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1、(10)申请公布号 CN 103143061 A (43)申请公布日 2013.06.12 CN 103143061 A *CN103143061A* (21)申请号 201210535304.9 (22)申请日 2012.12.12 A61L 27/30(2006.01) C23C 14/35(2006.01) C23C 14/06(2006.01) (71)申请人 浙江理工大学 地址 310018 浙江省杭州市江干区经济技术 开发区白杨街道 2 号大街 5 号 (72)发明人 董文钧 陈旭 黄欢娣 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 周烽 (54) 发明。
2、名称 SiC/TiO2复合结构生物支架材料及其制备方 法 (57) 摘要 本发明公开一种SiC/TiO2复合结构生物支架 材料及其制备方法， 该材料是在钛金属基片上生 长 TiO2纳米纤维， 构成网格状微孔结构， 然后在 TiO2纳米纤维的表面覆盖 SiC 镀层 ； 本发明从生 物相容性材料出发， 探索在材料表面大面积修饰 SiC 生物相容性镀层的新途径。在微观水平上模 拟组织生长环境， 在钛骨骼表面制备平行排列的 可容纳细胞的纳米纤维网孔状结构是良好的材料 / 细胞的过渡层。过渡层被 SiC 修饰后， 更加促进 了其细胞黏附、 增殖功能， 可用于骨骼结构的再生 和重建。 (51)Int.Cl。
3、. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103143061 A CN 103143061 A *CN103143061A* 1/1 页 2 1. 一种 SiC 修饰的 TiO2纳米纤维生物支架材料， 其特征在于 ： 钛金属基片上生长 TiO2 纳米纤维， 构成网格状微孔结构， 所述 TiO2纳米纤维的表面覆盖有 SiC 镀层。 2. 一种权利要求 1 所述 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的制备方法， 其特征在于 ： 主 要包括以下步骤 ： （1）水热法。
4、制备 TiO2纳米纤维 ： 将钛片放入丙酮中超声清洗后放入干燥箱里烘干 ； 然后将钛片置于反应釜里， 并用 2mol/L 的 NaOH 溶液浸没 ； 将反应釜放在电阻炉中用 220 -240的温度加热 2-10 个小时后自然降温 ； 取出钛片， 用蒸馏水冲洗， 烘干， 得到所 需的表面长有 TiO2纳米纤维基片 ； （2）磁控溅射制备 SiC 镀层 ： 将 SiC 靶材和步骤 1 制备的 TiO2纳米纤维基片置于 多靶磁控溅射仪中， 调节靶级距为 3cm-4cm ； 通入氩气， 工作压强为 0.6Pa-2.0Pa， 功率为 100W-150W， 在以上条件下溅射 15-120 分钟以制备 Si。
5、C/TiO2复合结构生物支架材料。 权 利 要 求 书 CN 103143061 A 2 1/4 页 3 SiC/TiO2复合结构生物支架材料及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及一种生物支架， 尤其涉及一种 SiC/TiO2复合结构生物支架材料及其制 备方法。 背景技术 0002 由于交通意外、 运动创伤、 社会老龄化等问题的日益突出以及对高水平生活质量 的追求， 人们对医疗器械以及生物医用材料的需求与日俱增， 目前临床上广泛使用的骨移 植或残损修复材料是钛金属或者钛金属合金。 然而， 根据近几年的调查分析， 在人造钛骨骼 表面的细胞往往不能很好地生长， 这主要是因为对于钛和钛合金这样。
6、的活泼金属或合金， 其耐蚀性依赖于表面存在的保护性氧化膜。一旦表面膜被破坏， 将产生严重的腐蚀。从而 导致植入假体周围出现黑化现象， 强烈抑制细胞生长。 严重时还会引起生理危害， 如组织毒 化、 细胞畸变等， 危害到受体人群的身体健康。这些问题的存在促进了一个新领域 （生物相 容性材料） 的发展。 0003 目前人们利用水热法， 已经成功地制备出 TiO2纳米纤维。生成的这种纳米纤维具 有耐腐蚀， 利于细胞黏附、 增殖， 杀菌消毒等特点， 但是其强度不够。SiC 又名金刚砂或耐火 砂。SiC 一般为 6 方晶体， 比重为 3.20-3.25， 9.2-9.3 的莫氏硬度介于刚玉和金刚石之间 ,。
7、 机械强度高于刚玉， 是一种硬度大、 耐磨的材料。常温常压下 SiC 材料非常稳定， 一般不与 其它物质发生化学反应， 高温时也能抗氧化， SiC 还具有优良的导热和导电性能， 是一种生 物相容性很强的物质。 0004 理想的人造骨移植或者残损修复生物支架材料至少必须具备以下性能 ： 它必需在 化学上具有生物相容性 ； 它必需能提供一定的结构完整性。 从结构仿生角度出发， 研发性能 优异的生物支架材料已成为当前生物材料前沿领域中的一大研究热点。 发明内容 0005 本发明的目的在于针对现有技术的不足， 提供一种 SiC/TiO2复合结构生物支架材 料及其制备方法。 0006 本发明的目的是通过。
8、以下技术方案来实现的 ： 一种SiC/TiO2复合结构生物支架材 料， 钛金属基片上生长TiO2纳米纤维， 构成网格状微孔结构， 所述TiO2纳米纤维的表面覆盖 有 SiC 镀层。 0007 一种上述 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的制备方法， 其特征在于 ： 主要包括以 下步骤 ： （1）水热法制备 TiO2纳米纤维 ： 将钛片放入丙酮中超声清洗后放入干燥箱里烘干 ； 然后将钛片置于反应釜里， 并用 2mol/L 的 NaOH 溶液浸没 ； 将反应釜放在电阻炉中用 220 -240的温度加热 2-10 个小时后自然降温 ； 取出钛片， 用蒸馏水冲洗， 烘干， 得到所 需的表面长有 Ti。
9、O2纳米纤维基片 ； （2）磁控溅射制备 SiC 镀层 ： 将 SiC 靶材和步骤 1 制备的 TiO2纳米纤维基片置于 说 明 书 CN 103143061 A 3 2/4 页 4 多靶磁控溅射仪中， 调节靶级距为 3cm-4cm ； 通入氩气， 工作压强为 0.6Pa-2.0Pa， 功率为 100W-150W， 在以上条件下溅射 15-120 分钟以制备 SiC/TiO2复合结构生物支架材料。 0008 与现有技术相比， 本发明的有益效果是， 本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料 不仅有利于药物或细胞生长因子的加载和控制释放， 而且能够促进新生骨的进一步长入， 实现骨移植和骨残损修。
10、复的双重功效。可以减少患者身上植入假体医疗器材的更换次数， 从而大大降低医疗成本， 达到医疗器械普及与发展的目的。 附图说明 0009 图1是本发明SiC/TiO2复合结构生物支架材料不同溅射时间的SEM图 ； 其中， A为 TiO2纳米纤维的 SEM 图 ； B 为本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅射 15min 的 SEM 图 ； C 为本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅射 30min 的 SEM 图 ； D 为本发明 SiC/TiO2复 合结构生物支架材料溅射 45min 的 SEM 图 ； E 为本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅 射 60min 的。
11、 SEM 图 ； F 为本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料溅射 120min 的 SEM 图 ； 图 2 是本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的 EDX 图谱 ； 图 3 是本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的 XRD 图谱 ； 图 4 是本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的 TEM 图与电子衍射图 ； 图 5 是本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的 HRTEM 图 ； 图 6 是本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的细胞培养的荧光显微镜图 ； 图 7 是本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的 MTT 直方图。 具体实施方式 0。
12、010 本发明 SiC/TiO2复合结构生物支架材料的制备方法， 包括以下步骤 ： （1） 水热法制备 TiO2纳米纤维 ： 将钛片放入丙酮中超声清洗 8-10 分钟， 然后放入干燥箱里烘干。将钛片倾斜放入清洗 过的反应釜里， 并用2mol/L的NaOH溶液浸没。 将反应釜放在电阻炉中用220-240的温 度加热 2-10 个小时， 自然降温。取出钛片， 用蒸馏水冲洗， 烘干， 得到所需的表面长有 TiO2 纳米纤维基片。采用 JSM-5610LV 型扫描电子显微镜在 10kV 高压下对 TiO2纳米纤维形貌 进行观察分析。由图 1A 可见， 由水热法制备的 TiO2纳米纤维其网孔在 5-50。
13、 m 之间， 形 状规则且分布均匀。 0011 2磁控溅射制备 SiC 镀层 ： 将 SiC 靶材和 TiO2纳米纤维基片置于 KCCK-III 多靶磁控溅射仪中， 调节靶级距为 3cm-4cm（以控制正常溅射速率， 而不浪费） ； 通入氩气， 工作压强为 0.6Pa-2.0Pa 之间 （以保 证启辉） ； 功率为 100W-150W （以保证可以溅射出大小均匀的靶分子， 但不会烧坏靶材） 。在以 上条件下溅射15分钟-120分钟以制备SiC/TiO2复合结构生物支架材料。 采用JSM-5610LV 型扫描电子显微镜在 10kV 高压下对 SiC/TiO2复合结构生物支架材料形貌进行观察分析。。
14、 图 1B-F 分别代表溅射时间 15min、 30min、 45min、 60min、 120min 后的该生物支架材料的 SEM 图。可见 SiC 镀层对基片表面进行的修饰与覆盖， 并在 TiO2纳米纤维表面生长出 SiC 纳米 棒， 随着溅射时间增长， 所生长出的 SiC 纳米棒明显变粗， 但纳米纤维的网孔结构基本没有 改变。由细胞培养结果可知， 溅射 30min-45min 时的 SiC/TiO2复合结构生物支架材料最具 说 明 书 CN 103143061 A 4 3/4 页 5 生物相容性。 0012 下面结合附图 2-7 进行材料的表征与分析。 0013 1、 用EDX检测基片元。
15、素组成 ： 采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜附配的X射线能 谱 （EDX） 在 15kV 高压下对 SiC/TiO2复合结构生物支架材料所含有的元素进行分析。由图 2 可见， 此生物支架材料含有钠、 钛、 碳、 硅、 氧等元素， 且含有的碳元素与硅元素比例接近 1 ： 1， 接近 SiC 晶体中 Si 和 C 的比例。 0014 2、 XRD分析镀层结构及物质组成 ： 图3可见SiC/TiO2复合结构生物支架材料的XRD 图谱， 其中三条能谱分别对应磁控溅射镀层 0min、 30min、 60min 的图谱， 随着溅射时间的增 加， SiC 的标准峰逐渐显现， 其中包括 111、 20。
16、0 等晶面上 SiC 的标准峰。 0015 3TEM 观测镀层微观结构， 电子衍射分析镀层成分 ： 采用 JEM2100F 透射电子显微 镜 （TEM） 在200kV高压下对SiC/TiO2复合结构生物支架材料SiC镀层的形貌进行观察。 由图 4可见， 该生物支架材料中SiC镀层紧密连接在TiO2纳米纤维上且成直径在0.5m-1.0m 之间的棒状结构。电子衍射图可分析出该生物支架材料所含有 SiC 晶体和 TiO2晶体。 0016 4 HRTEM观测镀层超微结构， 通过晶格间距分析镀层成分 ： 采用JEM 2100F中高分 辨率透射电子显微镜 （HRTEM） 在 200 kV 高压下对 SiC。
17、/TiO2复合结构生物支架材料中 SiC 镀层进行观察。由图 5 可见， SiC 镀层的晶格条纹间距 0.25 nm， 对应的是其 111 晶面。 0017 5 荧光显微镜观察细胞生长 ： 采用美国IX71 Olympus倒置荧光显微镜在绿光 （激 发波长 460-550 nm） 下对 MG63 细胞在此生物支架材料上的生长形貌进行观察分析。具体 方法如下 ： 将此生物支架材料， 置于无菌培养板之中， 加入体积分数为 75% 酒精溶液消毒处 理 30min， PBS 缓冲液 （pH7.4） 充分浸泡 1h， 中间每隔 15 分钟进行换液， 以保证交换出所有 残留酒精， 然后置于紫外灯下照射 1。
18、.5h， 自然风干， 灭菌后的生物支架材料用 DMEM 培养液 （5% 胎牛血清， 100 U/mL 青霉素和 100 g/mL 链霉素） 浸泡 24h， 移入 24 孔无菌培养板。取 500L 的 MG63 细胞悬液 （1.0105个 /mL） 接种于含生物支架的培养板中， 在 37 C、 饱和 湿度、 体积分数 5% 的 CO2培养箱中培养 2h 后， 将长方形试样翻转， 向另一侧接种相同浓度 的细胞悬液 500L， 继续培养 2h。然后每孔加入 1mL 的 DMEM 培养液， 培养板置于 37 C、 饱和湿度、 体积分数 5% CO2培养箱内培养， 次日换液， 以后隔天换培养液一次， 共。
19、培养 7 天。 图4为在溅射时间为30min 的SiC/TiO2复合结构生物支架材料细胞培养的荧光显微镜图。 图 6 中 A B C D 分别为 MG63 细胞在此支架材料上培养 1、 3、 5、 7 天 MG63 细胞的生长 状态图。 在起始阶段， 细胞附着于该生物支架材料表面 （相应于MG63细胞培养1天的情况） ， 随着时间的推移， 细胞在样品表面黏附的位置逐渐远离该生物支架材料， 像孔洞中心附着。 这说明了本生物支架材料具有促进细胞黏附、 增殖的作用。 0018 6 MTT检测细胞的生物相容性 ： 采用美国Bio-RAD Model680酶标仪对样品进行标 定， 计算其 MTT 值。具。
20、体方法如下 ： 用无血清的 DMEM 细胞培养液冲洗该生物支架， 以去除未 贴壁的细胞， 并将细胞/支架材料复合物移入新的无菌培养板中。 每孔加入1mL血清的培养 液和 500L 的 MTT 贮存液 （5 mg/mL） ， 37 C 培养箱中继续培养 4h， 在此过程中有紫色物 质在支架上形成， 小心吸取培养液， 加入 500L 的 DMSO， 并不断振荡， 使紫色沉淀全部溶解， 取 200 L 溶解液转入 24 孔板中， 酶标仪测定其在 570nm 处的光密度值 （OD） 。以纯 DMEM 培 养液 （即无生物支架材料） 培养时的 OD 是 570nm 时为基准， 计算细胞增殖能力， 每次均。
21、做 4 个平行实验试样， 取其平均值。图 7 为细胞培养实验研究生物支架分别在细胞接种培养 1、 说 明 书 CN 103143061 A 5 4/4 页 6 3、 5、 7 天的 MTT 比色法测定直方图。其中， 白色代表 TiO2纳米纤维生物支架材料， 灰色代表 溅射 30min 的 SiC/TiO2复合结构生物支架材料。与二者对比说明， MG63 细胞在 SiC/TiO2 复合结构生物支架材料具有良好的粘附、 增殖能力。 0019 基于结构仿生和功能仿生的原理， 我们将 SiC 这种具有高度生物相容性的镀层材 料制备在具有空间网状多孔、 高比表面积的 TiO2纳米纤维结构过渡层的表面， 。
22、使之具有优 异的生物相容性与骨诱导特性。 能够促进骨组织细胞在纳米纤维生物仿生支架材料上的定 向粘附、 再生和分化， 达到结构仿生的目的。这项技术能为临床应用提供实验参考， 其发展 与推广将会减少患者身上植入假体器材的更换次数， 从而大大降低医疗成本， 对医疗事业 的普及与发展有重大意义。 说 明 书 CN 103143061 A 6 1/6 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103143061 A 7 2/6 页 8 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103143061 A 8 3/6 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 103143061 A 9 4/6 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103143061 A 10 5/6 页 11 图 6 说 明 书 附 图 CN 103143061 A 11 6/6 页 12 图 7 说 明 书 附 图 CN 103143061 A 12 。