:Ca0:P205:TB0T=0.01:20:0.001:0.8:0.15:0.05:0.5，充分攪拌 20 小時~24 小時，再陳化24小吋~72小時，得到介孔生物玻璃溶膠。
[0010]3)將步驟2)配制的介孔生物玻璃溶膠旋涂在步驟1)清潔好的基板上，陳化24小吋~72小時后置于馬弗爐內，以1で/min~10
で/min的升溫速率升溫至400で~550で，保溫60 min~300 min，隨爐冷卻至室溫，得到嵌介孔生物玻璃的二氧化鈦納米棒陣列涂層。
[0011]上述的基板可以為鉭金屬基板、鈮金屬基板或鋯金屬基板。
[0012]二氧化鈦納米棒陣列可以采用CN101973582A公開的方法制備，初始二氧化鈦納米棒的直徑為50 nm，高度為200 nm~600 nm，密度為45 / μ m2 ;當嵌入介孔生物玻璃得到微納結構改性層后，二氧化鈦納米棒的直徑仍為50 nm，凸出高度為50 nm~500 nm，凸出密度為 20/ μ m_2~45 / μ m_2 ;
本發明配制介孔生物玻璃溶膠時，無水乙醇作為溶劑，在旋涂時其易揮發，使溶膠快速形成凝膠。P123作為形成介孔的模板劑。鹽酸作為催化劑、穩定劑。
[0013]本發明制備過程中二氧化鈦納米棒的凸出高度、凸出密度可通過調節介孔生物玻璃的嵌入程度來控制，介孔生物玻璃層的厚度可通過改變溶膠的物質的量的比、旋轉速度來調控。涂層中微裂紋的尺寸和密度可通過調節熱處理過程的升溫速率來控制。熱處理過程采用緩慢的升溫速率可有效防止因膜層開裂、介孔結構坍塌等降低涂層穩定性的行為發生。
[0014]本發明采用溶膠-凝膠法和旋涂法組裝出嵌介孔生物玻璃的二氧化鈦納米棒陣列涂層，該涂層在納米尺度的上凸和下凹結構可増加細胞偽足能感受到的空間維度，從而強化細胞對涂層的感知能力，利于細胞的粘附、増殖和分化等行為，擁有高生物學響應性；且介孔生物玻璃所具有的高比表面積和孔容的介孔納米結構，及制備過程中由于二氧化鈦納米棒穿出介孔生物玻璃層和熱處理過程形成的微裂紋結構，均可改善涂層對藥物的緩釋行為。通過本發明的方法，有望組裝出兼具高生物學響應性和高效承載生長因子、抗生素等藥物，并緩慢釋放功能的醫用金屬植入體表面改性層，エ藝簡單、所需儀器普遍、制備成本低，在骨整合領域具有廣闊的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是二氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層50 nm-200 nm涂層的表面微觀形貌圖；
圖2是二氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層50 nm~200 nm涂層的截面掃描電鏡圖；圖3是ニ氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層200 nm -350 nm涂層的表面微觀形貌圖； 圖4是ニ氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層200 nm -350 nm涂層的截面掃描電鏡圖； 圖5是ニ氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層350 nm-500 nm涂層的表面微觀形貌圖； 圖6是ニ氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層350 nm-500 nm涂層的截面掃描電鏡圖； 圖7是典型形貌涂層上成骨細胞培養不同時間后的MTS表征圖； 圖8是載鹽酸萬古霉素典型形貌涂層的釋藥曲線圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結合具體實例來說明本發明。
[0017]實施例1
將生長有ニ氧化鈦納米棒陣列的鉭金屬基板(規格1X1 cm2)，分別用丙酮、去離子水、無水二醇清洗三次，自然干燥，放好待用。配制介孔生物玻璃溶膠:稱量2.0 g平均分子量為5800的模板劑P123溶于90 mL無水二醇，攪拌至其完全溶解，依次加入40 ii L鹽酸(濃度為 1.0 mol/L)、6.85 mL 正硅酸二酯(TE0S)、1.35 g 四水合硝酸鈣(Ca(NO3)2.440),655UL磷酸三二酯(TEP)和6.65 mL鈦酸四正丁酯(TB0T)，每加ー種物質，均需間隔30 min,充分攪拌24小吋，靜置陳化24小時，得到介孔生物玻璃溶膠。將清潔好的基板置于旋涂儀上，用移液槍移取20 ii L配制好的溶膠，開啟旋涂儀，當轉速達到7000 rpm后在基板中心滴下溶膠，勻膠40 S。靜置一段時間后，把試樣放在盛有過飽和氯化鈉溶液的干燥器皿中，保持恒溫恒濕，陳化24小吋。把試樣放入坩堝中，置于馬弗爐內，以1℃/min的升溫速率，緩慢升溫至500℃后保溫300 min，隨爐冷卻至室溫，最終得到表面形貌如圖1所示的ニ氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層50 nnT200 nm涂層，該涂層的截面掃描電鏡圖見圖2。
[0018]在本例制備的試樣表面涂層、ニ氧化鈦納米棒薄膜和純鉭金屬基板上培養成骨細胞I天和5天后的MTS表征結果見圖7。
[0019]配置濃度為4 mg/mL的鹽酸萬古霉素溶液，用移液槍移取鹽酸萬古霉素溶液50UL滴加到本例制備的試樣表面涂層和ニ氧化鈦納米棒薄膜中，自然干燥。載藥涂層的鹽酸萬古霉素釋放曲線如圖8所示。
[0020]實施例2
將生長有ニ氧化鈦納米棒陣列的鉭金屬基板(規格1X1 cm2)，分別用丙酮、去離子水、無水二醇清洗三次，自然干燥，放好待用。配制介孔生物玻璃溶膠:稱量2.0 g平均分子量為5800的模板劑P123溶于90 mL無水二醇，攪拌至其完全溶解，依次加入40 ii L鹽酸(濃度為 1.0 mol/L)、6.85 mL 正硅酸二酯(TE0S)、1.35 g 四水合硝酸鈣(Ca(NO3)2.440),655UL磷酸三二酯(TEP)和6.65 mL鈦酸四正丁酯(TB0T)，每加ー種物質，均需間隔30 min,充分攪拌20小吋。將上述所得溶膠用移液槍移出40 mL，加入10 mL無水二醇稀釋其濃度，攪拌4小時后靜置陳化24小時，得到介孔生物玻璃溶膠。將清潔好的基板置于旋涂儀上，用移液槍移取20 UL配制好的溶膠，開啟旋涂儀，當轉速達到7000 rpm后在基板中心滴下溶膠，勻膠40 S。靜置一段時間后，把試樣放在盛有過飽和氯化鈉溶液的干燥器皿中，保持恒溫恒濕，陳化24小吋。把試樣放入坩堝中，置于馬弗爐內，以Iで/min的升溫速率，緩慢升溫至500℃后保溫300 min，隨爐冷卻至室溫，最終得到表面形貌如圖3所示的ニ氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層200 nnT350 nm涂層，該涂層的截面掃描電鏡圖見圖4。
[0021]在本例制備的試樣表面涂層、ニ氧化鈦納米棒薄膜和純鉭金屬基板上培養成骨細胞1天和5天后的MTS表征結果見圖7。
[0022]配置濃度為4 mg/mL的鹽酸萬古霉素溶液,用移液槍移取鹽酸萬古霉素溶液50μL滴加到本例制備的試樣表面涂層和ニ氧化鈦納米棒薄膜中，自然干燥。載藥涂層的鹽酸萬古霉素釋放曲線如圖8所示。
[0023]實施例3
將生長有ニ氧化鈦納米棒陣列的鉭金屬基板(規格1X1 cm2)，分別用丙酮、去離子水、無水こ醇清洗三次，自然干燥，放好待用。配制介孔生物玻璃溶膠:稱量2.0 g平均分子量為5800的模板劑P123溶于90 mL無水こ醇，攪拌至其完全溶解，依次加入40 μ L鹽酸(濃度為 1.0 mol/L)、6.85 mL 正硅酸こ酯(TE0S)、1.35 g 四水合硝酸鈣(Ca(Ν03)2.4Η20)、655yL磷酸三こ酯(ΤΕΡ)和6.65 mL鈦酸四正丁酯(ΤΒ0Τ)，每加ー種物質，均需間隔30 min,充分攪拌20小吋。將上述所得溶膠用移液槍移出30 mL，加入20 mL無水こ醇稀釋其濃度，攪拌4小時后靜置陳化24小時，得到介孔生物玻璃溶膠。將清潔好的基板置于旋涂儀上，用移液槍移取20 μ L配制好的溶膠，開啟旋涂儀，當轉速達到7000 rpm后在基板中心滴下溶膠，勻膠40 s。靜置一段時間后，把試樣放在盛有過飽和氯化鈉溶液的干燥器皿中，保持恒溫恒濕，陳化24小吋。把試樣放入坩堝中，置于馬弗爐內，以1で/min的升溫速率，緩慢升溫至500で后保溫300 min，隨爐冷卻至室溫，最終得到表面形貌如圖5所示的ニ氧化鈦納米棒凸出介孔生物玻璃層350 nnT500 nm涂層，該涂層的截面掃描電鏡圖見圖6。
[0024]在本例制備的試樣表面涂層、ニ氧化鈦納米棒薄膜和純鉭金屬基板上培養成骨細胞1天和5天后的MTS表征結果見圖7。
[0025]配置濃度為4 mg/mL的鹽酸萬古霉素溶液,用移液槍移取鹽酸萬古霉素溶液50μL滴加到本例制備的試樣表面涂層和ニ氧化鈦納米棒薄膜中，自然干燥。載藥涂層的鹽酸萬古霉素釋放曲線如圖8所示。
【權利要求】
1.ー種醫用金屬植入體表面改性涂層，其特征在于該涂層是在二氧化鈦納米棒組元陣列中嵌入介孔生物玻璃組元組裝成的微納結構改性層，二氧化鈦納米棒陣列具有上凸結構的特征，其二氧化鈦納米棒的直徑為50 nm，凸出高度為50 nm~500 nm，凸出密度為20 /μπ，45 /μπ2 ;介孔生物玻璃具有介孔和微裂紋的下凹結構特征，其介孔平均孔徑為5.8 nm,下凹深度為100 nm~550 nm ;微裂紋長度為50 nm~350 nm,下凹深度為20 nm丄50 nm。
2.制備權利要求1所述的醫用金屬植入體表面改性涂層的方法，其特征包括以下步驟: 1)清潔生長有二氧化鈦納米棒陣列的基板，其二氧化鈦納米棒的直徑為50nm，高度為200 nm ~600 nm,密度為 45 / μ m 2 ； 2)將平均分子量為5800的模板劑P123完全溶解于無水こ醇中，加入濃度為1.0 mol/L的鹽酸，再依次加入正硅酸乙酯、四水合硝酸鈣、磷酸三こ酯和鈦酸四正丁酷，使得物質的量的比為P123:C2H50H:
HCl:Si02:Ca0:P205:TB0T=0.01:20:0.001:0.8:0.15:0.05:0.5，充分攪拌 20 小時~24小時，再陳化24小吋~72小時，得到介孔生物玻璃溶膠。 3)將步驟2)配制的介孔生物玻璃溶膠旋涂在步驟1)清潔好的基板上，陳化24小時~72小時后置于馬弗爐內，以1で/min~10 で/min的升溫速率升溫至400で~550で，保溫60 min~300 min，隨爐冷卻至室溫，得到嵌介孔生物玻璃的二氧化鈦納米棒陣列涂層。
3.根據權利要求2所述的醫用金屬植入體表面改性涂層的制備方法，其特征在于所述的基板為鉭金屬基板、鈮金屬基板或鋯金屬基板。
【文檔編號】A61L27/32GK103446625SQ201310318320
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月24日 優先權日:2013年7月24日
【發明者】翁文劍, 葛飛, 程逵, 林軍, 王慧明 申請人:浙江大學