一種醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層及其製備方法
2023-05-31 05:42:11
專利名稱：一種醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層及其製備方法
技術領域：
本發明涉及醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層及其製備方法。
技術背景
對於硬組織植入體材料，其既應具有力學性能，又應具有與骨性鍵合的能力。通常 是採用在金屬基板表面塗敷一層磷酸鈣來兼顧力學性能與生物學性能的要求。磷酸鈣塗層 具有良好的生物相容性，骨傳導性和生物降解性，但是，磷酸鈣塗層缺乏與細胞直接作用的 能力，同時缺乏載藥能力。因此，許多的研究集中在磷酸鈣與有機物複合上，以改善與細胞 或藥物分子的作用。如中國專利CN101244275將殼聚糖與磷酸鈣複合，以提高其載藥性能， 國外專利RU2117492-C1提出一種具有成骨細胞誘導性的膠原/磷酸鈣複合塗層，中國專利 CN1654543將膠原與殼聚糖交聯，以提高其生物學性能，中國專利CN1012^393構建出一種 殼聚糖/羥基磷灰石/膠原的三相複合體材料，其中羥基磷灰石顆粒分布於膠原中，殼聚糖 分布於膠原極性基團附近。因此，在植入體表面塗覆一層殼聚糖，膠原和磷酸鈣複合的塗 層，將有利於提高塗層的生物學性能和載藥性能。
就目前研究現狀而言，針對複合塗層的研究較多，但針對塗層的組元結構上特別 是在縱向梯度上的成分分布的研究較少。事實上，塗層的組元結構在縱向上梯度分布也與 其性能息息相關。如果在塗層表面存在膠原/殼聚糖交聯體將極大地增強其與細胞的相互 作用，而與此同時，如果殼聚糖分布於塗層內部，那將極大的提高其載藥性能以及與基板黏 附的能力。
電化學沉積的原理是為多組元共沉積提高有利條件，利用電勢驅動溶液中的陽離 子在陰極表面富集，通過陰極附近PH上升，從而使溶質在基板附近達到等電點，從而發生 自組裝沉積。由於溶質的性質不同，其在基板附近發生自組裝的位置不同，從而發生了分層 自組裝沉積。如中國專利CN101338437涉及一種利用電化學手段製備梯度多元金屬混合物 陽極的製備方法。中國專利CN101225534涉及一種通過電化學手段製備聚合物基金屬梯度 複合材料的方法。通過調節電沉積條件和電解液的條件，可以使殼聚糖和膠原-殼聚糖交 聯體在距基板不同的位置發生自組裝和礦化，依次沉積在基板上，再在合適的條件下乾燥， 以得到非均相層狀的功能性生物醫用塗層。發明內容
本發明的目的在於提供一種醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層及其製備方 法。以實現在組成上和功能上極大的提高載藥性能、塗層黏附強度的同時增強細胞響應性， 即刺激細胞在其表面黏附、分化和增殖的能力。
本發明的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層，在醫用植入體表面自下而上依 次有緻密殼聚糖層、多孔礦化殼聚糖層和礦化膠原/殼聚糖交聯體層，緻密殼聚糖層中含 有殼聚糖與磷酸鈣，殼聚糖的質量百分含量自下而上從100 80%逐漸減少，磷酸鈣的質 量百分含量自下而上從0 20%逐漸增加，多孔礦化殼聚糖層中含有殼聚糖與磷酸鈣，殼聚糖的質量百分含量自下而上從80 逐漸減少，磷酸鈣的質量百分含量自下而上從 20 99%逐漸增加。多孔礦化殼聚糖層的孔徑在IOOnm 100 μ m之間，礦化膠原/殼聚 糖交聯體層中含有膠原/殼聚糖交聯體和磷酸鈣，膠原/殼聚糖交聯體的質量百分含量自 下而上從1 99%逐漸增加，磷酸鈣的質量百分含量自下而上從99 逐漸減少。
上述的殼聚糖的分子量在1000 100000之間；膠原的分子量為1000 100000 ； 所述的磷酸鈣可以為磷酸八鈣、羥基磷灰石、氟磷灰石或為透鈣磷石，其Ca/p摩爾比為1 1. 67。
本發明中，所述的膠原/殼聚糖交聯體中，膠原的質量百分含量為10 85 %，殼聚 糖的質量百分含量為10 85%，交聯劑的質量百分含量為1 5%，膠原與殼聚糖的交聯 度為55% 100%。
醫用植入體可以為鈦金屬，鈦合金或不鏽鋼。
本發明的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層的製備方法，包括以下步驟
1)將殼聚糖溶於稀酸，配製成0. 1 10g/L的殼聚糖酸溶液，置於0 20°C下；
2)將膠原溶於稀酸，配製成0. 01 lg/L的膠原酸溶液，置於0 20°C下；
3)將含鈣化合物溶於水中，配製成0. 1 IOM的鈣鹽溶液，置於0 20°C下；
4)將含磷化合物溶於水中，配製成0. 1 IOM的磷酸鹽溶液，置於0 20°C下；
5)按殼聚糖與膠原的質量比為0. 1 100，將殼聚糖酸溶液和膠原酸溶液混合，在 充分攪拌的情況下加入交聯劑，調節溶液的PH值為4 6，得到膠原/殼聚糖交聯體A溶 液。
6)將上述製備的鈣鹽溶液和磷酸鹽溶液按照Ca/P摩爾比為0. 1 10的比例混 合，得到B溶液，B溶液中Ca的濃度為0. 01 2M，P的濃度為0. 01 2M ；
7)將A溶液和B溶液按照體積比A B = 100 1混合，得到C溶液；
8)將上述製備的殼聚糖酸溶液和C溶液按照體積比殼聚糖C = 0. 1 1混合，得 到D溶液；
9)以D溶液為電解液，以醫用植入體為工作電極，以鉬為對電極，以飽和甘汞電極 為參比電極，進行電化學沉積。工作電極與對電極間距為1 5cm，沉積過程中，初始電壓 1 3V，初始溫度為15 30°C ；先維持初始沉積條件5 10分鐘，得到緻密殼聚糖層；隨後 按照0. 1 10°C /min的速率升溫，當溫度達到20 70°C時，停止升溫，維持該條件沉積， 得到多孔礦化殼聚糖層；接下來提高沉積電壓到3 10V，按照0. 1 10°C /min的速率降 溫至初始溫度，維持該條件沉積5 lOmin，得到礦化膠原/殼聚糖交聯體層。
10)將醫用植入體從電解液中取出，在溼度為30 80%和溫度為50 100°C下進 行乾燥，在醫用植入體表面得到非均相層狀的礦化塗層。
製備過程中，所用的稀酸可以是0. OlM IM鹽酸、0. OlM IM醋酸或0. OlM IM 硝酸。含鈣化合物可以為硝酸鈣、氯化鈣或氫氧化鈣。含磷化合物可以為磷酸氫銨、磷酸鈉、 磷酸、六氟磷酸或磷酸鉀。交聯劑可以為聚乙二醇、丙三醇、二乙烯基苯或二異氰酸酯。
本發明的非均相層狀分布塗層通過改變工藝條件可以調節塗層的生物活性，生物 降解速率和載藥能力。塗層的厚度可以通過調節沉積的時間來控制。通過電化學手段，可以 在陰極附近形成PH升高的梯度，再結合調控電解液的組成，可以控制殼聚糖和殼聚糖-膠 原交聯體在基體附近發生沉積及礦化的位置與速率。在沉積的過程中逐漸升高沉積溫度，5將會有利電解液中羥基的產生，將有利於磷酸鈣的沉積，從而逐漸提高整個塗層的礦化程 度，反之亦然。而與此同時，提高沉積電壓將增加塗層的外部驅動力，將會改變有機分子在 表面的發生沉積位置，從而改變沉積的組元。通過調控以上參數，得到該非均相層狀結構化 的礦化殼聚糖/殼聚糖-膠原塗層。其中，緻密殼聚糖層的狀態和厚度與最初始電化學狀 態下沉積的時間有關；多孔礦化殼聚糖層的狀態和厚度同升溫過程中的電化學參數有關； 礦化膠原/殼聚糖交聯體層的狀態和厚度同改變電壓後降溫過程中的電化學參數有關。
本發明的非均相層狀分布結構化生物醫用塗層，能夠牢固的與基體結合，具有緩 慢釋放藥物能力，最外層為礦化膠原/殼聚糖交聯體層，通過釋放出細胞信號因子，能夠促 使細胞在其表面黏附、分化與增殖。本發明操作簡便，易於推廣，適用於復相電化學共沉積， 在沉積中通過電化學自組裝實現分層結構，適用於不同外型硬組織替代材料的金屬基體， 適於在工業上推廣。
圖1是鈦基體的表面形貌掃描電鏡；
圖2是緻密殼聚糖層的表面形貌掃描電鏡；
圖3是多孔礦化殼聚糖層的表面形貌掃描電鏡；
圖4是礦化膠原/殼聚糖交聯體層的表面形貌掃描電鏡；
圖5是非均相層狀的礦化塗層的截面掃描電鏡及線能譜元素分布數據。
具體實施方式
以下結合實施例進一步說明本發明。
實施例1
將殼聚糖溶於稀鹽酸形成濃度為1. 25g/L的殼聚糖酸溶液。將膠原溶於稀鹽酸形 成濃度為1. 25g/L的膠原酸溶液。將Ca(NO3)2 · 6H20溶於蒸餾水中形成鈣濃度為0. 2M的 鈣鹽溶液。把(NH4)2HPO4溶於蒸餾水中攪拌溶解後形成磷濃度為0.2M的磷酸鹽溶液。將 殼聚糖酸溶液和膠原酸溶液按照殼聚糖與膠原的質量比為1 1混合，加入聚乙二醇作為 交聯劑，通過稀氨水將溶液的PH值調節為5. 8，得到A溶液。將鈣鹽溶液和磷酸鹽溶液按照 Ca/P摩爾比為3 1，混合得到B溶液。將A溶液和B溶液按照體積比10 1混合，得到 C溶液。將C溶液和殼聚糖酸溶液按照體積比10 1混合，得到D溶液。以D溶液為電解 液，以純鈦基體(表面形貌如圖1所示)為工作電極，以鉬為對電極，以飽和甘汞電極為參 比電極，進行電化學沉積。工作電極與對電極間距為1.5cm，初始工作電壓3V，初始沉積時 的工作溫度為30°C ；開始沉積時，先維持初始沉積條件5min，得到厚度為2 μ m的緻密殼聚 糖層(表面形貌如圖2所示)；然後按1°C /min的升溫速率提高溫度到50°C，在沉積溫度 達到50°C的後維持此條件沉積lOmin，得到孔徑為1 μ m 10 μ m、厚度為5 μ m的多孔礦化 殼聚糖層；(表面形貌如圖3所示)改變沉積電壓為5V，然後按照1°C /min的降溫速率將 工作溫度降至30°C後，維持此條件沉積lOmin，得到厚度為6μπι的礦化膠原/殼聚糖交聯 體層；(表面形貌如圖4所示)沉積完成後將純鈦基體取出，在溫度為50°C，溼度為50%條 件下進行乾燥M小時，在鈦基體表面形成非均相層狀分布的生物醫用羥基磷灰石/膠原/ 殼聚糖塗層。
圖5是非均相層狀的礦化塗層的截面掃描電鏡及線能譜元素分布數據。由圖可見 在磷酸鈣、殼聚糖、殼聚糖/膠原交聯體層在縱向梯度上的分布(其中殼聚糖及膠原/殼聚 糖交聯體的含量對應C元素分布，磷酸鈣的含量對應Ca和P元素)，可分為三層a，緻密殼 聚糖層從元素分布可知，殼聚糖含量最高，磷酸鈣含量較少，該層厚度為2 μ m。b，多孔礦 化殼聚糖層從元素分布可知，從內到外磷酸鈣的含量逐漸增加，殼聚糖的含量逐漸減少， 即殼聚糖的礦化程度逐漸提高，該層厚度為5 μ m。c，礦化膠原/殼聚糖交聯體層從元素 分布可知，從內到外磷酸鈣的含量逐漸減少，殼聚糖/膠原交聯體的含量逐漸增加，即殼聚 糖/膠原交聯體的礦化程度逐漸降低，該層厚度為6 μ m。
實施例2
將殼聚糖溶於稀醋酸形成濃度為2. 5g/L的殼聚糖酸溶液。將膠原溶於稀醋酸形 成濃度為2. 5g/L的膠原酸溶液。將CaCl2溶於蒸餾水中形成鈣濃度為0. 2M的鈣鹽溶液。 把Na2HPO4溶於蒸餾水中攪拌溶解後形成磷濃度為0. 2M的磷酸鹽溶液。將殼聚糖酸溶液和 膠原酸溶液按照設計的質量比為1 1混合，通過稀氨水將溶液的PH值調節為5. 2，加入丙 三醇作為交聯劑，得到A溶液。將鈣鹽溶液和磷酸鹽溶液按照摩爾比Ca P = 3 1，混 合得到B溶液。將A溶液和B溶液按照10 1混合，得到B溶液。將B溶液和殼聚糖酸溶 液按照10 1混合，得到D溶液。以D溶液為電解液，以不鏽鋼基體為工作電極，以鉬為對 電極，以飽和甘汞電極為參比電極，進行電沉積。工作電極與對電極間距為1.5cm，初始工 作電壓3V，初始沉積時的工作溫度為20°C ；開始沉積時，先維持初始沉積條件5min，得到厚 度為1 μ m的緻密殼聚糖層；然後按2V Mn的升溫速率提高溫度到70°C，在沉積溫度達到 700C的後維持此條件沉積5min，得到孔徑為10 μ m 100 μ m、厚度為3 μ m的多孔礦化殼聚 糖層；改變沉積電壓為4V，然後按照2V Mn的降溫速率將工作溫度降至30°C後，維持此 條件沉積5min，得到厚度為3 μ m的礦化膠原/殼聚糖交聯體層。沉積完成後，將不鏽鋼基 體取出，在溫度為50°C，溼度為50%條件下進行乾燥M小時，在不鏽鋼基體表面形成非均 相層狀分布的生物醫用磷酸八鈣/膠原/殼聚糖塗層。
實施例3
將殼聚糖溶於稀硝酸形成濃度為0. 2g/L的殼聚糖酸溶液。將膠原溶於稀硝酸形 成濃度為0. lg/L的膠原酸溶液。將CaCl2 · 6H20溶於蒸餾水中形成鈣濃度為IM的鈣鹽溶 液。把磷酸溶於蒸餾水中攪拌溶解後形成磷濃度為IM的磷酸鹽溶液。將殼聚糖酸溶液和 膠原酸溶液按照設計的質量比為1 1混合，通過稀氨水將溶液的PH值調節為4.8，加入二 異氰酸酯作為交聯劑，得到A溶液。將鈣鹽溶液和磷酸鹽溶液按照摩爾比Ca P = 3 1， 混合得到B溶液。將A溶液和B溶液按照10 1混合，得到B溶液。將B溶液和殼聚糖酸 溶液按照10 1混合，得到D溶液。以D溶液為電解液，以鈦合金基體為工作電極，以鉬為 對電極，以飽和甘汞電極為參比電極，進行電沉積。工作電極與對電極間距為3cm，初始工作 電壓2V，初始沉積時的工作溫度為30°C ；開始沉積時，先維持初始沉積條件5min，得到厚度 為500nm的緻密殼聚糖層；然後按1°C /min的升溫速率提高溫度到50°C，在沉積溫度達到 500C的後維持此條件沉積20min，得到孔徑為5 μ m 50 μ m、厚度為10 μ m的多孔礦化殼聚 糖層；改變沉積電壓為5V，然後按照1°C /min的降溫速率將工作溫度降至30°C後，維持此 條件沉積20min，得到厚度為10 μ m的礦化膠原/殼聚糖交聯體層。沉積完成後，將鈦合金 基體從溶液中取出，在溫度為40°C，溼度為60%條件下進行乾燥M小時，在鈦合金基體表面形成非均相層狀分布的生物醫用透鈣磷石/膠原/殼聚糖塗層。
實施例4
將殼聚糖溶於稀鹽酸形成濃度為0. 5g/L的殼聚糖酸溶液。將膠原溶於稀鹽酸形 成濃度為lg/L的膠原酸溶液。將氫氧化鈣溶於蒸餾水中形成鈣濃度為0. IM的鈣鹽溶液。 把六氟磷酸溶於蒸餾水中攪拌溶解後形成磷濃度為0. IM的磷酸鹽溶液。將殼聚糖酸溶液 和膠原酸溶液按照設計的質量比為1 1混合，通過稀氨水將溶液的PH值調節為5. 4，加 入二乙烯基苯作為交聯劑，得到A溶液。將鈣鹽溶液和磷酸鹽溶液按照摩爾比Ca P = 3 1，混合得到B溶液。將A溶液和B溶液按照10 1混合，得到B溶液。將B溶液和 殼聚糖酸溶液按照10 1混合，得到D溶液。以D溶液為電解液，以鈦鎳合金基體為工作 電極，以鉬為對電極，以飽和甘汞電極為參比電極，進行電沉積。工作電極與對電極間距為 3cm，初始工作電壓2V，初始沉積時的工作溫度為30°C ；開始沉積時，先維持初始沉積條件 5min，得到厚度為300nm的緻密殼聚糖層；然後按2V /min的升溫速率提高溫度到70°C，在 沉積溫度達到70°C的後維持此條件沉積30min，得到孔徑為10 μ m 100 μ m、厚度為15 μ m 的多孔礦化殼聚糖層；改變沉積電壓為4V，然後按照2°C /min的降溫速率將工作溫度降至 30°C後，維持此條件沉積30min，得到厚度為15 μ m礦化膠原/殼聚糖交聯體層。沉積完成 後，將鈦鎳合金基體從溶液中取出，在溫度為40°C，溼度為60%條件下進行乾燥M小時，在 鈦鎳合金基體表面形成非均相層狀分布的生物醫用氟磷灰石/膠原/殼聚糖塗層。
權利要求
1.一種醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層，其特徵是在醫用植入體表面自下而 上依次有緻密殼聚糖層、多孔礦化殼聚糖層和礦化膠原/殼聚糖交聯體層，緻密殼聚糖層 中含有殼聚糖與磷酸鈣，殼聚糖的質量百分含量自下而上從100 80 %逐漸減少，磷酸鈣 的質量百分含量自下而上從0 20%逐漸增加，多多孔礦化殼聚糖層中含有殼聚糖與磷酸 鈣，殼聚糖的質量百分含量自下而上從80 1 %逐漸減少，磷酸鈣的質量百分含量自下而 上從20 99%逐漸增加。多孔礦化殼聚糖層的孔徑在IOOnm 100 μ m之間，礦化膠原/ 殼聚糖交聯體層中含有膠原/殼聚糖交聯體和磷酸鈣，膠原/殼聚糖交聯體的質量百分含 量自下而上從1 99%逐漸增加，磷酸鈣的質量百分含量自下而上從99 逐漸減少。
2.根據權利要求1所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層，其特徵是殼聚糖的 分子量在1000 100000之間。
3.根據權利要求1所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層，其特徵是磷酸鈣為 磷酸八鈣、羥基磷灰石、氟磷灰石或為透鈣磷石，其Ca/P摩爾比為1 1.67。
4.根據權利要求1所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層，其特徵是膠原的分 子量為1000 100000。
5.根據權利要求1所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層，其特徵是膠原/殼 聚糖交聯體中，膠原的質量百分含量為10 85%，殼聚糖的質量百分含量為10 85%，交 聯劑的質量百分含量為1 5%，膠原與殼聚糖的交聯度為55% 100%。
6.製備權利要求1所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層的方法，包括以下步驟1)將殼聚糖溶於稀酸，配製成0.1 10g/L的殼聚糖酸溶液，置於0 20°C下；2)將膠原溶於稀酸，配製成0.01 lg/L的膠原酸溶液，置於0 20°C下；3)將含鈣化合物溶於水中，配製成0.1 IOM的鈣鹽溶液，置於0 20°C下；4)將含磷化合物溶於水中，配製成0.1 IOM的磷酸鹽溶液，置於0 20°C下；5)按殼聚糖與膠原的質量比為0.1 100，將殼聚糖酸溶液和膠原酸溶液混合，在充分 攪拌的情況下加入交聯劑，調節溶液的PH值為4 6，得到膠原/殼聚糖交聯體A溶液。6)將上述製備的鈣鹽溶液和磷酸鹽溶液按照Ca/P摩爾比為0.1 10的比例混合，得 到B溶液，B溶液中Ca的濃度為0. 01 2M，P的濃度為0. 01 2M ；7)將A溶液和B溶液按照體積比A B = 100 1混合，得到C溶液；8)將上述製備的殼聚糖酸溶液和C溶液按照體積比殼聚糖C= 0. 1 1混合，得到D 溶液；9)以D溶液為電解液，以醫用植入體為工作電極，以鉬為對電極，以飽和甘汞電極為參 比電極，進行電化學沉積。工作電極與對電極間距為1 5cm，沉積過程中，初始電壓1 3V，初始溫度為15 30°C ；先維持初始沉積條件5 10分鐘，得到緻密殼聚糖層；隨後按 照0. 1 10°C /min的速率升溫，當溫度達到20 70°C時，停止升溫，維持該條件沉積，得 到多孔礦化殼聚糖層；接下來提高沉積電壓到3 10V，按照0. 1 10°C /min的速率降溫 至初始溫度，維持該條件沉積5 lOmin，得到礦化膠原/殼聚糖交聯體層。10)將醫用植入體從電解液中取出，在溼度為30 80%和溫度為50 100°C下進行幹 燥，在醫用植入體表面得到非均相層狀的礦化塗層。
7.根據權利要求6所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層的製備方法，其特徵是所述的稀酸為0. OlM IM鹽酸、0. OlM IM醋酸或0. OlM IM硝酸。
8.根據權利要求6所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層的製備方法，其特徵 是所述的含鈣化合物為硝酸鈣、氯化鈣或氫氧化鈣。
9.根據權利要求6所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層的製備方法，其特徵 是所述的含磷化合物為磷酸氫銨、磷酸鈉、磷酸、六氟磷酸或磷酸鉀。
10.根據權利要求6所述的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層的製備方法，其特 徵是所述的交聯劑為聚乙二醇、丙三醇、二乙烯基苯或二異氰酸酯。
全文摘要
本發明公開的醫用植入體表面非均相層狀的礦化塗層，在醫用植入體表面自下而上依次有緻密殼聚糖層、多孔礦化殼聚糖層和礦化膠原/殼聚糖交聯體層。本發明以膠原、殼聚糖、含鈣化合物和含磷化合物為原料，在水溶液中下通過電化學反應，在醫用金屬基體表面一次性組裝非均相層狀礦化塗層，通過調節電沉積參數，可以調整各相的沉積狀態，從而實現非均向層狀塗層的製備。本發明方法簡單，易行，可控性高，製得的醫用材料塗層能夠促進細胞在其表面的附著及增殖，具有承載藥物的功能，且具有強化的生物活性性能。塗層與金屬基板的結合強度高，穩定性好。
文檔編號A61L27/06GK102028969SQ20101058829
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者周加貝, 宋晨路, 杜丕一, 沈鴿, 程逵, 翁文劍, 韓高榮 申請人:浙江大學