一种具促成骨分化和抗炎功能的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具促成骨分化和抗炎功能的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层及其制备方法。纳米结构含硼硅酸钙生物涂层含有硅酸钙和硼元素，所述涂层具有纳米结构。本发明专利技术的纳米结构含硼硅酸钙涂层具有表面纳米结构以及B这一营养元素，兼具良好的促成骨分化和抗炎性，生物安全性好，是一种具有应用前景的生物材料，可用于硬组织修复与替换生物材料领域。

A nanostructured calcium borosilicate biological coating with osteogenic differentiation and anti-inflammatory function and its preparation method

The invention relates to a nanostructured calcium borosilicate biological coating with osteogenic differentiation and anti-inflammatory function and a preparation method thereof. The nanostructured calcium borosilicate biological coating contains calcium silicate and boron elements, and the coating has a nanostructure. The nanostructured calcium borosilicate coating of the invention has Surface Nanostructure and B, which is a nutrient element, has good osteogenic differentiation and anti-inflammatory properties, good biological safety, and is a promising biomaterial, and can be used in the field of hard tissue repair and replacement biomaterials.

【技术实现步骤摘要】
一种具促成骨分化和抗炎功能的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层及其制备方法
本专利技术涉及的一种具促成骨分化和抗炎性功能的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层及其制备方法，属于生物材料领域。本专利技术具有可重复性好、工艺设备简单、成本低等优点。
技术介绍
钛合金是临床上常用的骨植入金属材料，当植入人体内后，其生物惰性使得表面炎症细胞黏附量较少，对植入部周围组织不产生不良刺激。当其长期存在于人体内时，生物机体会发生渗出性组织反应，在其表面形成纤维包囊。随着骨免疫学的兴起，骨植入体的设计标准由过去的生物惰性转向免疫调节。将宿主免疫系统和骨再生系统紧密联系，为再生医学领域开拓了新方向。因此，兼具成骨和免疫调节功能的骨生物材料成为硬组织修复领域的研究热点。实际应用中，等离子喷涂技术制备的涂层材料较为成功。其中，在钛合金等基体表面制备的硅酸钙类陶瓷涂层兼具良好生物活性和力学性能，这有望弥补目前生物医用羟基磷灰石(HA)涂层和钛(Ti)涂层的不足。研究发现，将喷涂后的硅酸钙涂层进行水热后处理，其表面形成的具纳米结构的高结晶度托贝莫来石相可以有效提高涂层的抗降解性能(Wangetal.ColloidsSurfBBiointerfaces2015,126:358-366)。另有研究表明这种托贝莫来石相具有很好的生物相容性，且纳米结构能够提高蛋白吸附量，促进成骨细胞的粘附、增殖及分化(Linetal.ActaBiomater3(2007)271–276；Panetal.RSCAdv.,2015,5,101834)。所以水热工艺是涂层改性的一种有效手段。但是，现有技术中，还没有关于兼具成骨和免疫调节功能的硅酸钙涂层的报道。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种纳米结构含硼硅酸钙生物涂层及其制备方法，这种生物涂层兼具促成骨分化和抗炎性功能，可作为硬组织修复与替换材料，以满足新一代骨植入材料发展的需要。一方面，本专利技术提供一种具促成骨分化和抗炎功能的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层，其特征在于，所述涂层含有硅酸钙和硼元素，所述涂层具有纳米结构。本专利技术的纳米结构含硼硅酸钙涂层具有表面纳米结构以及B这一营养元素，兼具良好的促成骨分化和抗炎性，生物安全性好，是一种具有应用前景的生物材料，可用于硬组织修复与替换生物材料领域。较佳地，硼元素在所述涂层中的含量为0.1～5wt％。较佳地，所述纳米结构由纳米叶组成，所述纳米叶的厚度为80～120nm，长度为4～8μm，宽度为1～3μm。较佳地，所述涂层形成于骨植入材料上，所述骨植入材料优选为钛合金。另一方面，本专利技术提供一种纳米结构含硼硅酸钙生物涂层的制备方法，包括：将硅酸钙涂层置于硼酸钠溶液中进行水热反应，得到纳米结构含硼硅酸钙生物涂层。根据本专利技术，将硅酸钙涂层置于硼酸钠溶液中进行水热反应，即可同时获得纳米结构和硼元素掺入。所述制备方法所用原料成本低、工艺简单、效率高、可重复性好、适合规模化生产。较佳地，所述硅酸钙涂层通过等离子喷涂技术制得。较佳地，以100～160目的硅酸钙粉体作为喷涂用粉。较佳地，等离子喷涂技术的工艺参数包括：等离子气体Ar：30～50slpm；等离子体气体H2：5～20slpm；粉末载气Ar：1.5～5slpm；喷涂距离：80～250mm；喷涂功率：30～58KW；喷涂遍数：30～45；送粉速率：6～30r/min。较佳地，所述硼酸钠溶液的浓度为0.001～0.5mol/L，水热反应温度为120～180℃，反应时间为1～24小时。较佳地，还包括将水热反应后的涂层取出，置于水中清洗浸泡1～2天，然后100～120℃干燥24～48小时。第三方面，本专利技术还提供上述纳米结构含硼硅酸钙生物涂层在制备硬组织修复与替换生物材料中的应用。本专利技术的纳米结构含硼硅酸钙涂层表面不仅可提高蛋白吸附量，还能够提高干细胞内的I型胶原分泌、碱性磷酸酶活性和钙沉积，表现出优异的促成骨分化能力。此外，本专利技术的涂层能促进巨噬细胞中抗炎因子表达，下调细胞中促炎性因子表达，表现出良好的抗炎功能。本专利技术的纳米结构含硼硅酸钙涂层，是一种兼具促成骨分化和抗炎功能的生物医用材料，可用于硬组织修复与替换生物材料领域。附图说明图1为大气等离子喷涂制备的硅酸钙涂层(CS)、水为媒介水热后处理的硅酸钙涂层(S0)以及纳米结构含硼硅酸钙涂层(S1)的XRD图谱；图2为CS、S0、S1的表面形貌图；图3为S0和S1的截面形貌及其元素mapping照片；图4为S0和S1表面培养的BMSCs的ColI活性、ECM矿化实验以及采用涂层浸提液培养BMSCs后的ALP活性实验；图5为S0和S1表面的成骨基因表达结果；图6为S0和S1表面培养的RAW264.7培养24h后的形貌图；图7为S0和S1表面培养的RAW264.7的M1表型标记和炎性以及抗炎性因子表达的结果；图8为S0和S1表面培养的RAW264.7的成骨及破骨因子表达的结果。具体实施方式以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术人意识到，B能显著提高骨骼中Ca、Mg和P的含量，增强骨机械强度，还具有促进成骨细胞内与成骨代谢相关的蛋白分泌和基因表达以及诱导血管生成的作用。此外，B能够降低炎性因子IL-1β，IL-6，hs-CRP，有助于控制与骨损伤有关的炎症，表现出良好的抗炎性，抗骨质疏松性以及抗氧化能力。因此，若将纳米结构硅酸钙涂层与硼元素相结合，则有望获得稳定的具有纳米结构以及促成骨分化和抗炎性的生物医用材料。本专利技术一实施方式提供一种纳米结构含硼硅酸钙生物涂层，其含有硅酸钙和硼元素，且具有纳米结构。所述纳米结构涂层具有良好的促成骨分化和抗炎性功能。纳米结构含硼硅酸钙生物涂层表面可具有微米级球状团簇，其直径例如为8～12μm。该微米级球状团簇可由纳米叶组成。纳米叶的厚度可为80～120nm，长度可为4～8μm，宽度可为1～3μm。纳米结构含硼硅酸钙生物涂层含有Ca、Si、O、B元素。其中，B元素的含量可为0.1～5wt％。纳米结构含硼硅酸钙生物涂层可含有水化硅酸钙物相、硼酸钙水合物等。纳米结构含硼硅酸钙生物涂层的厚度可为90～160μm。其表层可为B元素的富集区，其厚度可为8～12μm。一优选实施方式中，将水热工艺与硼元素一并应用于改性硅酸钙涂层，即，纳米结构含硼硅酸钙生物涂层是由硅酸钙涂层经硼酸钠溶液水热法后处理得到。更优选地，硅酸钙涂层是等离子喷涂的硅酸钙涂层，即，所述纳米结构含硼硅酸钙涂层是采用水热法处理等离子喷涂的硅酸钙涂层制备得到。本专利技术中，纳米结构含硼硅酸钙生物涂层可形成于基体上。所述基体可为硬组织修复与替换生物材料，例如骨植入材料。骨植入材料例如可为钛合金、医用纯钛、316L不锈钢、Co-Cr合金等。以下，说明纳米结构含硼硅酸钙生物涂层的制备方法。本专利技术一实施方式中，通过等离子喷涂技术，结合水热工艺，制备纳米结构含硼硅酸钙生物涂层的制备方法。等离子喷涂技术制备硅酸钙生物涂层以硅酸钙(CaSiO3)粉体作为喷涂用粉。硅酸钙粉体的纯度可为AR以上。硅酸钙粉体的粒径可为100～160目。该粉体流动性好，适合喷涂。采用大气等离子喷涂工艺，将硅酸钙粉体沉积于基体上。基体可预先进行表面处理，例如清洗、喷砂。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具促成骨分化和抗炎功能的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层，其特征在于，所述涂层含有硅酸钙和硼元素，所述涂层具有纳米结构。

【技术特征摘要】
1.一种具促成骨分化和抗炎功能的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层，其特征在于，所述涂层含有硅酸钙和硼元素，所述涂层具有纳米结构。2.根据权利要求1所述的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层，其特征在于，硼元素在所述涂层中的含量为0.1～5wt%。3.根据权利要求1或2所述的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层，其特征在于，所述纳米结构由纳米叶组成，所述纳米叶的厚度为80～120nm，长度为4～8μm，宽度为1～3μm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层，其特征在于，所述涂层形成于骨植入材料上，所述骨植入材料优选为钛合金。5.一种权利要求1至4中任一项所述的纳米结构含硼硅酸钙生物涂层的制备方法，其特征在于，将硅酸钙涂层置于硼酸钠溶液中进行水热反应，得到所述纳米结构含硼硅酸钙生物涂层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述硅酸钙涂层通过等离子喷涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李恺，陆翔，黄利平，谢有桃，郑学斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31