具有促成骨活性的二氧化锰-聚（3,4-乙烯二氧噻吩）生物涂层及其制备方法与应用

摘要

本发明公开一种具有促成骨活性的二氧化锰‑聚（3,4‑乙烯二氧噻吩）生物涂层及其制备方法与应用。所述MnO2‑PEDOT生物涂层是通过在基材表面原位生长MnO2层并在MnO2层表面原位聚合生成PEDOT而获得的具有纳米片状结构和连通孔结构的MnO2‑PEDOT生物涂层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有良好促成骨活性的生物涂层及其制备方法与应用，具体来说，涉及一种电化学活性和促成骨活性优良的二氧化锰-聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(MnO

背景技术

金属钛材及其合金具有良好的生物相容性，临床上被广泛用作骨修复替代材料。但由于其生物惰性，钛难以与骨组织形成牢固结合，从而影响其植入后的长期稳定性。传统骨科植入材料表面改性的方法，如构建合适的纳米结构，可提高植入材料表面活性，促进成骨细胞快速响应。理想的骨植入材料在具备良好生物活性的同时，还能够响应周围微环境的刺激，调节细胞的黏附、铺展、增殖和分化等行为，从而主动调控植入材料的骨整合过程。大量研究表明，生物电微环境是成骨细胞所处的重要微环境之一，可诱导损伤骨组织的生长和重建(Adv.Funct.Mater.,2017,27,1703771；Biomaterials,2010,31,3684-3693)。通过模拟人体的生物电微环境，采用微电流刺激植入体周围的成骨细胞，被认为是一种促进骨组织快速修复的有效手段(Biomaterials,2018,150,60-86)。常用医用金属的电化学活性较低，电荷传递阻抗大，电荷注入能力不足，主动调控细胞行为的能力有待改善。因此，在医用金属基体表面设计、制备具有良好电化学活性的生物涂层材料，对植入体建立长期、有效地调控细胞生长/组织重建效能，提高植入成功率具有重要的意义。

二氧化锰(MnO

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种具有良好促成骨活性的涂层材料及其制备方法和应用。

第一方面，本发明提供一种具有良好促成骨活性的MnO

相比于采用其他方法(如电化学沉积)制备的MnO

其中所述MnO

较佳地，所述MnO

较佳地，所述医用基材选自医用金属基材、或医用合金基材，优选为纯钛、钛合金、不锈钢、或钴铬钼合金。

第二方面，本发明提供一种具有良好促成骨活性的MnO

(1)制备MnO

(2)在MnO

本发明采用操作简单、可规模化生产的水溶液反应法，在金属基材表面原位生长具有纳米片状结构的MnO

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浓度的1～5倍，氯化钾的浓度为高锰酸钾浓度的1～5倍。

较佳地，步骤(1)中，水热反应温度为80～180℃，水热保温时间为0.5～24h。水热反应温度过低，保温时间过短，MnO

较佳地，步骤(2)中，所述硫酸的浓度为0.01-0.1mol/L，所述EDOT单体的浓度为0.001-0.01mol/L。

较佳地，步骤(2)中，原位聚合反应温度为50℃以下，原位聚合反应时间为1-100s。反应温度过低，原位聚合的速率过慢，不利于PEDOT的生长；反应温度过高，MnO

和现有使用两步电化学沉积法相比，本发明所用的两步溶液反应法，形貌的可控性更优。主要原因是电化学沉积法制备的PEDOT层是通过调控电压，直接氧化EDOT单体沉积在基片表面得到；而溶液法为原位生长反应法，PEDOT层以MnO

第三方面，本发明提供了上述具有良好促成骨活性的MnO

有益效果：本发明提供的MnO

附图说明

图1为M0(水热反应制备的MnO

图2为M0，M25和M50涂层的XRD图谱。

图3为M0，M25和M50涂层的Raman图谱。

图4中的(A)为M0、M25和M50涂层的电化学阻抗谱(EIS)；图4中的(B)为钛基材、M0、M25和M50涂层的循环伏安特性曲线(CV)。

图5为前成骨细胞在钛基材、M0、M25和M50涂层表面的细胞黏附SEM照片。

图6为在无外加电刺激(A)，-10mV/mm(B)和-20mV/mm(C)的脉冲电刺激下，前成骨细胞在钛基材、M0、M25和M50涂层表面的细胞增殖。

图7为对比例中M120(MnO

具体实施方式

通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供一种具有良好促成骨活性的生物涂层，包括医用基材、以及形成在所述医用基材表面的MnO

该生物涂层具有纳米片层结构和连通孔结构(如图1所示)，纳米片层结构本身可促进成骨细胞的黏附，且合适的孔结构利于电刺激下涂层与周围环境进行离子交换，降低电荷转移阻抗，提高涂层的电化学活性和电刺激下促进成骨能力。

以下示例性说明所述具有良好促成骨活性的MnO

制备MnO

以高锰酸钾为锰源，盐酸为还原剂，氯化钾为结构稳定剂。将上述原料依次溶于去离子水中，得到混合溶液A。该混合溶液A中，所述高锰酸钾的浓度为0.001-0.01mol/L，所述盐酸的浓度为高锰酸钾浓度的1～5倍，所述氯化钾的浓度为高锰酸钾浓度的1～5倍。

将基材置于混合溶液A中，在医用基材表面采用水热反应法原位生长MnO

制备PEDOT涂层。将硫酸和EDOT单体依次溶于去离子水中，得到混合溶液B。该混合溶液B中，所述硫酸的浓度为0.01-0.1mol/L，所述EDOT单体浓度为0.001-0.01mol/L。

将表面被MnO

采用水溶液法构建MnO

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。以下通过下述具体实施例进一步说明本发明，应理解，下述实施例仅用于进一步说明本发明，不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述实施例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例

A：MnO

将砂纸打磨光滑的钛片置于高锰酸钾、氯化钾和盐酸的混合溶液中，采用水热反应法，在钛片表面原位生长MnO

其中水热反应法所用离子混合液体积为60mL，所用高锰酸钾浓度为0.001mol/L，氯化钾浓度为0.003mol/L，盐酸浓度为0.004mol/L。水热反应时间为12h，水热反应温度分别为120℃。

其中原位聚合反应法所用硫酸浓度为0.05mol/L，所用EDOT单体浓度为0.01mol/L。原位聚合反应温度为室温，反应时间为25s(复合涂层记为M25)和50s(复合涂层记为M50)。

涂层制备结束后，对M0，M25和M50涂层的表面形貌进行分析。如图1所示的SEM照片，三种涂层皆为纳米片层结构，PEDOT的引入没有明显影响涂层的表面形貌。

由如图2所示的XRD图谱可知，M0，M25和M50涂层样品皆为水钠锰矿型MnO

由如图3所示的Raman图谱可知，M0涂层只含有MnO

由表1所示的EDS测试结果可知，相比于M0涂层，M25和M50涂层中含有C和S元素，说明导电聚合物PEDOT已成功引入到MnO

表1 M0，M25和M50涂层的EDS元素分析

B：MnO

采用三电极体系(饱和甘汞电极为参比电极，铂片为对电极，覆盖有涂层的钛片为工作电极)，在0.1mol/L的PBS溶液中，利用电化学工作站测试样品的EIS和CV曲线。EIS的测试频率范围为100,000–0.1Hz，CV的测试电压范围为0-0.8V(相对于饱和甘汞电极)，扫描速度为5mV/s。

由如图4中的(A)所示，EIS图谱在高频的半圆直径越大，说明样品与溶液的界面阻抗越大，越不利于电刺激下的电荷传递。由EIS图谱估算得到M0，M25和M50的界面阻抗分别为281Ω，205Ω和178Ω。说明导电聚合物PEDOT的引入降低了复合涂层的电化学阻抗，且PEDOT含量越多，复合涂层的阻抗越小。

由如图4(B)所示为样品的CV曲线，根据CV曲线的面积计算钛片，M0，M25和M50涂层的电荷存储容量分别为0.10mC/cm

C：成骨细胞在MnO

采用小鼠前成骨细胞MC3T3-E1进行细胞黏附和增殖试验。

(1)细胞黏附

采用酒精对样品进行灭菌消毒，将各组无菌材料小心置于48孔细胞培养板中。收集生长状态良好的MC3T3-E1细胞，消化并调整细胞悬液浓度。取1mL细胞悬液(5000个细胞/mL)种植在样品表面，在37℃、5％CO

(2)细胞增殖

采用酒精对样品进行灭菌消毒，将各组无菌材料小心置于48孔细胞培养板中。收集生长状态良好的MC3T3-E1细胞，消化并调整细胞悬液浓度。取1mL细胞悬液(10000个细胞/mL)种植在样品表面。其中部分孔样品加载脉冲电压刺激(-10mV/mm或-20mV/mm，50ms，20Hz)，电刺激时间为30min/天。在37℃、5％CO

由图5可知，MC3T3-E1细胞在钛片表面呈现球形，铺展面积小。MC3T3-E1细胞在M0涂层表面铺展面积较大，细胞在M0涂层表面黏附较好，说明纳米结构利于成骨细胞在涂层表面黏附，纳米结构的涂层具备较好的生物活性。MnO

由图6中的(A)可知，在无外加电刺激下，相比于M0和钛片组，M25和M50更利于成骨细胞增殖，说明PEDOT的引入增强了复合涂层的促成骨性能。图6中的(B)和6中的(C)可知，在外加脉冲电压的刺激下，三种涂层表面的细胞增殖速率高于钛片表面的细胞增殖速率。随着外加脉冲电压增强，MnO

对比例

与实施例基本相同，区别仅在于：原位聚合反应时间为120s。图7为原位聚合反应时间为120s所得复合涂层的SEM表面形貌图。与图1相比较，可知M120的纳米片结构被破坏，其比表面积会更小；连通孔结构不明显，从而阻碍离子传导。因此，相比于其他复合涂层(M0，M25和M50)，M120涂层的电化学活性会降低。另外，纳米结构破坏，使得细胞与材料表面的接触面积减少，不利于成骨细胞在涂层表面的黏附。