專利名稱：SiC/TiO₂復合結構生物支架材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種生物支架，尤其涉及一種SiC/Ti02復合結構生物支架材料及其制備方法。
背景技術：
由于交通意外、運動創傷、社會老齡化等問題的日益突出以及對高水平生活質量的追求，人們對醫療器械以及生物醫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材料是鈦金屬或者鈦金屬合金。然而，根據近幾年的調查分析，在人造鈦骨骼表面的細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性氧化膜。一旦表面膜被破壞，將產生嚴重的腐蝕。從而導致植入假體周圍出現黑化現象，強烈抑制細胞生長。嚴重時還會引起生理危害，如組織毒化、細胞畸變等，危害到受體人群的身體健康。這些問題的存在促進了一個新領域(生物相容性材料)的發展。目前人們利用水熱法，已經成功地制備出TiO2納米纖維。生成的這種納米纖維具有耐腐蝕，利于細胞黏附、增殖，殺菌消毒等特點，但是其強度不夠。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，機械強度高于剛玉，是一種硬度大、耐磨的材料。常溫常壓下SiC材料非常穩定，一般不與其它物質發生化學反應，高溫時也能抗氧化，SiC還具有優良的導熱和導電性能，是一種生物相容性很強的物質。理想的人造骨移植或者殘損修復生物支架材料至少必須具備以下性能:它必需在化學上具有生物相容性；它必需能提供一定的結構完整性。從結構仿生角度出發，研發性能優異的生物支架材料已成為當前生物材料前沿領域中的一大研究熱點。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種SiC/Ti02復合結構生物支架材料及其制備方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種SiC/Ti02復合結構生物支架材料，鈦金屬基片上生長TiO2納米纖維，構成網格狀微孔結構，所述TiO2納米纖維的表面覆蓋有SiC鍍層。一種上述SiC/Ti02復合結構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釜里，并用2mol/L的NaOH溶液浸沒；將反應釜放在電阻爐中用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，調節靶級距為3cm-4cm ;通入氬氣，工作壓強為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復合結構生物支架材料。與現有技術相比，本發明的有益效果是，本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料不僅有利于藥物或細胞生長因子的加載和控制釋放，而且能夠促進新生骨的進一步長入，實現骨移植和骨殘損修復的雙重功效。可以減少患者身上植入假體醫療器材的更換次數，從而大大降低醫療成本，達到醫療器械普及與發展的目的。


圖1是本發明SiC/Ti02復合結構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為本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料濺射15min的SEM圖；C為本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料濺射30min的SEM圖；D為本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料濺射45min的SEM圖；E為本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料濺射60min的SEM圖；F為本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料濺射120min的SEM 圖2是本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料的EDX圖譜；
圖3是本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料的XRD圖譜；
圖4是本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料的TEM圖與電子衍射 圖5是本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料的HRTEM 圖6是本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料的細胞培養的熒光顯微鏡 圖7是本發明SiC/Ti02復合結構生物支架材料的MTT直方圖。
具體實施例方式
本發明SiC/Ti02復合結構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釜里，并用2moI/L的NaOH溶液浸沒。將反應釜放在電阻爐中用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納米纖維形貌進行觀察分析。由圖1A可見，由水熱法制備的TiO2納米纖維其網孔在5-50 ym之間，形狀規則且分布均勻。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，調節靶級距為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復合結構生物支架材料。采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡在IOkV高壓下對SiC/Ti02復合結構生物支架材料形貌進行觀察分析。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。可見SiC鍍層對基片表面進行的修飾與覆蓋，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，但納米纖維的網孔結構基本沒有改變。由細胞培養結果可知，濺射30min-45min時的SiC/Ti02復合結構生物支架材料最具生物相容性。下面結合附圖2-7進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復合結構生物支架材料所含有的元素進行分析。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分析鍍層結構及物質組成:圖3可見SiC/Ti02復合結構生物支架材料的XRD圖譜，其中三條能譜分別對應磁控濺射鍍層0min、30min、60min的圖譜，隨著濺射時間的增力口，SiC的標準峰逐漸顯現,其中包括[111]、[200]等晶面上SiC的標準峰。3.TEM觀測鍍層微觀結構，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復合結構生物支架材料SiC鍍層的形貌進行觀察。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之間的棒狀結構。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觀測鍍層超微結構，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復合結構生物支架材料中SiC鍍層進行觀察。由圖5可見，SiC鍍層的晶格條紋間距0.25 nm，對應的是其[111]晶面。5.熒光顯微鏡觀察細胞生長:采用美國1X71 Olympus倒置熒光顯微鏡在綠光(激發波長460-550 nm)下對MG63細胞在此生物支架材料上的生長形貌進行觀察分析。具體方法如下:將此生物支架材料，置于無菌培養板之中，加入體積分數為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，自然風干，滅菌后的生物支架材料用DMEM培養液(5%胎牛血清，100 U/mL青霉素和100 Pg/mL鏈霉素)浸泡24h，移入24孔無菌培養板。取500μ 的MG63細胞懸液(1.0父105個/1^)接種于含生物支架的培養板中，在37 ° C、飽和濕度、體積分數5%的CO2培養箱中培養2h后,將長方形試樣翻轉，向另一側接種相同濃度的細胞懸液500μ ，繼續培養2h。然后每孔加入ImL的DMEM培養液，培養板置于37 ° C、飽和濕度、體積分數5% CO2培養箱內培養，次日換液，以后隔天換培養液一次，共培養7天。圖4為在濺射時間為30min的SiC/Ti02復合結構生物支架材料細胞培養的熒光顯微鏡圖。圖6中A、B、C、D分別為MG63細胞在此支架材料上培養1、3、5、7天MG63細胞的生長狀態圖。在起始階段，細胞附著于該生物支架材料表面(相應于MG63細胞培養I天的情況)，隨著時間的推移，細胞在樣品表面黏附的位置逐漸遠離該生物支架材料，像孔洞中心附著。這說明了本生物支架材料具有促進細胞黏附、增殖的作用。6.MTT檢測細胞的生物相容性:采用美國Bio-RAD Model680酶標儀對樣品進行標定，計算其MTT值。具體方法如下:用無血清的DMEM細胞培養液沖洗該生物支架，以去除未貼壁的細胞，并將細胞/支架材料復合物移入新的無菌培養板中。每孔加入ImL血清的培養液和500μ 的MTT貯存液(5 mg/mL),37 ° C培養箱中繼續培養4h，在此過程中有紫色物質在支架上形成，小心吸取培養液，加入500μ 的DMS0，并不斷振蕩，使紫色沉淀全部溶解，取200 μ 溶解液轉入24孔板中，酶標儀測定其在570nm處的光密度值(OD)。以純DMEM培養液(即無生物支架材料)培養時的OD是570nm時為基準，計算細胞增殖能力，每次均做4個平行實驗試樣，取其平均值。圖7為細胞培養實驗研究生物支架分別在細胞接種培養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復合結構生物支架材料。與二者對比說明，MG63細胞在SiC/Ti02復合結構生物支架材料具有良好的粘附、增殖能力。

基于結構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狀多孔、高比表面積的TiO2納米纖維結構過渡層的表面，使之具有優異的生物相容性與骨誘導特性。能夠促進骨組織細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，達到結構仿生的目的。這項技術能為臨床應用提供實驗參考，其發展與推廣將會減少患者身上植入假體器材的更換次數，從而大大降低醫療成本，對醫療事業的普及與發展有重大意義。
權利要求
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，構成網格狀微孔結構，所述TiO2納米纖維的表面覆蓋有SiC鍍層。
2.—種權利要求1所述SiC/Ti02復合結構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釜里，并用2mol/L的NaOH溶液浸沒；將反應釜放在電阻爐中用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，調節靶級距為3cm-4cm ;通入氬氣，工作壓強為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復合結構生物支架材料。
全文摘要
本發明公開一種SiC/TiO2復合結構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，構成網格狀微孔結構，然后在TiO2納米纖維的表面覆蓋SiC鍍層；本發明從生物相容性材料出發，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境，在鈦骨骼表面制備平行排列的可容納細胞的納米纖維網孔狀結構是良好的材料/細胞的過渡層。過渡層被SiC修飾后，更加促進了其細胞黏附、增殖功能，可用于骨骼結構的再生和重建。
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 優先權日2012年12月12日
發明者董文鈞, 陳旭, 黃歡娣 申請人:浙江理工大學