基于緩釋鋅離子及仿細(xì)胞外基質(zhì)的高生物響應(yīng)性涂層制備和表征研究.pdf

1、在醫(yī)用金屬基體表面設(shè)計(jì)、制備具有高生物學(xué)響應(yīng)性的生物活性涂層是當(dāng)前生物材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。高生物響應(yīng)性涂層應(yīng)能從分子水平上調(diào)控生物材料與細(xì)胞間的相互作用，主動刺激成骨細(xì)胞活性，促進(jìn)骨組織生長和修復(fù)。本研究根據(jù)植入體/骨組織界面作用機(jī)理，針對植入早期移植體表面羥基磷灰石(HA)涂層生物響應(yīng)性不足、骨整合速率較慢以及涂層長期穩(wěn)定性較差等問題，在鈦金屬基體表面設(shè)計(jì)并制備高生物響應(yīng)性的生物活性涂層，達(dá)到加快植入體/骨組織整合速率的目的。

2、r>　　 含氟羥基磷灰石(FHA)與HA相比，具有相當(dāng)?shù)纳锘钚孕院透玫目谷芙庑浴１狙芯吭O(shè)計(jì)首先采用溶膠凝膠法在鈦金屬表面制備一層FHA薄涂層作為底層，保證涂層的長期穩(wěn)定性。然后，結(jié)合微量元素鋅促進(jìn)成骨的藥理學(xué)作用，構(gòu)建具有促進(jìn)移植體周圍骨組織早期生長的生物活性功能層：可緩釋鋅離子的FHA涂層。最后，采用電化學(xué)沉積的方法組裝磷酸鈣/膠原多孔復(fù)合層，該層與自然骨組織成分類似，具有仿細(xì)胞外基質(zhì)的作用，既有利于成骨細(xì)胞的粘附，又能作為生物

3、活性因子如骨形態(tài)蛋白的理想載體。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 (1)直接摻Zn的FHA(ZnFHA)涂層制備研究。采用Ca(NO3)2-P2O5-HPF6-C2H5OH-Zn(NO3)2體系作為先驅(qū)體溶液，制備ZnFHA涂層。XRD譜圖表明這種直接摻Zn的涂層為磷灰石相，Zn的摻入并沒有改變涂層的晶相，但是摻Zn后涂層結(jié)晶度下降。涂層表面形貌致密且平整，厚度大約為2μm。ZnFHA涂層與基體界面結(jié)合牢固，劃痕法測試結(jié)果顯示

4、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大約為480±13 mN。而且Zn的摻入對于涂層的結(jié)合強(qiáng)度并沒有產(chǎn)生影響。XPS分析結(jié)果顯示涂層表面Zn含量明顯高于涂層內(nèi)部20 nm處，即在涂層表面富集。Zn在ZnFHA涂層表面的富集以及涂層結(jié)晶度降低都有利于Zn離子的釋放。
　　 (2)ZnFHA涂層表征研究。通過體外(in vitro)檢測研究ZnFHA涂層的生物活性、Zn離子釋放行為及其細(xì)胞相容性。ZnFHA涂層在模擬體液(SBF)中能夠誘導(dǎo)磷灰石層

5、的沉積。在Tris緩沖溶液中浸泡初期，Zn離子濃度迅速增加，之后隨著浸泡過程的進(jìn)行無明顯變化。盡管ZnFHA涂層的Zn離子呈現(xiàn)早期快速釋放規(guī)律，由于涂層中Zn離子載入量低，溶液中的Zn離子濃度仍在安全范圍內(nèi)，并沒有產(chǎn)生細(xì)胞毒性。細(xì)胞體外相容性測試結(jié)果顯示，較純鈦金屬和FHA涂層，成骨樣細(xì)胞在ZnFHA涂層表面能更快的增殖和鋪展，表明ZnFHA涂層具有更好的生物相容性。
　　 (3)納米含Zn的β-TCP(ZnTCP)粉末制備和表

6、征研究。為了使涂層具有更好的Zn離子釋放能力，本研究采用納米ZnTCP粉末作為Zn離子載體，摻入到FHA涂層中。其納米ZnTCP粉末采用水溶液共沉積方法制備，先形成含Zn無定形磷酸鈣沉淀物為先驅(qū)體，然后在800℃下晶化可獲得納米含Zn的β-TCP(ZnTCP)粉末。XPS結(jié)果證明ZnTCP粉末中Zn離子進(jìn)入β-TCP晶格中。SEM和TEM結(jié)果顯示隨著水溶液中Zn離子濃度的增加，合成的ZnTCP粉末中Zn含量隨之增加，ZnTCP顆粒尺寸隨

7、之逐漸減小，尺寸范圍為200～500 nm。
　　 (4)摻納米ZnTCP顆粒的FHA(ZnTCP/FHA)涂層制備和表征研究。本研究設(shè)計(jì)兩種方式調(diào)節(jié)涂層中的Zn載入量，以期獲得最佳的Zn離子釋放行為：(系列1)將不同質(zhì)量的ZnTCP顆粒加入到涂膜液中，調(diào)節(jié)涂層中Zn的載入量；(系列2)在ZnTCP添加量相同且合適的條件下，通過改變ZnTCP中Zn含量，調(diào)節(jié)涂層中Zn的載入量。SEM結(jié)果顯示ZnTCP/FHA涂層表面形貌粗糙，由

8、FHA基質(zhì)及分散在其中的“島狀”的ZnTCP團(tuán)聚體構(gòu)成。系列2涂層樣品中表現(xiàn)出具有更均勻的表面形貌。Zn在兩種系列涂層中的分布并不均勻，只存在于“島狀”ZnTCP團(tuán)聚體中。系列2涂層的Zn離子釋放源于ZnTCP相的溶解，涂層樣品浸泡275小時后仍能釋放出Zn離子。因此，系列2涂層中的Zn離子釋放是一個緩慢而持續(xù)的過程。通過改變涂層中ZnTCP含量或ZnTCP粉末中Zn含量這兩種方式都可以調(diào)控涂層的Zn釋放行為。
　　 (5)Zn

9、TCP/FHA涂層生物學(xué)評價研究。對系列2涂層樣品進(jìn)行體外細(xì)胞檢測，結(jié)果表明可緩釋Zn離子的ZnTCP/FHA雙相復(fù)合涂層與不含Zn的TCP/FHA涂層或FHA涂層相比，能有效促進(jìn)成骨樣細(xì)胞的增殖和生長。涂膜液中ZnTCP(Zn含量6.1 wt％)添加量為67.21 mg/ml可獲得均勻的、缺陷少的、具有持續(xù)緩釋Zn離子能力的ZnTCP/FHA涂層(系列2)。選擇該樣品并植入兔子脛骨部位12周后組織切片顯示，純鈦合金被纖維組織包裹，F(xiàn)H

10、A涂層與骨組織形成不連續(xù)的整合界面，而可緩釋Zn離子的ZnTCP/FHA雙相復(fù)合涂層與骨組織形成完整的、連續(xù)的骨結(jié)合界面。四環(huán)素?zé)晒鈽?biāo)記圖片中清晰的雙標(biāo)線也表明植入體表面通過接觸成骨的方式形成新骨。動物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ZnTCP/FHA涂層具有良好的生物響應(yīng)性，能有效促進(jìn)早期骨生長及骨整合。
　　 (6)在鈦金屬表面電化學(xué)沉積磷酸鈣/膠原多孔仿細(xì)胞外基質(zhì)層研究。實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)處理改變鈦陰極表面氧化物層性質(zhì)，系統(tǒng)地研究了不同電化學(xué)參

11、數(shù)下獲得涂層的形貌。結(jié)果顯示在堿熱處理后具有多孔氧化物表面的鈦基體上能獲得不同礦化程度的、均勻的磷酸鈣/膠原多孔層。涂層中磷酸鈣晶相隨沉積條件的改變而變化，沉積電壓為3.0 V，電解質(zhì)溶液pH為3.6，離子濃度Ca2+：4.5 mM，PO43-：9 mM時，為OCP相；沉積電壓為3.0 V，電解質(zhì)溶液pH為3.6，離子濃度Ca2+：2.5 mM，PO43-：5 mM時，為無定型相。本研究還對電化學(xué)沉積磷酸鈣/膠原層機(jī)理進(jìn)行探討，認(rèn)為該復(fù)