[发明专利]锌在制备骨或关节修复再生材料中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及化学技术领域，具体是锌在制备骨或关节修复再生材料中的应用。

背景技术

众所周知，细胞与基底之间的相互作用是影响细胞活性的关键因素，其中包括了细胞的粘附、增殖及分化。相关实验已经证明，生物材料的表面形貌和化学组分可以对细胞产生显著的生物学影响。例如Zreiqat等已表明，使用二价微量元素如镁(Mg)和锌(Zn)进行表面化学修饰的钛合金(Ti-6Al-4V)可以调节骨细胞的活性。

近年来，羟基磷灰石(HA)通过等离子喷涂于植入体表面形成涂层已广泛应用于临床，其能诱导周围骨组织生长的能力毋庸置疑，但该涂层与钛基的结合强度欠佳以及降解性较高限制了它在临床的远期疗效。

CaSiO₃陶瓷是典型的钙硅基生物陶瓷材料，目前研究已证实其在SBF中能形成磷酸钙层和富硅层，产生类HA，具有骨传导和骨诱导的生物活性。由于其相对于HA拥有更加良好的生物活性和可降解性，以及其涂层与钛基底更高的结合强度，一度被研究作为可应用于骨再生和植入体涂层的有前景的陶瓷材料。然而，CaSiO₃机械强度低、化学稳定性较弱，因其较高的溶解率，会伴随浸泡过程降解，与基体间的结合强度降低，如在与钛基的结合强度会因浸泡液的腐蚀而显著降低等缺点，限制了它在临床的应用前景，在进一步研究中受到了重大限制。

于是，我们引入阳离子修饰的理念，将Zn离子通过溶胶凝胶法掺杂到CaSiO₃中获得了一种以Ca₂ZnSi₂O₇成份为主的新型材料(其中含少量Ca₂SiO₄和CaSiO₃)，并将该粉末高温融化后运用等离子喷涂的方法，在钛合金材料表面形成Ca₂ZnSi₂O₇陶瓷涂层。CaSiO₃陶瓷中锌的掺入形成了Ca₂ZnSi₂O₇陶瓷，也就是锌黄长石，研究发现锌的掺入提高了CaSiO₃陶瓷的化学稳定性和机械性能。我们选择Zn离子作为掺入的元素，不仅因为它具有提高CaSiO₃陶瓷结构稳定性的积极作用，而且同时也因为它是在人体中最重要的微量元素之一，并已被证明其通过对成骨细胞的刺激在骨骼发育、维护和修复中发挥着重要作用。通过XRD分别对制备好的原材料粉末及涂层后材料进行物相分析，证明等离子喷涂前后Ca₂ZnSi₂O₇陶瓷涂层的组成成分无明显改变。使用MC3T3-E1细胞，通过细胞毒性实验、粘附及增殖实验、成骨分化实验及抗菌实验等，证明了该涂层材料具有良好的细胞相容性、促成骨细胞粘附、增殖、分化的作用，及优秀的抗菌性能。

在前期工作中我们用于实验的Ca₂ZnSi₂O₇陶瓷涂层锌钙摩尔比为0.5，虽然实验已证实它对于MC3T3-E1细胞具有优秀的促粘附、增殖、成骨分化、矿化等一系列生物学活性具有明显的促进作用，但是该锌钙摩尔比是否为最优，以及该材料对于更具应用前景和实际意义的BMSCs是否具有同样优秀的效果仍然存在疑问。由于Zn离子对成骨细胞的生长有浓度依赖性(浓度过高对细胞有一定的毒性，过低则无显著效果)，且不同Zn离子浓度修饰的CaSiO₃陶瓷涂层与钛基体材料的结合强度不同、化学稳定性也不同。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出构建并优化锌修饰硅酸钙陶瓷涂层，研究锌钙摩尔比分别为0.1、0.3、0.5的锌修饰硅酸钙陶瓷涂层材料的表面形貌，对作为成骨细胞前体来源的BMSCs的生物学影响，探索理想出的锌钙摩尔比，系统研究Ca₂ZnSi₂O₇陶瓷涂层及其促粘附、增殖及促成骨分化的作用。

为了达到上述目的，本发明提出了一种锌在制备骨或关节修复再生材料中的应用，以正硅酸乙酯、硝酸锌及硝酸钙为原料制成锌修饰硅酸钙涂料，将所述锌修饰硅酸钙涂料涂覆在骨或关节修复再生材料的表面形成锌修饰硅酸钙涂层，并与所述骨或关节修复再生材料中的BMSCs共培养。