[发明专利]一种制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生溶液及仿生方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种在钛或钛合金表面制备含硅羟基磷酸钙涂层的仿生方法，它适合对钛及钛合金表面进行表面生物活化处理，应用于骨植入体。 

背景技术：

钛及钛合金因其优良的生物相容性在医用骨修复材料领域得到广泛的应用。但是由于其生物惰性，与骨组织的界面结合处往往存在纤维结缔组织，界面的结合强度不足。因此，必须对钛及钛合金的表面进行表面生物修饰，以提高其表面骨诱导性。 

对钛及钛合金进行表面羟基磷酸钙涂层处理可以显著地提高钛及钛合金表面的骨组织诱导性，提高与骨组织的界面结合强度。因此，在商业钛及钛合金骨植入体表面大多要进行表面羟基磷酸钙涂层处理。但是，在实际的骨组织中并不存在等化学比的羟基磷酸钙，而是不同程度地缺乏Ca、P和^-OH。并且大量的其它元素和基团存在于骨组织中，例如碳酸根含量达到8wt.％，微量元素(含量小于1wt.％)有Na、Mg、K、Zn、Sr、Ba、Cu、Al、Fe、F、Cl和Si等。类骨磷酸钙结构中的替代物影响其溶解性、表面化学性质和晶体生长的形态及表面的生物活性，特别是Si。结构中含有Si的羟基磷酸钙较等化学比羟基磷酸钙表现出更好的生物活性。 

Si广泛地存在于哺乳动物体内。血清中大约含Si 1ppm，肝脏、肺、肾、和肌肉中约含有2-10ppm的Si。在骨和韧带中含有100ppm的Si，在软骨和其它结缔系统中含200-600ppm的Si。在软骨和脐带束结缔系统中的类似于透明质酸、硫酸软骨素、硫酸真皮素和硫酸乙酰肝素这样的细胞外基质中的含量高达200-550ppm。 

硅可以促进造骨细胞的增殖、分化和胶原质产生。人骨细胞培养时补充硅，骨生成增加。例如，硅补充水平在0-50mM(0-1.4ppm)，胶原I型合成增加1.8倍，同时碱性磷酸酶和骨钙活性增加1.5和1.2倍。采用来自含硅磷酸钙(Si-TCP) 的水合硅培养老鼠骨细胞，结果表明Si剂量影响造骨细胞和破骨细胞的响应。Si的水平为0-100ppm可刺激造骨细胞，而破骨细胞则显示出更复杂的响应。在低于30ppm时，Si刺激破骨细胞的发展，而高于30ppm时阻碍破骨细胞发展和再吸收。采用生物玻璃的离子产物培养老鼠头骨细胞，表明可以显著促进老鼠头骨细胞体外环境培养的细胞的增殖、分化、胶原分泌以及提高发育能力。 

硅含量对软骨合成有刺激性作用，并且对生理学再吸收过程也有影响。小牛在持续23周接受充足的正硅酸后血浆中硅水平增加70％，并且相应地软骨中胶原质含硅量增加。硅影响生物体重变化和健康发育。硅缺乏可以导致小鸡体重增加缓慢，硅缺乏还有可能导致小鸡的鸡冠、皮肤和骨头的畸形。小鸡血清中硅含量低，这些会引起胫骨、骨节和跖骨端部变形。 

硅对骨骼的形成和矿化有重要的作用。当钙磷重量比低时(0.7)，在钙化的早期阶段，硅的水平在0.5wt％，矿化进一步发展，钙磷比接近于羟基磷酸钙的水平(1.67)时，硅的水平降低。水化硅的存在矿化过程中直接起作用，在阻碍羟基磷酸钙沉淀的蛋白质存在的情况下，Si(OH)₄形式的水合硅可诱导电解质溶液中的羟基磷酸钙沉淀。硅影响骨的重建过程。硅缺乏的老鼠体内小梁骨体积减少48％，而接正硅酸溶液或雌二醇治疗的老鼠在破骨细胞面积方面降低20％。与缺乏硅的老鼠比较，硅充足的老鼠的骨生长率增加38.3％。硅缺乏的老鼠还观察到了头骨和牙齿珐琅质的畸形以及骨的水和甘油缺乏。 

介于Si对生物体特别是对骨形成和生长的影响，研究者将含Si羟基磷酸钙作为一种生物材料。已经有文献报道了含硅羟基磷酸钙(Si-HA)和含硅磷酸钙(Si-TCP)出众的生物学性能。体内试验研究比较了Si-HA和羟基磷酸钙(HA)颗粒的生物活性，表明在Si-HA颗粒中比HA颗粒对照样中骨内长入增加14.5％。在Si-HA和HA与骨界面磷灰石形态和事件的顺序不一样。6周后在骨/Si-HA界面形成组织化的胶原小纤维，而对于HA这些结构在12周才形成。骨的粘附、内长入和调整重建很明显受到Si-HA中Si含量的影响。长期的研究结果表明：初始的Si-TCP基支架1年以后仅有10-20％保留，支架在2年后完全被吸收被新形成的片状骨组织代替。与之对比有相同孔隙度等化学比的HA支架5年后仍非常完整。Si-HA和Si-TCP两者都支持造骨细胞从单核先躯体发展，并且材料可以被破骨细胞吸收。Si-HA和Si-TCP还表现出随着体内形成新基体的增加类似破骨细胞的骨生成。