用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层，该涂层由矿化胶原与Fe3O4纳米颗粒构成，且Fe3O4纳米颗粒分布于矿化胶原中，该涂层采用磁场辅助的交替电位法，通过调整电解液组成、沉积过程中磁场强度等参数，将纳米磁性颗粒复合到矿化胶原中，在金属植入体表面制得具有磁响应以及结构可控的矿化胶原的改性层。该方法通过外磁场和电化学沉积的有效组合实现结构可控的磁响应矿化胶原涂层制备，进而对细胞分化行为进行调控，在硬骨组织修复中具有应用前景。

【技术实现步骤摘要】
用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种涂层及其制备方法，尤其涉及一种用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层及其制备方法。
技术介绍
自然骨的生长重建过程处于动态微环境中，骨组织在日常活动中会受到一定频率的物理刺激。因此细胞/组织生长除了需要材料提供静态生物微环境外，生物学刺激也是必不可缺的重要调制手段。大量研究证明适当的力学刺激在成骨生长或骨重塑过程中，起着相当重要的促进和调制作用。磁性纳米颗粒由于其被证实的生物相容性以及在外磁场下的可操作性近几年被广泛应用于生物医学领域。磁性纳米颗粒在外磁场下发生磁矩的再定位，引起颗粒的旋转甚至定向排列，颗粒与颗粒之间在沿着磁场方向产生吸引力，在垂直磁场方向产生排斥力。水凝胶是一种柔性材料，溶胀后可在外力作用下发生形变。通过在水凝胶中复合磁性颗粒，利用颗粒在外磁场下的运动对水凝胶施加外力，导致凝胶网络的变构进而对其上细胞实现力学刺激。目前磁性水凝胶在组织工程支架的应用相对广泛，作为表面修饰却鲜有报道。因此我们希望寻求一种合适的可制备在植入体表面的材料，并且利用外磁场对细胞实现力学刺激。矿化胶原具有类似于水凝胶的性质，在生理环境中会发生再溶胀。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层及其制备方法。本专利技术的用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层，其特征在于，该涂层由矿化胶原与Fe3O4纳米颗粒构成，且Fe3O4纳米颗粒分布于矿化胶原中，所述的涂层具有0.1～10emu/g的饱和磁化强度，1～3的溶胀度。上述技术方案中，进一步的，所述的涂层中矿化胶原呈定向排列，且Fe3O4纳米颗粒集中分布于涂层的表层中。呈定向排列的矿化胶原其纤维尺寸在0.3～2μm。进一步的，所述的Fe3O4纳米颗粒的尺寸为30-200nm，选择该尺寸可以确保涂层顺利沉积并保持均匀的结构。进一步的，所述的Fe3O4纳米颗粒占涂层质量比为0.1％-10％，当Fe3O4纳米颗粒量过大时会造成涂层力学性能的下降并会产生细胞毒性，影响其后续应用。制备如上所述的结构可控的磁响应矿化胶原的方法，包括以下步骤：1)清洁金属基板表面；2)配制电解液：将含钙化合物溶于水中，配制成钙浓度为10～100mM的水溶液，将含磷化合物溶于水中，配制成含磷浓度为10～100mM的水溶液，将含钙水溶液和含磷水溶液搅拌混合获得钙磷混合溶液；将I型胶原溶于醋酸中搅拌形成胶原溶液，其胶原浓度为0.5g/L，将胶原溶液和浓度为0.01～1mg/mL的Fe3O4纳米颗粒溶胶加入上述钙磷混合溶液中，使Fe3O4纳米颗粒和胶原的质量比为0.25～1，调整电解液pH值为4.2～4.5；3)以步骤1)的金属基板为阴极，铂电极为阳极，采用正负交替电位法模式进行电化学沉积，沉积电压负压为-4～-2V，正压为2～4V，分段交替沉积，沉积过程中施加平行于基板的磁场，沉积结束后取出基板，用去离子水清洗，干燥，得到用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层。其中，所述的I型胶原优选为倍菱液态胶原。所述的磁场的强度为10～300mT，施加时长为0-30min。所述的含钙化合物为Ca(NO3)2·6H2O或CaCl2；所述的含磷化合物为NH4H2PO4或NaH2PO4。本专利技术的技术方案将磁性颗粒复合到矿化胶原涂层中，根据纳米磁性颗粒在磁场中的行为以及和胶原纤维的结合方式，在电沉积过程中施加磁场可以调控胶原纤维的排列方式，通过调控沉积电压的大小和交替方式可调控磁性颗粒在整个涂层中的分布，制备获得结构可控且具有磁响应的矿化胶原涂层，当在生理环境中施加外磁场，磁性颗粒在胶原凝胶中具有可动性，会尽可能朝着磁场方向进行排列，从而扰动胶原网络构架，引起涂层表面的应力改变甚至变形，进而影响涂层表面粘附细胞的细胞膜应力改变，产生力学信号被细胞转导并影响其后续的增殖分化行为。尤其是在生长过程中通过磁场的调控可实现胶原纤维的定向排列，从而有利于引导细胞取向排列，在此基础上施加外磁场，实现表面拓扑结构和力学刺激的协同作用，为诱导干细胞定向分化提供基础。本专利技术利用外磁场和电化学沉积制备获得可定向排列的磁响应矿化胶原涂层，通过改变沉积参数实现定向纤维尺寸的可控，以及涂层在外磁场下的响应，通过调控细胞的取向生长以及力学刺激促进其成骨分化，在硬骨组织修复领域具有一定的应用前景。附图说明图1是实施例1-3样品中Fe3O4纳米颗粒在涂层中的分布图，其中(a-1)、(b-1)、(c-1)分别为(a)、(b)、(c)对应的高倍图。图2是不同分布的Fe3O4纳米颗粒的细胞响应性结果。图3是纤维定向排列的磁性矿化胶原涂层。图4是不同结构涂层表面细胞的铺展情况。具体实施方式以下结合具体实例来说明本专利技术：实施例1配制电解液：将Ca(NO3)2·6H2O溶于水中，配制成钙浓度为100mM的Ca(NO3)2水溶液，将NH4H2PO4溶于水中，配制成含磷浓度为100mM的NH4H2PO4水溶液，将Fe3O4纳米颗粒配成0.5mg/mL的溶胶。将倍菱液态胶原溶于0.005mol/L醋酸中，搅拌后形成胶原浓度为0.5g/L的溶液，将上述四种溶液混合使得Fe3O4纳米颗粒和胶原的质量比为0.67，再用NH3·H2O溶液调整电解液pH值为4.4。以表面清洁处理后的钛板作为阴极，铂电极作为阳极，阴阳两电极间距为1cm，取15mL电解液置于在37℃恒温槽中，采用交替变压沉积模式，第一段施加电压为-2.4V，施加时间为120s；第二段施加电压为2V，施加时间为60s；第三段施加电压为-2.4V，施加时间为240s；第四段施加电压为2V，施加时间为120s，第五段施加电压为-2.4V,施加时间为480s；第六段施加电压为2V,施加时间为300s；第七段施加电压为-4V，施加时间为180s；第八段施加电压为-2.4V，施加时间为420s。在本例制备的试样表面形貌见图1(a)，可以看出其中纳米颗粒集中分布于涂层表层中，标记为O-IOPs-MC，在该涂层上培养成骨细胞1天、5天和7天后的表征结果见图2。实施例2配制电解液：将Ca(NO3)2·6H2O溶于水中，配制成钙浓度为100mM的Ca(NO3)2水溶液，将NH4H2PO4溶于水中，配制成含磷浓度为100mM的NH4H2PO4水溶液，将Fe3O4纳米颗粒配成0.5mg/mL的溶胶。将倍菱液态胶原溶于0.005mol/L醋酸中，搅拌后形成胶原浓度为0.5g/L的溶液，将上述四种溶液混合使得Fe3O4纳米颗粒和胶原的质量比为0.5，再用NH3·H2O溶液调整电解液pH值为4.3。以表面清洁处理后的钛板作为阴极，铂电极作为阳极，阴阳两电极间距为1cm，取15mL电解液置于在37℃恒温槽中，采用交替变压沉积模式，第一段施加电压为-2.4V，施加时间为120s；第二段施加电压为2V，施加时间为60s；第三段施加电压为-4V，施加时间为180s；第四段施加电压为-2.4V，施加时间为60s，第五段施加电压为2V,施加时间为120s；第六段施加电压为-2.4V,施加时间为480s；第七段施加电压为2V，施加时间为300s；第八段施加电压为-2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层，其特征在于，该涂层由矿化胶原与Fe3O4纳米颗粒构成，且Fe3O4纳米颗粒分布于矿化胶原中，所述的涂层具有0.1～10emu/g的饱和磁化强度，1～3的溶胀度。

【技术特征摘要】
1.一种用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层，其特征在于，该涂层由矿化胶原与Fe3O4纳米颗粒构成，且Fe3O4纳米颗粒分布于矿化胶原中，所述的涂层具有0.1～10emu/g的饱和磁化强度，1～3的溶胀度。2.根据权利要求1所述的用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层，其特征在于，所述的涂层中矿化胶原呈定向排列，且Fe3O4纳米颗粒集中分布于涂层的表层中。3.根据权利要求1所述的用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层，其特征在于，所述的Fe3O4纳米颗粒的尺寸为30-200nm。4.根据权利要求2所述的用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层，其特征在于，所述的Fe3O4纳米颗粒占涂层质量比为0.1％-10％。5.根据权利要求2所述的用于医用金属植入体表面的结构可控的磁响应矿化胶原涂层，其特征在于，所述的呈定向排列的矿化胶原其纤维尺寸在0.3～2μm。6.制备如权利要求1所述的结构可控的磁响应矿化胶原的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)清洁金属基板表面；2)配制电解液：将含钙化合物溶于水中，配制成钙浓度为10～100mM的水溶液，将含磷化合物溶于水中，配制成含磷浓度为10～100mM的水溶液，将含钙水溶液和含磷水溶液搅拌混合获得钙磷混合溶液；将I...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁文剑，庄均珺，程逵，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33