一种微生物矿化修饰表面的硅酸钙陶瓷及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种微生物矿化修饰表面的硅酸钙陶瓷及其应用，所述微生物矿化修饰表面的硅酸钙生物陶瓷通过将硅酸钙陶瓷浸入含有产脲酶菌、尿素和CaCl2的培养基溶液中，并控制矿化时间48～72小时，初始菌种含量7

【技术实现步骤摘要】
一种微生物矿化修饰表面的硅酸钙陶瓷及其应用


[0001]本专利技术涉及一种具有促成骨活性的表面形成有微生物矿化微纳米结构的硅酸钙陶瓷与应用，属生物医用材料领域。

技术介绍

[0002]人工合成的硅酸钙陶瓷是具有良好生物活性的可降解材料，但是由于其降解速度快以及缺乏生物相容性，不利于细胞在材料表面的粘附、增殖和分化，因此尚缺乏良好的诱导成骨活性[Biomaterials.2008；29:4392]。研究表明，在材料表面构筑微纳米结构可以明显提高细胞粘附、增殖和成骨分化性能，进而改善这类材料的骨诱导活性[Acta Biomaterialia.2012；8:3794]。碳酸钙是自然界中最广泛存在的生物矿化产物，同时也是人体骨组织的主要成分之一，具有天然的生物相容性、生物降解性和骨传导性[Chem.Commun.2010；46:6578]。但是在既定浓度的溶液中碳酸钙晶体生长迅速且与基底材料难以形成牢固的粘合力，在陶瓷材料表面构建微纳米碳酸钙结构仍面临挑战。因此，发展一种简单易行、成本低廉的方法在硅酸钙陶瓷表面制备碳酸钙微纳结构以具有良好诱导成骨活性具有重要意义和应用价值。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的是提供一种通过微生物矿化作用在表面构建功能化微纳结构的硅酸钙生物陶瓷。
[0004]为实现上述目的，本专利技术人进行了广泛而深入的研究。产脲酶菌(如Staphylococcus cohnii)能够缓慢分解底物尿素产生NH3，在细菌周围形成pH与CO
32+
增加的微环境。细胞壁由于含有大量负电性集团能够与环境中的Ca
2+
发生相互作用参与碳酸钙的成核和生长[Earth
‑
sci.Rev.2015；148:1]。但目前对微生物辅助构建表面微纳米化硅酸钙陶瓷尚缺乏研究。本专利技术人经锐意研究得出，上述问题可以由下面描述的专利技术来解决，由此，完成本专利技术。
[0005]本专利技术的微生物矿化修饰表面的硅酸钙生物陶瓷，其特征在于，所述微生物矿化修饰表面的硅酸钙生物陶瓷通过将硅酸钙陶瓷浸入含有产脲酶菌、尿素和CaCl2的培养基溶液中，并控制矿化时间48～72小时，初始菌种含量(即所述培养基溶液中所述产脲酶菌的初始含量)7
×
10
12
～2.1
×
10
13
CFU/ml，在所述硅酸钙陶瓷表面形成具有微纳米结构的矿化层而得。
[0006]本专利技术的微生物辅助构建表面微纳米化硅酸钙生物陶瓷，将硅酸钙陶瓷浸入含有产脲酶菌、尿素、CaCl2的培养基溶液中，并调控矿化时间、菌种含量，成功地使微生物通过矿化作用在硅酸钙陶瓷表面逐渐形成了微纳米碳酸钙结构，其微纳拓扑形貌及碳酸钙成分有效刺激了细胞粘附、增殖与成骨分化，这种具有良好生物活性的仿生界面有利于提高了植入体的成骨活性和骨整合性能。本专利技术的表面形成有微纳米碳酸钙结构的硅酸钙生物陶瓷能够显著促进成骨细胞、骨髓间充质干细胞的粘附、增殖和成骨分化，可以在硬组织缺损
修复领域获得应用。
[0007]较佳地，所述产脲酶菌为科氏葡萄球菌(Staphylococcus cohnii)，该菌种的脲酶活性适中，可诱导产生微纳米尺度的碳酸钙颗粒。
[0008]所述矿化层的厚度可为1～5μm。
[0009]所述矿化层具有凸起部，所述凸起的宽度可为50～100nm，高度可为50～100nm。
[0010]可以将矿化后的硅酸钙陶瓷清洗、高温高压灭菌、晾干，得到微生物矿化层。硅酸钙陶瓷经过微生物矿化修饰后，表面形成了微纳米碳酸钙结构，经过高温高压灭菌后，仍然保持良好的形貌结构。
[0011]所述硅酸钙陶瓷中硅酸钙可为α
‑
CaSiO3。
[0012]所述硅酸钙陶瓷可以是三维打印陶瓷支架。
[0013]所述硅酸钙陶瓷可以通过如下方法制备方法：将β
‑
CaSiO3粉体与3D打印树脂混合，配制光固化打印浆料，通过光固化打印得到素坯体；将所述素坯在1200～1300℃温度下保温2～5小时，得到硅酸钙生物陶瓷。
[0014]所述硅酸钙陶瓷可以通过如下方法制备方法：将β
‑
CaSiO3粉体与粘结剂混合，干压成型得到素坯；将所述素坯在1200～1300℃温度下保温2～5小时，得到硅酸钙生物陶瓷。
[0015]上述微生物矿化修饰表面的硅酸钙生物陶瓷可应用在制备修复硬组织缺损的材料中。
[0016]本专利技术的具有表面微纳米结构的硅酸钙生物陶瓷较传统平板结构硅酸钙陶瓷材料具有更好的促成骨髓间充质干细胞的铺展、增殖和成骨分化等生物学效应，且促进体内成骨活性，从而更适合大块骨缺损的修复。此外，本专利技术的微生物辅助构建表面微纳米化硅酸钙陶瓷制备工艺简单易行，成本低廉且便于推广，在普通的环境下就能完成、不需要昂贵的设备。
附图说明
[0017]图1为实施例1的不同矿化溶液中得到的样品表面的形态SEM扫描图(CS:2Dα
‑
CS陶瓷浸泡在2％尿素、15mM CaCl2的矿化液中72h后的样品；M
‑
CS:2Dα
‑
CS陶瓷浸泡在2％尿素、15mM CaCl2与培养基的矿化液中72h后的样品；CBM
‑
CS:2Dα
‑
CS陶瓷浸泡在7
×
10
12
CFU/ml Staphylococcus cohnii、2％尿素、15mM CaCl2与培养基的矿化液中72h后的样品)；图2为实施例1的不同矿化溶液中得到α
‑
CS陶瓷的XRD图；图3为细胞在实施例1的三种2Dα
‑
CS陶瓷片表面的形态SEM扫描图；图4分别为骨髓基质干细胞在实施例1的三种2Dα
‑
CS陶瓷片上的增殖效果；图5为骨髓基质干细胞在实施例1的CS、M
‑
CS以及CBM
‑
CS上分化结果；图6为实施例1的不同矿化溶液中(CS:3Dα
‑
CS陶瓷浸泡在2％尿素、15mM CaCl2的矿化液中72h后的样品；M
‑
CS:3Dα
‑
CS陶瓷浸泡在2％尿素、15mM CaCl2与培养基的矿化液中72h后的样品；CBM
‑
CS:3Dα
‑
CS陶瓷浸泡在1.4
×
10
13
CFU/ml Staphylococcus cohnii、2％尿素、15mM CaCl2与培养基的矿化液中72h后的样品)制备的3D支架的光学照片、SEM照片；图7为实施例1的不同矿化溶液中得到3Dα
‑
CS陶瓷的XRD图；图8为细胞在实施例1的三组3Dα
‑
CS陶瓷片表面的形态SEM扫描图；
图9分别为骨髓基质干细胞在实施例1的三种3Dα
‑
CS陶瓷片上的增殖效果；图10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微生物矿化修饰表面的硅酸钙生物陶瓷，其特征在于，所述微生物矿化修饰表面的硅酸钙生物陶瓷通过将硅酸钙陶瓷浸入含有产脲酶菌、尿素和CaCl2的培养基溶液中，并控制矿化时间48～72小时，初始菌种含量7
×
10
12 ～2.1
×
10
13 CFU/ml，在所述硅酸钙陶瓷表面形成具有微纳米结构的矿化层而得。2.根据权利要求1所述的硅酸钙生物陶瓷，其特征在于，所述产脲酶菌为科氏葡萄球菌。3.根据权利要求1或2所述的硅酸钙生物陶瓷，其特征在于，所述培养基溶液中所述产脲酶菌的含量为7
×
10
12 ～1.4
×
10
13 CFU/ml。4.根据权利要求1至3中任一项所述的硅酸钙生物陶瓷，其特征在于，所述矿化层的厚度为1～5μm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的硅酸钙生物陶瓷，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴成铁，李蒙蒙，
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：