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艾因斯新蟲 (小有名氣)
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[交流]
用于骨填充材料的多孔碳化硅表面新型鉭涂層
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介紹 植入自體骨移植物或同種異體骨移植物是治療大骨缺損的已知策略。然而，有限的供應(yīng)，供體部位的發(fā)病率和感染的風(fēng)險(xiǎn)是其臨床應(yīng)用的主要缺點(diǎn)。組織工程學(xué)正試圖通過(guò)使用細(xì)胞和生物支架開發(fā)骨替代物來(lái)解決這一問(wèn)題。迄今為止，F(xiàn)DA已經(jīng)批準(zhǔn)了幾種骨替代物用于臨床應(yīng)用，使用了多種支架材料。然而，它們中的大多數(shù)具有相對(duì)較差的機(jī)械強(qiáng)度，不能滿足許多應(yīng)用的要求。因此，需要制造具有改善的機(jī)械性能和生物相容性的新支架。 近年來(lái)，一些研究開發(fā)了生物陶瓷作為新型骨植入支架。其中多孔碳化硅（SiC）由于其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如強(qiáng)度、抗氧化性和耐腐蝕性而日益受到關(guān)注。聚合物熱解結(jié)合液相滲透反應(yīng)法制備生物相容性SiC泡沫。碳化硅泡沫具有連續(xù)連通的開孔結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能良好。碳化硅泡沫的表觀密度可控制在約0.4至1.3克/立方厘米之間，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度約為13-60兆帕，抗彎強(qiáng)度約為8-30兆帕。從而證明了碳化硅可用于修復(fù)形狀復(fù)雜的材料負(fù)重骨缺損。 此外，為了進(jìn)一步改善植入物的骨結(jié)合性能，已經(jīng)嘗試了通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在植入物和組織之間的界面上形成結(jié)合的不同方法。為此目的，已經(jīng)開發(fā)了各種生物活性材料并成功地將其作為涂層應(yīng)用于人造骨，例如羥基磷灰石、玻璃陶瓷和玻璃。 由于其良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，鉭在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。自1940年以前，鉭已用于臨床實(shí)踐中，并已在廣泛的診斷和植入應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如放射照相標(biāo)記、血管夾、血管內(nèi)支架、顱骨成形板以及矯形和牙科植入物。然而，與鈦植入物相比，鉭的高密度和高成本限制了其作為塊狀材料的應(yīng)用。因此，生物形態(tài)SiC支架的優(yōu)異機(jī)械性能和低密度（用作植入物的基礎(chǔ)材料）與生物活性Ta涂層的骨傳導(dǎo)性能的結(jié)合為替代骨移植物的開發(fā)開辟了新的可能性。 在這項(xiàng)工作中，鉭薄膜沉積在碳化硅襯底上使用鉭蒸氣相沉積（CVD）。在此過(guò)程中，氣相中的化學(xué)物質(zhì)可以在形成固體產(chǎn)物的基材表面發(fā)生反應(yīng)。使用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）對(duì)Ta涂層進(jìn)行表征。用間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）評(píng)價(jià)Ta涂層多孔SiC的體外生物相容性。 材料和方法 鉭涂層的制備 使用低溫CVD系統(tǒng)在多孔SiC上沉積鉭，如所示圖1。 沉積處理30分鐘后，所有樣品依次在甲醇、丙酮和蒸餾水中超聲清洗。 鉭涂層的表征 通過(guò)對(duì)涂覆前后多孔SiC的質(zhì)量變化進(jìn)行加權(quán)來(lái)計(jì)算多孔SiC中的涂層質(zhì)量。涂層質(zhì)量通過(guò)以下公式計(jì)算： 其中mr是助教涂層在每單位體積每小時(shí)的多孔碳化硅上的沉積速率（g/cm3-h），ΔmSiC是多孔碳化硅涂層前后的質(zhì)量變化(g)，VSiC是多孔碳化硅的體積（cm3），t是沉積時(shí)間(h)。每單位Ta涂層的質(zhì)量是基于5次試驗(yàn)的平均值。 采用x射線衍射和Cu-Kα輻射法對(duì)沉積的薄膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。XRD圖案采用MDI Jade 5.0軟件制作。采用掃描電子顯微鏡和能量色散光譜法測(cè)量了其表面的形貌和組成。 體外生物相容性 根據(jù)既往文獻(xiàn)，通過(guò)直接接觸法評(píng)價(jià)細(xì)胞粘附情況。采用小鼠顱骨前成骨細(xì)胞（MC3T3-E1，ATCC CRL-2594）檢測(cè)Ta涂層的細(xì)胞相容性。他們?cè)诟牧嫉腅agle培養(yǎng)基，與10%胎牛血清，37°C，5%二氧化碳的潮濕氣氛中培養(yǎng)。將細(xì)胞懸液（1 ml）以1*104cells/ml的濃度接種到Ta包覆的多孔碳化硅支架上。培養(yǎng)3天后，將非粘附細(xì)胞丟棄培養(yǎng)基。 結(jié)果與討論 碳化硅襯底上鉭涂層的表征 通過(guò)掃描電鏡觀察了天然碳化硅和ta涂層底物的表面形貌（如圖2所示）。從圖2(b)可以清楚地看到，在多孔碳化硅支架的表面覆蓋著一層均勻的涂層。天然碳化硅基底表面粗糙，沉積后涂層呈相對(duì)平坦形態(tài)，Ta呈深灰色金屬光澤。涂層結(jié)晶良好，晶粒尺寸約為1 μm。從涂層的橫截面可以看出，涂層完整且致密，厚度約為8 μm。根據(jù)Ta涂層前后多孔碳化硅的質(zhì)量變化試驗(yàn)，單位體積Ta涂層的質(zhì)量為0.053±0.005 g/cm3 h。 CVD被定義為一種工藝，通過(guò)該工藝，氣體或蒸汽壓力的成分在襯底表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以形成固體產(chǎn)物。 在鉭蒸氣相沉積過(guò)程中。對(duì)于碳化硅襯底，提出了具有高化學(xué)惰性。因此，它可以避免在界面處發(fā)生氧化，導(dǎo)致Ta和SiC之間的強(qiáng)粘附。此外，SiC具有較大的表面積，因此可以用作多相催化劑載體，沉積的Ta可以在表面上形成共形覆蓋層（如所示圖2），其也表現(xiàn)出良好的粘附性。 用EDS和XRD研究了沉積在多孔SiC支架上的Ta涂層的晶體結(jié)構(gòu)。能譜分析表明鍍層的主要元素組成為鉭。根據(jù)相關(guān)的JCPDS卡，支架上的CVD涂層的XRD圖案可以索引為Ta、Ta2O5和SiC的相。由此證明在多孔碳化硅襯底上成功制備了鉭涂層圖3。 生物相容性評(píng)估 Ta涂層多孔SiC支架的生物相容性在體外用前成骨細(xì)胞MC3T3-E1通過(guò)掃描電鏡觀察進(jìn)行評(píng)估。分析了附著在支架上的細(xì)胞的初始附著和鋪展。顯示了培養(yǎng)3天后附著在支架上的MC3T3-E1細(xì)胞的形態(tài)圖4。 結(jié)合Ta的活性，證明具有Ta涂層的SiC多孔支架能夠滿足骨科應(yīng)用的要求，促進(jìn)骨的愈合和重建。此外，SiC支架具有開孔結(jié)構(gòu)的高度多孔圓柱體。在Ta涂層的CVD沉積之后，支柱仍然保持完全互連，這也有利于機(jī)械互鎖和細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)，并因此促進(jìn)成骨和骨重塑。 多孔SiC支架優(yōu)異的力學(xué)性能和骨傳導(dǎo)性能的結(jié)合作為植入物的基礎(chǔ)材料，生物活性Ta涂層的骨整合為開發(fā)具有增強(qiáng)的機(jī)械和生物化學(xué)性能的替代骨替代物開辟了新的可能性，確保了矯形組織的最佳愈合。 |
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