光电响应型氧化锰-碳复合涂层及其制备方法和在神经和骨组织修复中的应用技术

本发明专利技术公开一种光电响应型氧化锰

【技术实现步骤摘要】
光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层及其制备方法和在神经和骨组织修复中的应用


[0001]本专利技术涉及一种光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层及其制备方法和在神经和骨组织修复中的应用，属于生物医用


技术介绍

[0002]在人体的骨骼系统中，神经组织主要分布在骨代谢活跃的区域，其正常功能对于维持骨骼微环境稳定和促进骨折愈合至关重要。例如，当人体发生骨折后，神经细胞分泌的降钙素基因相关肽(Calcitonin gene related peptide，CGRP)可促进骨组织再生，利于术后骨植入材料实现骨整合。然而，当神经系统发生病变或功能损伤时，骨折周围神经支配不足，这使得骨折部位常表现为骨痂强度低、骨折愈合延迟和骨不连，严重制约了骨修复过程。因此，开发具有促进良好神经再生功能的新型骨修复材料对于促进神系统经病变或损伤患者的骨修复具有重要意义。
[0003]金属钛及其合金具有良好的生物相容性、化学稳定性和耐腐蚀性，是临床上常用的骨植入材料。但钛表面的生物惰性使其促进成骨和神经再生的能力不足。电信号是人体神经、骨骼等组织中普遍存在的一种生物信号，并在调控细胞增殖、迁移、基因表达等方面发挥着重要作用。近年来，作为一种成本低、安全性高和可控性好的电刺激模式，非侵入式的光电刺激被广泛用于研究神经、骨骼、肌肉等的修复。因此，在钛及其合金表面制备具有光电响应特性的生物涂层，有望刺激对电信号敏感的成骨细胞和神经细胞，到达促进骨和神经组织快速修复的目的。
[0004]现有研究表明，光刺激下的TiO2基涂层可调控细胞的黏附、生长和分化行为。然而，TiO2半导体材料的带隙较宽(～3.1eV)，只能响应波长较短的紫外光，这种高能量的紫外光辐照极易造成细胞损伤。相比而言，氧化锰是一类常见的窄带隙(1.4
‑
2.7eV)半导体材料，在可见
‑
部分红外光波段具有较强的光吸收能力，可避免使用紫外光产生的细胞毒性。此外，适量的Mn
2+
还能活化细胞整联蛋白，激活胞内信号通道，利于神经或成骨细胞的分化。然而，氧化锰半导体的导电性不足，不利于光生电子和空穴的有效分离。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术提供一种光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层及其制备方法和在神经和骨组织修复中的应用。所述复合涂层具有良好的生物活性和光电响应特性，能在外加光照下产生光电流刺激神经细胞增殖，并且能促进神经细胞释放神经肽，潜在性地调控骨组织修复。同时，氧化锰
‑
碳表面的成骨细胞在光照下呈现出较好的成骨分化能力。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层。所述氧化锰
‑
碳涂层是在具有连通孔结构的氧化锰纳米片层表面原位负载碳材料的生物涂层。碳材料层的引入保留了氧化锰的纳米片层和连通孔结构，具有比表面积大的特点，可促进细胞的黏附，以及
增强光电信号对细胞的刺激效果。所述复合涂层中碳材料包裹于氧化锰片层表面且与氧化锰接触紧密以将氧化锰在光照条件下产生的光电子迅速转移。一些技术方案中，所述复合涂层将氧化锰与导电性良好的碳材料(例如石墨或者碳纳米管)复合，促进氧化锰中光生载流子快速转移，并提高材料的光吸收范围，通过光电刺激促进神经和骨组织再生，为研究开发新型的光电响应型骨
‑
神经组织修复用涂层材料提供可能。
[0007]所述生物涂层中碳的质量比为1
‑
30％。此时碳材料能显著增强复合涂层的导电性，提高光电响应特性，并保留氧化锰层的纳米结构。碳的质量比可进一步优选为5
‑
25％。
[0008]较佳地，所述氧化锰纳米片由粒径0.01
‑
2μm的氧化锰颗粒形成，纳米片的厚度为1
‑
30nm。
[0009]较佳地，所述连通孔结构的孔径为0.02
‑
2μm。
[0010]较佳地，所述复合涂层的厚度为1
‑
20μm，优选为1
‑
5μm。
[0011]第二方面，本专利技术提供上述任一项所述的光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：
[0012](1)水热反应制备氧化锰涂层：以高锰酸钾为锰源，盐酸为还原剂，氯化钾为结构稳定剂，并上述原料溶于去离子水得到混合溶液，随后使用该混合溶液在基材表面采用水热反应法原位生长氧化锰片层；
[0013](2)将步骤(1)制备的氧化锰片层在葡萄糖溶液中浸泡一段时间后，在氩气氛围下于200
‑
600℃退火1
‑
4h，得到光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层。
[0014]本专利技术采用水热反应联合高温碳化法，在基材表面原位生长具有纳米结构的氧化锰
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碳(MnO
‑
C)复合涂层。
[0015]较佳地，所述基材包括医用金属或合金材料，优选为纯钛、钛合金、不锈钢或钴铬钼合金中至少一种。
[0016]较佳地，步骤(1)中，高锰酸钾的浓度为0.001
‑
0.01mol/L，盐酸的浓度为高锰酸钾的1
‑
5倍，氯化钾的浓度为高锰酸钾的1
‑
5倍。
[0017]较佳地，步骤(1)中，水热反应温度为80
‑
180℃，水热反应时间为0.5
‑
24h。将水热反应温度和反应时间控制在上述范围内，能够在基材表面形成纳米片层结构以及避免纳米片层结构被破坏。
[0018]较佳地，步骤(2)中，所述葡萄糖溶液浓度为0.1
‑
2wt.％，浸泡时间为2
‑
48h。
[0019]较佳地，步骤(2)中，退火温度为200
‑
600℃，时间为1
‑
4h。退火温度过低，时间过短，这不利于将氧化锰表面吸附的葡萄糖转化为导电性良好的碳材料例如石墨。退火温度过高，时间过长，纳米片层结构易被破坏。
[0020]第三方面，本专利技术提供了上述任一项所述的光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层在神经和骨组织修复中的应用。
附图说明
[0021]图1为MnO和MnO
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C涂层的SEM照片；图2中的A为MnO和MnO
‑
C涂层的XRD图谱，B为MnO和MnO
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C涂层的拉曼图谱；图3中的A为MnO和MnO
‑
C涂层的电化学阻抗谱(EIS)，B为MnO和MnO
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C涂层的UV
‑
Vis
‑
NIR漫反射光谱；
图4中的A为红光辐照时不同样品的光电流密度曲线，B为MnO
‑
C复合涂层在加入VC时的光电流密度曲线；图5中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层，其特征在于，所述氧化锰
‑
碳涂层是在具有连通孔结构的氧化锰纳米片层表面原位负载碳材料的生物涂层，碳材料包裹于氧化锰片层表面且与氧化锰接触紧密以将氧化锰在光照条件下产生的光电子迅速转移；所述生物涂层中碳的质量比为1
‑
30%，优选为5
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25%。2.根据权利要求1所述的光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层，其特征在于，所述碳材料至少部分为导电碳材料；优选地，所述导电碳材料为石墨和/或碳纳米管。3.根据权利要求1或2所述的光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层，其特征在于，所述氧化锰纳米片由粒径0.01
‑
2 μm的氧化锰颗粒形成，纳米片的厚度为1
‑
30 nm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层，其特征在于，所述连通孔的孔径为0.02
‑
2 μm。5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电响应型氧化锰
‑
碳复合涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：（1）水热反应制备氧化锰涂层：以高锰酸钾为锰源，盐酸为还原剂，氯化钾为结构稳定剂，并上述原料溶于去离子水得到混...

【专利技术属性】
技术研发人员：李恺，刘诗伟，邵丹丹，闫咨汝，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：