表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有促成骨活性功能的表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法與應(yīng)用，屬生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]人工合成的HAp材料因其與人骨/牙的無機(jī)成分相似，且具有無毒、安全、良好的生物活性和生物相容性的特點，在體液作用下，會發(fā)生部分降解，釋放出鈣和磷參與成骨，從而具有骨傳導(dǎo)作用。因此受到生物材料領(lǐng)域和骨科臨床醫(yī)生的極大關(guān)注，并在臨床骨修復(fù)材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)方法燒結(jié)制備得到的HAp生物陶瓷材料的誘導(dǎo)成骨活性仍然較差，在植入骨缺損部位時時有纖維組織包埋植入體的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致HAp植入體與新生骨組織之間不能形成良好的骨性結(jié)合，因此缺乏良好的誘導(dǎo)成骨活性[B1materials.2003 ;24:2161]。研究發(fā)現(xiàn)，在HAp材料表面構(gòu)筑微/納米結(jié)構(gòu)可以明顯提高細(xì)胞粘附、增殖和成骨分化性能，進(jìn)而改善這類材料的骨誘導(dǎo)活性[ActaB1materialia.2012 ；8:3794]。
[0003]二十世紀(jì)90年代末，圖案化技術(shù)(patterning technique)被大量應(yīng)用于生物材料的制備。1997年美國哈佛大學(xué)的Whitesides教授課題組和哈佛醫(yī)學(xué)院的Ingber教授課題組采用微接觸技術(shù)和分子自組裝技術(shù)在抗細(xì)胞黏附的材料表面上構(gòu)筑了不同尺寸的微米圖案，并對圖案的尺寸與細(xì)胞響應(yīng)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[Science.1997 ;276:1425]。研究結(jié)果表明微米圖案結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)細(xì)胞黏附和生長，并實現(xiàn)對細(xì)胞的黏附位置、尺寸、形狀、爬行方向等的精確控制。自此，多種技術(shù)被發(fā)展并應(yīng)用于表面圖案化生物材料的制備領(lǐng)域。近年來的研究發(fā)現(xiàn):表面簡單的微米柱或凹坑構(gòu)筑的“脊一槽”狀拓?fù)錉钗⒚讏D案化結(jié)構(gòu)即能良好的促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖、遷移、及分化等生物學(xué)性能[B1materials.2012 ；33:1730.；B1materials.2006 ；27:2558.；Tissue Eng Part A.2009 ; 15:1427]。McNamara等人的研究還還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在溝槽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表面的力學(xué)信號傳導(dǎo)伴隨著細(xì)胞骨架、細(xì)胞核形態(tài)和染色體位置的變化，揭示了圖案化結(jié)構(gòu)下細(xì)胞對力學(xué)信號的響應(yīng)、以及圖案化結(jié)構(gòu)與亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)[B1materials.2012 ;33:2835]?？傊?，微米圖案結(jié)構(gòu)可以有效促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖、以及分化等性能，進(jìn)而提高提高材料的誘導(dǎo)成骨活性和骨整合性能。
[0004]目前微米圖案制備方法主要有光刻[Materials Science andEngineering:C.2009 ；29:1855]、軟光刻技術(shù)[B1materials.1999 ；20:2363.；ElsevierScience.2006 ； 161]、微流體圖形化[Analytical Chemistry.2011 ；84:1012]、微接觸壓印[J B1med Mater Res.2001 ;55:487]、模板掩蓋噴涂技術(shù)[J B1med Mater Res A.2008 ；85A:530]、自組裝方法[Soft Matter.2011 ;7:6811]、掃描探針顯微加工技術(shù)[Journal ofLaser Micro/Nanoengineering.2011 ;6:180]、納米壓印!技術(shù)[Materials Science andEngineering: C.2009 ;29:]、浸蘸筆納米加工刻蝕技術(shù)(dip-pen nano lithography, DPN)[Lab Chip.2010 ;10:1662]、膠體光刻方法[Nano Today.2011 ;6:608]、離子束加工技術(shù)[Materials Science with 1n Beams.2010 ；116:345]等。雖然利用這些技術(shù)可以實現(xiàn)圖案化結(jié)構(gòu)的制備和尺寸調(diào)控，但需要以昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的操作為代價。而對于陶瓷材料，由于其脆性大，目前基本只能采用機(jī)械打磨、激光加工(刻槽、挖坑)、直接打印等方法。這些方法都各有缺點:如機(jī)械打磨易損壞樣品，激光加工會造成熱損傷。
[0005]因此，發(fā)展一種簡單易行、成本低廉且無需特殊設(shè)備的制備表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)生物陶瓷材料的制備方法具有重要的意義和應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)生物陶瓷材料的制備方法的缺陷，本發(fā)明提供了一種具有促成骨活性功能的表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法。
[0007]本發(fā)明提供了一種表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，所述方法包括:
將羥基磷灰石粉體、粘結(jié)劑均勻混合后，置于表面墊有有機(jī)網(wǎng)篩的模板中，依次經(jīng)干壓成型、高溫煅燒得到所述表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)羥基磷灰石生物陶瓷。
[0008]較佳地，粘結(jié)劑的含量為羥基磷灰石粉體質(zhì)量的1_5%，粘結(jié)劑包括質(zhì)量百分比濃度為I一 10%的聚乙烯醇、質(zhì)量百分比濃度為1-5%的羥丙基甲基纖維素。
[0009]較佳地，所述有機(jī)網(wǎng)篩為經(jīng)高溫煅燒能夠去除的尼龍網(wǎng)篩，所述有機(jī)網(wǎng)篩的目數(shù)為 50— 500 目。
[0010]較佳地，干壓成型的工藝參數(shù)包括:成型壓力為2 — lOMPa。
[0011]較佳地，高溫?zé)Y(jié)的參數(shù)包括:在900-1300°C溫度下煅燒1-5小時。
[0012]較佳地，所述表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)羥基磷灰石生物陶瓷的凸起高度、凸起寬度、相鄰?fù)蛊痖g距分別在5-100微米、15-200微米、15-300微米范圍內(nèi)。
[0013]本發(fā)明的有益效果:
(1)表面圖案化結(jié)構(gòu)評價
采用掃描電鏡(SEM)觀察本發(fā)明制備得到的表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)HAp生物陶瓷的表面形貌；采用三維(3D)激光顯微鏡觀察樣品的表面三維結(jié)構(gòu)，以測試圖案化結(jié)構(gòu)中凸起寬度、高度及其間距；
(2)生物學(xué)評價
有序微米結(jié)構(gòu)對大鼠來源的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(Bone marrow stromal cells,BMSCs)的黏附作用研究:將BMSCs細(xì)胞接種在表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)的HAp生物陶瓷上，以平板結(jié)構(gòu)HAp生物陶瓷為對照組樣品，于接種后6小時后進(jìn)行細(xì)胞肌動蛋白染色，培養(yǎng)I天后進(jìn)行掃描電鏡觀察細(xì)胞的粘附及生長情況；
有序微米結(jié)構(gòu)對BMSCs的增殖、成骨分化的作用研究:將細(xì)胞接種在表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)的HAp生物陶瓷上，以平板結(jié)構(gòu)HAp生物陶瓷作為對照組樣品，研究有序微米圖案化結(jié)構(gòu)促BMSCs的增殖、成骨基因表達(dá)等功能。
【附圖說明】
[0014]圖1示出了本發(fā)明的一個實施方式中表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)的HAp生物陶瓷的制備工藝流程圖； 圖2示出了未采用尼龍網(wǎng)篩制備的HAp生物陶瓷(對照組)、以及本發(fā)明的一個實施方式中制備的表面有序微米結(jié)構(gòu)的HAp生物陶瓷的SHM照片；
圖3示出了未采用尼龍網(wǎng)篩制備的HAp生物陶瓷(對照組)、以及本發(fā)明的一個實施方式中制備的HAp生物陶瓷進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)所得細(xì)胞的形態(tài)SEM掃描圖；
圖4示出了 BMSCs在未采用尼龍網(wǎng)篩制備的HAp生物陶瓷(對照組)、以及在本發(fā)明的一個實施方式中制備的HAp陶瓷表面培養(yǎng)1、3、7天后的增殖情況；
圖5示出了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在未采用尼龍網(wǎng)篩制備的HAp生物陶瓷(對照組)、以及在本發(fā)明的一個實施方式中制備的HAp陶瓷表面培養(yǎng)4、7天后的分化結(jié)果。
【具體實施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖和下述實施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0016]本發(fā)明涉及一種具有促進(jìn)成骨的表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, HAp)生物陶瓷的制備與應(yīng)用，屬生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
[0017]本發(fā)明的目的在于提供一種表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)HAp生物陶瓷的制備方法，制備得到的表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)HAp生物陶瓷較傳統(tǒng)平板結(jié)構(gòu)材料具有更好的促進(jìn)成骨細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖和成骨分化等功能，從而提高HAp材料的成骨活性。此方法可以根據(jù)實際需要，選擇不同篩目的尼龍網(wǎng)篩以調(diào)控微米圖案化結(jié)構(gòu)的尺寸大小以及凹坑結(jié)構(gòu)的深度。
[0018]所述制備方法包括:
以HAp陶瓷粉體為原料采用有機(jī)網(wǎng)篩為模板壓制成型后、經(jīng)燒結(jié)即可獲得表面有序微米尺度凹凸?fàn)顖D案化結(jié)構(gòu)的HAp生物陶瓷材料，而其表面結(jié)構(gòu)的尺寸可以通過調(diào)控模板的尺度加以調(diào)控。
[0019]具體來說，以HAp粉體為原料、以尼龍網(wǎng)篩為模板，經(jīng)干壓成型和高溫煅燒而獲得。
[0020]在干壓成型過程中，在醫(yī)用不銹鋼的模具內(nèi)先墊上一層與模具尺寸一致的尼龍網(wǎng)篩，然后加入HAp粉體，經(jīng)干壓成型獲得素坯，而后素坯經(jīng)高溫煅燒后即可獲得本發(fā)明的具有表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)的HAp陶瓷。
[0021]在HAp粉體中加入1-5% (質(zhì)量百分比)的濃度為1-10%的PVA(聚乙烯醇)作黏結(jié)劑，攪拌均勻。在接下來的壓制成型過程中，首先將尼龍網(wǎng)篩裁剪成與醫(yī)用模具相同的尺寸，在醫(yī)用模具內(nèi)墊上一層與模具相同尺寸的尼龍網(wǎng)篩，然后在網(wǎng)篩上方加入一定質(zhì)量的經(jīng)PVA (聚乙烯醇)黏結(jié)劑調(diào)好后的HAp粉體，以2-10MPa的壓力干壓成型獲得本發(fā)明的陶瓷素坯；將素坯在900-1300°C溫度下煅燒1-5小時，即可制備得到表面有序微米圖案化結(jié)構(gòu)的HAp生物陶瓷。
[0022]以尼龍網(wǎng)篩作為表面微米有序圖案化結(jié)構(gòu)的模板，該模板在高溫?zé)Y(jié)過程中可以被完全煅燒去除，而不會留下殘留物。同時，通過改變尼龍網(wǎng)篩的目數(shù)可以實現(xiàn)本發(fā)明的HAp陶瓷