專利名稱：SiC/TiO₂復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物支架，尤其涉及一種SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于交通意外、運動創(chuàng)傷、社會老齡化等問題的日益突出以及對高水平生活質(zhì)量的追求，人們對醫(yī)療器械以及生物醫(yī)用材料的需求與日俱增，目前臨床上廣泛使用的骨移植或殘損修復(fù)材料是鈦金屬或者鈦金屬合金。然而，根據(jù)近幾年的調(diào)查分析，在人造鈦骨骼表面的細(xì)胞往往不能很好地生長，這主要是因為對于鈦和鈦合金這樣的活潑金屬或合金，其耐蝕性依賴于表面存在的保護(hù)性氧化膜。一旦表面膜被破壞，將產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。從而導(dǎo)致植入假體周圍出現(xiàn)黑化現(xiàn)象，強(qiáng)烈抑制細(xì)胞生長。嚴(yán)重時還會引起生理危害，如組織毒化、細(xì)胞畸變等，危害到受體人群的身體健康。這些問題的存在促進(jìn)了一個新領(lǐng)域(生物相容性材料)的發(fā)展。目前人們利用水熱法，已經(jīng)成功地制備出TiO2納米纖維。生成的這種納米纖維具有耐腐蝕，利于細(xì)胞黏附、增殖，殺菌消毒等特點，但是其強(qiáng)度不夠。SiC又名金剛砂或耐火砂。SiC—般為6方晶體，比重為3.20-3.25，9.2-9.3的莫氏硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉，是一種硬度大、耐磨的材料。常溫常壓下SiC材料非常穩(wěn)定，一般不與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，高溫時也能抗氧化，SiC還具有優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，是一種生物相容性很強(qiáng)的物質(zhì)。理想的人造骨移植或者殘損修復(fù)生物支架材料至少必須具備以下性能:它必需在化學(xué)上具有生物相容性；它必需能提供一定的結(jié)構(gòu)完整性。從結(jié)構(gòu)仿生角度出發(fā)，研發(fā)性能優(yōu)異的生物支架材料已成為當(dāng)前生物材料前沿領(lǐng)域中的一大研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料及其制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料，鈦金屬基片上生長TiO2納米纖維，構(gòu)成網(wǎng)格狀微孔結(jié)構(gòu)，所述TiO2納米纖維的表面覆蓋有SiC鍍層。一種上述SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的制備方法，其特征在于:主要包括以下步驟:
(1)水熱法制備TiO2納米纖維:將鈦片放入丙酮中超聲清洗后放入干燥箱里烘干；然后將鈦片置于反應(yīng)釜里，并用2mol/L的NaOH溶液浸沒；將反應(yīng)釜放在電阻爐中用2200C _240°C的溫度加熱2-10個小時后自然降溫；取出鈦片，用蒸餾水沖洗，烘干，得到所需的表面長有TiO2納米纖維基片；
(2)磁控濺射制備SiC鍍層:將SiC靶材和步驟I制備的TiO2納米纖維基片置于多靶磁控濺射儀中，調(diào)節(jié)靶級距為3cm-4cm ;通入氬氣，工作壓強(qiáng)為0.6Pa_2.0Pa,功率為100W-150W，在以上條件下濺射15-120分鐘以制備SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料不僅有利于藥物或細(xì)胞生長因子的加載和控制釋放，而且能夠促進(jìn)新生骨的進(jìn)一步長入，實現(xiàn)骨移植和骨殘損修復(fù)的雙重功效?？梢詼p少患者身上植入假體醫(yī)療器材的更換次數(shù)，從而大大降低醫(yī)療成本，達(dá)到醫(yī)療器械普及與發(fā)展的目的。


圖1是本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料不同濺射時間的SEM圖；其中，A為TiO2納米纖維的SEM圖；B為本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料濺射15min的SEM圖；C為本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料濺射30min的SEM圖；D為本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料濺射45min的SEM圖；E為本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料濺射60min的SEM圖；F為本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料濺射120min的SEM 圖2是本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的EDX圖譜；
圖3是本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的XRD圖譜；
圖4是本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的TEM圖與電子衍射 圖5是本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的HRTEM 圖6是本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的細(xì)胞培養(yǎng)的熒光顯微鏡 圖7是本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的MTT直方圖。
具體實施例方式
本發(fā)明SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的制備方法，包括以下步驟:
(I)水熱法制備TiO2納米纖維:
將鈦片放入丙酮中超聲清洗8-10分鐘，然后放入干燥箱里烘干。將鈦片傾斜放入清洗過的反應(yīng)釜里，并用2moI/L的NaOH溶液浸沒。將反應(yīng)釜放在電阻爐中用220°C _240°C的溫度加熱2-10個小時，自然降溫。取出鈦片，用蒸餾水沖洗，烘干，得到所需的表面長有TiO2納米纖維基片。采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡在IOkV高壓下對TiO2納米纖維形貌進(jìn)行觀察分析。由圖1A可見，由水熱法制備的TiO2納米纖維其網(wǎng)孔在5-50 ym之間，形狀規(guī)則且分布均勻。2.磁控濺射制備SiC鍍層:
將SiC靶材和TiO2納米纖維基片置于KCCK-1II多靶磁控濺射儀中，調(diào)節(jié)靶級距為3cm-4cm (以控制正常濺射速率，而不浪費);通入氬氣，工作壓強(qiáng)為0.6Pa_2.0Pa之間(以保證啟輝);功率為100W-150W(以保證可以濺射出大小均勻的靶分子，但不會燒壞靶材)。在以上條件下濺射15分鐘-120分鐘以制備SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料。采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡在IOkV高壓下對SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料形貌進(jìn)行觀察分析。圖1B-F分別代表濺射時間15min、30min、45min、60min、120min后的該生物支架材料的SEM圖?？梢奡iC鍍層對基片表面進(jìn)行的修飾與覆蓋，并在TiO2納米纖維表面生長出SiC納米棒，隨著濺射時間增長，所生長出的SiC納米棒明顯變粗，但納米纖維的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)基本沒有改變。由細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果可知，濺射30min-45min時的SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料最具生物相容性。下面結(jié)合附圖2-7進(jìn)行材料的表征與分析。1、用EDX檢測基片元素組成:采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡附配的X射線能譜(EDX)在15kV高壓下對SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料所含有的元素進(jìn)行分析。由圖2可見，此生物支架材料含有鈉、鈦、碳、硅、氧等元素，且含有的碳元素與硅元素比例接近1:1，接近SiC晶體中Si和C的比例。2、XRD分析鍍層結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成:圖3可見SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的XRD圖譜，其中三條能譜分別對應(yīng)磁控濺射鍍層0min、30min、60min的圖譜，隨著濺射時間的增力口，SiC的標(biāo)準(zhǔn)峰逐漸顯現(xiàn),其中包括[111]、[200]等晶面上SiC的標(biāo)準(zhǔn)峰。3.TEM觀測鍍層微觀結(jié)構(gòu)，電子衍射分析鍍層成分:采用JEM2100F透射電子顯微鏡(TEM)在200kV高壓下對SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料SiC鍍層的形貌進(jìn)行觀察。由圖4可見，該生物支架材料中SiC鍍層緊密連接在TiO2納米纖維上且成直徑在0.5 μ m-1.0ym之間的棒狀結(jié)構(gòu)。電子衍射圖可分析出該生物支架材料所含有SiC晶體和TiO2晶體。4.HRTEM觀測鍍層超微結(jié)構(gòu)，通過晶格間距分析鍍層成分:采用JEM 2100F中高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)在200 kV高壓下對SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料中SiC鍍層進(jìn)行觀察。由圖5可見，SiC鍍層的晶格條紋間距0.25 nm，對應(yīng)的是其[111]晶面。5.熒光顯微鏡觀察細(xì)胞生長:采用美國1X71 Olympus倒置熒光顯微鏡在綠光(激發(fā)波長460-550 nm)下對MG63細(xì)胞在此生物支架材料上的生長形貌進(jìn)行觀察分析。具體方法如下:將此生物支架材料，置于無菌培養(yǎng)板之中，加入體積分?jǐn)?shù)為75%酒精溶液消毒處理30min，PBS緩沖液(pH7.4)充分浸泡lh，中間每隔15分鐘進(jìn)行換液，以保證交換出所有殘留酒精，然后置于紫外燈下照射1.5h，自然風(fēng)干，滅菌后的生物支架材料用DMEM培養(yǎng)液(5%胎牛血清，100 U/mL青霉素和100 Pg/mL鏈霉素)浸泡24h，移入24孔無菌培養(yǎng)板。取500μ 的MG63細(xì)胞懸液(1.0父105個/1^)接種于含生物支架的培養(yǎng)板中，在37 ° C、飽和濕度、體積分?jǐn)?shù)5%的CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2h后,將長方形試樣翻轉(zhuǎn)，向另一側(cè)接種相同濃度的細(xì)胞懸液500μ ，繼續(xù)培養(yǎng)2h。然后每孔加入ImL的DMEM培養(yǎng)液，培養(yǎng)板置于37 ° C、飽和濕度、體積分?jǐn)?shù)5% CO2培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，次日換液，以后隔天換培養(yǎng)液一次，共培養(yǎng)7天。圖4為在濺射時間為30min的SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料細(xì)胞培養(yǎng)的熒光顯微鏡圖。圖6中A、B、C、D分別為MG63細(xì)胞在此支架材料上培養(yǎng)1、3、5、7天MG63細(xì)胞的生長狀態(tài)圖。在起始階段，細(xì)胞附著于該生物支架材料表面(相應(yīng)于MG63細(xì)胞培養(yǎng)I天的情況)，隨著時間的推移，細(xì)胞在樣品表面黏附的位置逐漸遠(yuǎn)離該生物支架材料，像孔洞中心附著。這說明了本生物支架材料具有促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖的作用。6.MTT檢測細(xì)胞的生物相容性:采用美國Bio-RAD Model680酶標(biāo)儀對樣品進(jìn)行標(biāo)定，計算其MTT值。具體方法如下:用無血清的DMEM細(xì)胞培養(yǎng)液沖洗該生物支架，以去除未貼壁的細(xì)胞，并將細(xì)胞/支架材料復(fù)合物移入新的無菌培養(yǎng)板中。每孔加入ImL血清的培養(yǎng)液和500μ 的MTT貯存液(5 mg/mL),37 ° C培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)4h，在此過程中有紫色物質(zhì)在支架上形成，小心吸取培養(yǎng)液，加入500μ 的DMS0，并不斷振蕩，使紫色沉淀全部溶解，取200 μ 溶解液轉(zhuǎn)入24孔板中，酶標(biāo)儀測定其在570nm處的光密度值(OD)。以純DMEM培養(yǎng)液(即無生物支架材料)培養(yǎng)時的OD是570nm時為基準(zhǔn)，計算細(xì)胞增殖能力，每次均做4個平行實驗試樣，取其平均值。圖7為細(xì)胞培養(yǎng)實驗研究生物支架分別在細(xì)胞接種培養(yǎng)1、3、5、7天的MTT比色法測定直方圖。其中，白色代表TiO2納米纖維生物支架材料，灰色代表濺射30min的SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料。與二者對比說明，MG63細(xì)胞在SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料具有良好的粘附、增殖能力。

基于結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生的原理，我們將SiC這種具有高度生物相容性的鍍層材料制備在具有空間網(wǎng)狀多孔、高比表面積的TiO2納米纖維結(jié)構(gòu)過渡層的表面，使之具有優(yōu)異的生物相容性與骨誘導(dǎo)特性。能夠促進(jìn)骨組織細(xì)胞在納米纖維生物仿生支架材料上的定向粘附、再生和分化，達(dá)到結(jié)構(gòu)仿生的目的。這項技術(shù)能為臨床應(yīng)用提供實驗參考，其發(fā)展與推廣將會減少患者身上植入假體器材的更換次數(shù)，從而大大降低醫(yī)療成本，對醫(yī)療事業(yè)的普及與發(fā)展有重大意義。
權(quán)利要求
1.一種SiC修飾的TiO2納米纖維生物支架材料，其特征在于:鈦金屬基片上生長TiO2納米纖維，構(gòu)成網(wǎng)格狀微孔結(jié)構(gòu)，所述TiO2納米纖維的表面覆蓋有SiC鍍層。
2.—種權(quán)利要求1所述SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料的制備方法，其特征在于:主要包括以下步驟: (1)水熱法制備TiO2納米纖維:將鈦片放入丙酮中超聲清洗后放入干燥箱里烘干；然后將鈦片置于反應(yīng)釜里，并用2mol/L的NaOH溶液浸沒；將反應(yīng)釜放在電阻爐中用2200C _240°C的溫度加熱2-10個小時后自然降溫；取出鈦片，用蒸餾水沖洗，烘干，得到所需的表面長有TiO2納米纖維基片； (2)磁控濺射制備SiC鍍層:將SiC靶材和步驟I制備的TiO2納米纖維基片置于多靶磁控濺射儀中，調(diào)節(jié)靶級距為3cm-4cm ;通入氬氣，工作壓強(qiáng)為0.6Pa_2.0Pa,功率為100W-150W，在以上條 件下濺射15-120分鐘以制備SiC/Ti02復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種SiC/TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)生物支架材料及其制備方法，該材料是在鈦金屬基片上生長TiO2納米纖維，構(gòu)成網(wǎng)格狀微孔結(jié)構(gòu)，然后在TiO2納米纖維的表面覆蓋SiC鍍層；本發(fā)明從生物相容性材料出發(fā)，探索在材料表面大面積修飾SiC生物相容性鍍層的新途徑。在微觀水平上模擬組織生長環(huán)境，在鈦骨骼表面制備平行排列的可容納細(xì)胞的納米纖維網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)是良好的材料/細(xì)胞的過渡層。過渡層被SiC修飾后，更加促進(jìn)了其細(xì)胞黏附、增殖功能，可用于骨骼結(jié)構(gòu)的再生和重建。
文檔編號A61L27/30GK103143061SQ20121053530
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者董文鈞, 陳旭, 黃歡娣 申請人:浙江理工大學(xué)