一种微区电势差异性骨植入材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于生物医用材料的技术领域，公开了一种微区电势差异性骨植入材料及其制备方法。所述方法为：(1)将压电材料进行极化处理，得到极化压电材料；(2)将极化压电材料的部分区域进行去极化处理，获得骨植入材料；此时骨植入材料由极化区域和去极化区域组成；极化区域与去极化区域相邻，所述极化区域和去极化区域中至少有一种区域为多个独立的区域，所述多个独立区域中每一独立区域为微区，所述微区是指独立区域的宽度、直径和/或面积为微米级。本发明专利技术骨植入材料具有微区电势差，可模拟骨组织微区电势的空间分布特征，模拟骨内电生理微环境，具有显著的促成骨效果。

A kind of micro area potential difference bone implant material and its preparation method

The invention belongs to the technical field of biomedical materials, and discloses a bone implant material with micro-area potential difference and a preparation method. The method is as follows: (1) polarizing the piezoelectric material to obtain the polarized piezoelectric material; (2) depolarizing part of the area of the polarized piezoelectric material to obtain the bone implant material; at this time, the bone implant material is composed of polarized and depolarized regions; the polarized region is adjacent to the depolarized region, and the polarized region and depolarized region are adjacent. At least one region in the polarization region is a plurality of independent regions, each of which is a microcell. The microcell refers to the width, diameter and/or area of the independent region in the order of microns. The bone implant material of the invention has a micro-area potential difference, can simulate the spatial distribution characteristics of the micro-area potential of bone tissue, simulate the intra-bone electrophysiological micro-environment, and has remarkable bone promoting effect.

【技术实现步骤摘要】
一种微区电势差异性骨植入材料及其制备方法
本专利技术属于生物医用材料
，具体涉及一种微区电势差异性骨植入材料及其制备方法。
技术介绍
天然骨组织具有压电性，来源于骨内线性排列的胶原分子，该压电特性对骨生长和重建过程都具有重要的意义。人体骨内的压电性胶原分子组装成为胶原纤维并进一步进行生物矿化组装形成多级骨结构，在骨内胶原和其他蛋白首先进行纳米级组装成为胶原纤维，再由胶原纤维进一步组装为胶原束，最终形成致密或者疏松的骨组织。因此，骨本身是一种由微米尺度分布的压电响应性结构组成的空间特异性的电学功能材料。这种具有空间特异性的骨结构可实现力电转换，对骨细胞施加电刺激，调控成骨过程。上述基础研究的成果对仿生构建具有空间压电特性的骨植入材料具有重要的指导意义。目前，已开发出铌酸钾钠基、钛酸钡基、铌酸锂基和聚偏氟乙烯基等生物压电材料，应用于骨修复研究领域。有研究利用羟基磷灰石和钛酸钡进行复合构建新型植入体材料，并通过冰模板的方法构建具有伸长孔径结构的不同孔隙率的多孔支架，其研究结果也表明该支架可以显著增加细胞增殖和成骨分化，但是该研究认为极化和未极化压电支架对成骨性能影响不大。此外，也有研究将钛酸钡作为添加剂加入到二氧化钛材料中，起到促进材料表面成骨细胞的增殖的作用。除用作块体直接植入以外，还有研究将钛酸钡的微米颗粒嵌入柔性基底，构建压电功能膜。如静电纺丝聚己内酯支架中添加钛酸钡，可以促进前成骨细胞的骨钙素基因的表达。上述评述表明，尚未有研究构建具有微区电势差异的功能微区用以促进成骨分化。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点和不足，也为了模拟由微米尺度组装的胶原纤维形成的体内压电性微区结构，本专利技术的目的在于提供一种微区电势差异性骨植入材料及其制备方法。本专利技术将压电材料进行极化处理，然后将部分极化压电材料区域进行去极化，压电材料形成了极化区域和去极化区域，去极化区域优选形成周期性排列，极化区域与去极化区域之间形成微区电势差，从而获得微区电势差异性骨植入材料。本专利技术的骨植入材料具有显著的促成骨效果。本专利技术目的是通过下述技术方案实现：一种微区电势差异性的骨植入材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将压电材料进行极化处理，得到极化压电材料；(2)将极化压电材料的部分区域进行去极化处理，获得骨植入材料；此时骨植入材料由极化区域和去极化区域组成；极化区域与去极化区域相邻，所述极化区域和去极化区域中至少有一种区域为多个独立的区域，所述多个独立区域中每一独立区域为微区，所述微区是指独立区域的宽度、直径和/或面积为微米级。宽度是指两条相对直线或曲线间的距离，这两条相对的直线或曲线的间距离相较于形成区域的其他相对直线或曲线的距离要小。如：区域为长方形，则宽为微米级；区域为圆形，则直径为微米级；区域为椭圆形，则短轴为微米级。当极化区域和去极化区域都为多个独立的区域时，极化区域与去极化区域相间排列或周期性排列。当极化区域为整体区域，去极化区域为多个独立区域时，去极化区域周期性排列，每一去极化区域的四周为极化区域。所述极化为高压极化，极化的条件为极化电压为0.5-20kV/cm，极化处理时间为5-30min；所述压电材料为铌酸钾钠、钛酸钡基、铌酸锂基或聚偏氟乙烯压电材料中一种以上；步骤(1)中所述压电材料为片状；步骤(2)中所述去极化处理是指采用光纤激光器对极化压电材料的部分区域进行激光处理，使部分区域去极化；激光处理的条件为激光功率为1-8W，扫描速度50-200mm/s。步骤(2)中去极化区域与相邻极化区域的表面电势差为10-1000mV。步骤(2)中宽度、直径为微米级时，优选为1-200μm。步骤(2)中去极化处理是指采用激光器进行去极化处理，所述激光器为光纤激光器、气体激光器、固体激光器或半导体激光器。所述微区电势差异性的骨植入材料通过上述方法制备得到。本专利技术通过聚焦激光束选区诱导去极化改变生物活性压电材料的微区电畴取向进而改变微区表面电势的方式实现。当前多数骨植入材料主要围绕骨的成分和结构进行仿生设计，电信号在成骨过程中的作用往往被忽视。研究发现骨本身具有压电性，在骨内存在由空间周期性排列的压电性胶原纤维和非压电性结构形成的骨基质微区电学环境。本专利技术构建的微区压电差异性骨植入材料，可模拟骨内电生理微环境对细胞施加电信号，调控骨髓间充质干细胞成骨分化和骨整合过程。本专利技术所制备的微区电势差异性植入材料，可模拟骨组织微区电势的空间分布特征，模拟骨内电生理微环境，具有显著的促成骨效果。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：本专利技术的骨植入材料可模拟骨内由空间周期性排列的压电性胶原纤维和非压电性结构形成的骨基质微区电学环境，对细胞施加电信号，调控骨髓间充质干细胞成骨分化和骨整合过程。本专利技术的骨植入材料具有显著的促成骨效果。本专利技术方法的简单、高效，实现了快速、高效、精确仿骨微区电学环境植入材料的构建。附图说明图1为本专利技术的微区电势差异性植入材料的电学特性示意图；图2为实施例1中极化铌酸钾钠和微区诱导去极化铌酸钾钠的扫描电镜图；其中(a)为极化铌酸钾钠的SEM图，(b)激光诱导微区去极化铌酸钾钠的SEM图；图3为实施例1的微区电势差异性的骨植入材料的开尔文力显微镜测表面电势图；(a)激光未作用微区的表面电势图，(b)激光作用微区的表面电势图；图4为实施例1的微区电势差异性的骨植入材料的碱性磷酸酶染色图；(a)微区电势差异性骨植入材料，(b)生物活性羟基磷灰石材料。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。为模拟由微米尺度组装的胶原纤维形成的体内微区电势差异结构，本专利技术提供一种制备微区电势差异性骨植入材料的方法。本方法通过聚焦激光束的微区热效应在极化的压电材料表面选区诱导微区去极化，改变生物活性压电材料的微区电畴取向，进而改变材料表面微区电势。本专利技术的微区电势差异性植入材料的电学特性示意图如图1所示，其中激光未作用微区电畴取向(极化区域)由于前期的外加电场极化作用趋于一致，表面带正电荷；激光作用微区(去极化区域)则由于激光热作用导致微区去极化，电畴取向杂乱无章，表面相对正电荷量少。实施例1一种微区电势差异性的骨植入材料的制备方法，包括以下步骤：(1)利用砂纸对生物压电材料铌酸钾钠进行梯度打磨、去离子水清洗并真空干燥；降低压电材料表面粗糙度，去离子水超声清洗为去除材料表面黏附的砂纸纳米颗粒；(2)将铌酸钾钠压电材料在油浴中进行高压极化，得到极化压电材料，高压极化的条件为：极化电场为2kV/cm，极化处理时间为15min；(3)对光纤激光器进行聚焦，使用光纤激光器对极化压电材料进行微区激光处理，引发微区去极化以构建微区电势差异性的骨植入材料；去极化的条件为：激光功率为3W，扫描速度100mm/s，扫描路径为周期性100μm间隔分布的条纹；所述骨植入材料由间隔分布条纹状的极化区域和去极化区域组成，极化区域和去极化区域的宽度为100μm。本实施例的骨植入材料扫描电镜形貌如图2所示，其中(a)为极化铌酸钾钠的SEM图，(b)激光诱导微区去极化铌酸钾钠的SEM图。激光作用未引起材料表面形貌变化。去极化后微区的压电常数降为零，极化区域与去极化区域形成电势差。本实施例的骨植入材料中极化区域与去极化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微区电势差异性的骨植入材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将压电材料进行极化处理，得到极化压电材料；(2)将极化压电材料的部分区域进行去极化处理，获得骨植入材料；此时骨植入材料由极化区域和去极化区域组成；极化区域与去极化区域相邻，所述极化区域和去极化区域中至少有一种区域为多个独立的区域，所述多个独立区域中每一独立区域为微区，所述微区是指独立区域的宽度、直径和/或面积为微米级。

【技术特征摘要】
1.一种微区电势差异性的骨植入材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将压电材料进行极化处理，得到极化压电材料；(2)将极化压电材料的部分区域进行去极化处理，获得骨植入材料；此时骨植入材料由极化区域和去极化区域组成；极化区域与去极化区域相邻，所述极化区域和去极化区域中至少有一种区域为多个独立的区域，所述多个独立区域中每一独立区域为微区，所述微区是指独立区域的宽度、直径和/或面积为微米级。2.根据权利要求1所述微区电势差异性的骨植入材料的制备方法，其特征在于：当极化区域和去极化区域都为多个独立的区域时，极化区域与去极化区域相间排列或周期性排列；当极化区域为整体区域，去极化区域为多个独立区域时，去极化区域周期性排列，每一去极化区域的四周为极化区域。3.根据权利要求1所述微区电势差异性的骨植入材料的制备方法，其特征在于：所述极化为高压极化，极化的条件为极化电压为0.5-20kV/cm...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁成云，于鹏，王珍高，周正难，黎昌昊，张珂嘉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44