一种仿真骨小梁纳米骨骼材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种仿真骨小梁纳米骨骼材料，其为表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO2纳米纤维共同复合而成，其中，取向生长纳米柱的材料为生物相容性材料，纳米颗粒的材料为压电材料或生物材料，TiO2纳米纤维为多壁钛酸盐纳米纤维，具有多壁韧性的网孔状结构。本发明专利技术的纳米骨骼材料首先通过水热合成的方法在Ti骨骼表面制备出多壁韧性的TiO2构筑的网孔状结构，再通过电化学沉积的方法在TiO2纳米纤维表面制备纳米颗粒，然后通过磁控溅射技术在表面修饰纳米颗粒的TiO2纳米纤维表面制备出取向生长纳米柱结构，从而制备出仿生骨小梁结构。本发明专利技术的材料生物相容性好，尺寸和天然骨骼微观骨小梁结构高度相似，有望取代现今钛合金骨骼成为新一代骨骼材料。

【技术实现步骤摘要】
一种仿真骨小梁纳米骨骼材料及其制备方法
本专利技术属于仿生材料领域，具体地涉及一种仿真骨小梁纳米骨骼材料及其制备方法。
技术介绍
由于交通意外，运动创伤，社会老龄化等问题的增加，世界范围内对人工骨骼材料的需求与日俱增。我国是一个拥有13亿人口的大国，也是一个骨组织修复和重建材料的需求大国。目前我国有6000万残疾人，其中致残者约800万人；由风湿和类风湿引发的大骨节病患者有数百万人；有7000万伴随人口老龄化的骨质疏松症患者；每年由于疾病、交通事故和运动创伤等造成的骨缺损、骨折和骨缺失患者人数近1000万；需要行颅颌面和肢体整形、美容的人数也在千万人以上。到2013年，全球人工骨骼材料市场实现销售额达300亿美元。因此，人工骨骼材料已成为各国科学家竞相研究和开发的热点方向之一。人工骨骼材料是纳米科技向生物材料领域渗透的产物，纳米材料所具有的独特性能不仅为设计和制备新型高性能生物材料提供了新思路和新方法，而且为生物材料领域中采用常规技术和方法所无法解决的问题提供了新的解决手段。纳米尺度的特殊生物效应使得人工骨骼材料在组织修复、替代领域具有广泛地应用前景，近年来取得了引人注目的成就。研究开发新型纳米材料与器械用于组织修复替代对于提高临床治疗水平具有深远的意义。前期以纳米钙磷类生物材料为代表的骨修复替代材料的研究与开发，已向着生物结构和生物功能的仿生目标迈进了重要的一步，并取得了令人兴奋的治疗效果。随着纳米技术的发展，指导构建人工骨骼材料的性能如硬度、韧性、生物活性、降解性以及生物相容性等方面的优势必将会进一步显现，其功能必将不断完善。相信在不久的将来会有更多的适于组织修复替代的纳米材料和器械的出现，为再塑健康人体作出贡献。已有的人工骨骼材料主要有金属涂层材料、生物陶瓷材料、生物骨水泥材料等，它们在结构上从宏观到微观都与天然骨骼差别较大，特别是天然骨微观骨小梁结构更是难以制备，因此人工骨骼材料的生物性能、力学特性还有生物电位特性等都远远不及天然骨骼。一种高度仿生天然骨结构的纳米骨骼材料是当下医疗领域所迫切需要的。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，基于结构仿生与功能仿生原理，提出了一种仿真骨小梁纳米骨骼材料的制备与应用。技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术提出了一种仿真骨小梁纳米骨骼材料，所述的仿真骨小梁纳米骨骼材料为表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO2纳米纤维共同复合而成，其中，所述取向生长纳米柱的材料为生物相容性材料，所述纳米颗粒的材料为压电材料或生物材料，所述TiO2纳米纤维为多壁钛酸盐纳米纤维，具有多壁韧性的网孔状结构。优选地，所述纳米柱的材料为Ti、TiO2、SnO2和SiC中的任意一种；所述的压电材料为ZnO，所述的生物材料为羟基磷酸钙。本专利技术进一步提出了上述仿真骨小梁纳米骨骼材料的制备方法，包括如下步骤：(1)水热法制备多壁钛酸盐纳米纤维：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，并用浓度为1～3mol/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，在钛片上得到网孔状的多壁钛酸盐纳米纤维阵列，即TiO2纳米纤维；(2)采用电化学工作站IM6的恒电流/电压模式，在三电极反应池中，类体液SBF作沉积液，步骤(1)所制备的多壁钛基钛酸盐纳米纤维阵列基体作工作电极，铂片电极作对电极，饱和甘汞电极作参比电极进行电化学反应，沉积液的pH为7.40～9.30，沉积温度为室温至65℃，沉积电流为-5～-20mA，沉积电压为-1.0～-2.0V，沉积时间为0.5～3h，使多壁钛酸盐纳米纤维阵列的表面生长ZnO或羟基磷酸钙纳米颗粒；(3)磁控溅射制备仿真骨小梁纳米骨骼材料：以Ti或TiO2或SnO2或SiC为溅射靶材，步骤(2)处理后的材料为溅射基底，进行双靶溅射；调节靶级距为3cm～4cm，通入氩气，工作压强为0.6Pa～2.0Pa之间，功率为100W～150W；在以上条件下溅射5～60分钟以制备出仿真骨小梁纳米骨骼材料。具体地，步骤(2)中，当使多壁钛酸盐纳米纤维阵列的表面生长ZnO时，所述的类体液SBF包含如下组分：ZnCl28.0g/L和NaOH0.40g/L；当使多壁钛酸盐纳米纤维阵列的表面生长羟基磷酸钙时，所述的类体液SBF包含如下组分：NaCl8.0g/L、CaCl20.14g/L、KCl0.40g/L、NaHCO30.35g/L、葡萄糖1.00g/L、KH2PO40.10g/L、MgCl2·6H2O0.10g/L、Na2HPO4·2H2O0.06g/L和MgSO4·7H2O0.06g/L。本专利技术的仿真骨小梁纳米骨骼材料通过一种表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO2纳米纤维共同复合而成，首先通过水热合成的方法在Ti骨骼表面制备出多壁韧性的TiO2构筑的网孔状结构，再通过电化学沉积的方法在TiO2纳米纤维表面制备纳米颗粒，然后通过磁控溅射技术在表面修饰纳米颗粒的TiO2纳米纤维表面制备出取向生长纳米柱结构，从而制备出仿生骨小梁结构。其与天然骨骼微观骨小梁结构与尺寸高度相似，并且选用了生物相容性材料与压电材料作为合成物，其功能与天然骨骼高度接近，有望取代现今钛合金材料作为新一代骨骼材料。通过调节电化学沉积的反应条件可以TiO2纳米纤维表面ZnO与羟基磷酸钙颗粒的大小、结晶度与整体分布数量与密度，然后通过磁控溅射包覆后形成的纳米骨小梁结构。本专利技术采用的外部纳米柱材料(Ti、TiO2、SnO2和SiC材料)主要具有生物相容性与力学性能，其中，Ti、TiO2和SnO2为偏向生物相容性材料，SiC为偏向力学性能方向材料，上述材料均可以在TiO2纳米纤维表面取向生长，而纳米颗粒的选择针对其对整体材料的功能而定，其中ZnO为偏向压电促进生物相容性方向，而羟基磷酸钙偏向材料仿生促进生物相容性方向。因此，本专利技术可以根据需要制备如下类型的材料：1)Ti或TiO2或SnO2/ZnO/TiO2主要用于对压电刺激敏感一些的地方，需要超高生物相容性的地方，但是力学特性能差一点；2)SiC/ZnO/TiO2主要用于对压电刺激敏感一些的地方，需要超高力学特性的地方，但是生物相容性对比下差一点；3)Ti或TiO2或SnO2/羟基磷酸钙/TiO2主要用于对材料融合敏感一些的地方，需要超高生物相容性的地方，但是力学特性能差一点；4)SiC/羟基磷酸钙/TiO2主要用于对压材料融合感一些的地方，需要超高力学特性的地方，但是生物相容性对比下差一点。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术的仿真骨小梁纳米骨骼材料在结构仿生方面首次实现了在人工骨骼材料微观骨小梁级别的结构的高度仿真，此结构为天然骨组织最为重要的结构，实现此结构就意味着仿真骨小梁纳米骨骼材料具备了天然骨优异的生物相容性、力学特性等，并且其他级别的结构特性也与天然骨骼相似，如网孔结构，骨水泥结构，取向生长结构，多壁结构等；(2)本专利技术同时兼顾功能仿生原理，首先选用具有高度生物相容性的材料最为表面材料，如Ti、TiO2、SnO2、SiC等，这些材料既具有生物惰性，又具有力学特性，可根据不同需要(Ti、TiO2、SnO本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿真骨小梁纳米骨骼材料，其特征在于，所述的仿真骨小梁纳米骨骼材料为表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO2纳米纤维共同复合而成，其中，所述取向生长纳米柱的材料为生物相容性材料，所述纳米颗粒的材料为压电材料或生物材料，所述TiO2纳米纤维为多壁钛酸盐纳米纤维，具有多壁韧性的网孔状结构。

【技术特征摘要】
1.一种仿真骨小梁纳米骨骼材料，其特征在于，所述的仿真骨小梁纳米骨骼材料为表面取向生长的纳米柱与修饰纳米颗粒的TiO2纳米纤维共同复合而成，其中，所述取向生长纳米柱的材料为生物相容性材料，所述纳米颗粒的材料为压电材料，所述TiO2纳米纤维为多壁钛酸盐纳米纤维，具有多壁韧性的网孔状结构，所述纳米柱的材料为Ti、TiO2、SnO2中的任意一种；所述的压电材料为ZnO，其通过如下方法制备得到：(1)水热法制备多壁钛酸盐纳米纤维：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，并用浓度为1～3mol/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，在钛片上得到网孔状的多壁钛酸盐纳米纤维阵列；(2)采用电化学工作站IM6的恒电流/电压模式，在三电极反应池中，类体液SBF作沉积液，步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：董文钧，陈旭，
申请(专利权)人：南京文钧医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32