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用于骨填充材料的多孔碳化硅表面新型钽涂层
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介绍 植入自体骨移植物或同种异体骨移植物是治疗大骨缺损的已知策略。然而，有限的供应，供体部位的发病率和感染的风险是其临床应用的主要缺点。组织工程学正试图通过使用细胞和生物支架开发骨替代物来解决这一问题。迄今为止，FDA已经批准了几种骨替代物用于临床应用，使用了多种支架材料。然而，它们中的大多数具有相对较差的机械强度，不能满足许多应用的要求。因此，需要制造具有改善的机械性能和生物相容性的新支架。 近年来，一些研究开发了生物陶瓷作为新型骨植入支架。其中多孔碳化硅（SiC）由于其优异的物理和化学性能，如强度、抗氧化性和耐腐蚀性而日益受到关注。聚合物热解结合液相渗透反应法制备生物相容性SiC泡沫。碳化硅泡沫具有连续连通的开孔结构，力学性能良好。碳化硅泡沫的表观密度可控制在约0.4至1.3克/立方厘米之间，相应的抗压强度约为13-60兆帕，抗弯强度约为8-30兆帕。从而证明了碳化硅可用于修复形状复杂的材料负重骨缺损。 此外，为了进一步改善植入物的骨结合性能，已经尝试了通过化学反应在植入物和组织之间的界面上形成结合的不同方法。为此目的，已经开发了各种生物活性材料并成功地将其作为涂层应用于人造骨，例如羟基磷灰石、玻璃陶瓷和玻璃。 由于其良好的生物相容性和化学稳定性，钽在生物医学领域的应用备受关注。自1940年以前，钽已用于临床实践中，并已在广泛的诊断和植入应用中发现，如放射照相标记、血管夹、血管内支架、颅骨成形板以及矫形和牙科植入物。然而，与钛植入物相比，钽的高密度和高成本限制了其作为块状材料的应用。因此，生物形态SiC支架的优异机械性能和低密度（用作植入物的基础材料）与生物活性Ta涂层的骨传导性能的结合为替代骨移植物的开发开辟了新的可能性。 在这项工作中，钽薄膜沉积在碳化硅衬底上使用钽蒸气相沉积（CVD）。在此过程中，气相中的化学物质可以在形成固体产物的基材表面发生反应。使用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对Ta涂层进行表征。用间充质干细胞（MSCs）评价Ta涂层多孔SiC的体外生物相容性。 材料和方法 钽涂层的制备 使用低温CVD系统在多孔SiC上沉积钽，如所示图1。 沉积处理30分钟后，所有样品依次在甲醇、丙酮和蒸馏水中超声清洗。 钽涂层的表征 通过对涂覆前后多孔SiC的质量变化进行加权来计算多孔SiC中的涂层质量。涂层质量通过以下公式计算： 其中mr是助教涂层在每单位体积每小时的多孔碳化硅上的沉积速率（g/cm3-h），ΔmSiC是多孔碳化硅涂层前后的质量变化(g)，VSiC是多孔碳化硅的体积（cm3），t是沉积时间(h)。每单位Ta涂层的质量是基于5次试验的平均值。 采用x射线衍射和Cu-Kα辐射法对沉积的薄膜进行了结构表征。XRD图案采用MDI Jade 5.0软件制作。采用扫描电子显微镜和能量色散光谱法测量了其表面的形貌和组成。 体外生物相容性 根据既往文献，通过直接接触法评价细胞粘附情况。采用小鼠颅骨前成骨细胞（MC3T3-E1，ATCC CRL-2594）检测Ta涂层的细胞相容性。他们在改良的Eagle培养基，与10%胎牛血清，37°C，5%二氧化碳的潮湿气氛中培养。将细胞悬液（1 ml）以1*104cells/ml的浓度接种到Ta包覆的多孔碳化硅支架上。培养3天后，将非粘附细胞丢弃培养基。 结果与讨论 碳化硅衬底上钽涂层的表征 通过扫描电镜观察了天然碳化硅和ta涂层底物的表面形貌（如图2所示）。从图2(b)可以清楚地看到，在多孔碳化硅支架的表面覆盖着一层均匀的涂层。天然碳化硅基底表面粗糙，沉积后涂层呈相对平坦形态，Ta呈深灰色金属光泽。涂层结晶良好，晶粒尺寸约为1 μm。从涂层的横截面可以看出，涂层完整且致密，厚度约为8 μm。根据Ta涂层前后多孔碳化硅的质量变化试验，单位体积Ta涂层的质量为0.053±0.005 g/cm3 h。 CVD被定义为一种工艺，通过该工艺，气体或蒸汽压力的成分在衬底表面上发生化学反应以形成固体产物。 在钽蒸气相沉积过程中。对于碳化硅衬底，提出了具有高化学惰性。因此，它可以避免在界面处发生氧化，导致Ta和SiC之间的强粘附。此外，SiC具有较大的表面积，因此可以用作多相催化剂载体，沉积的Ta可以在表面上形成共形覆盖层（如所示图2），其也表现出良好的粘附性。 用EDS和XRD研究了沉积在多孔SiC支架上的Ta涂层的晶体结构。能谱分析表明镀层的主要元素组成为钽。根据相关的JCPDS卡，支架上的CVD涂层的XRD图案可以索引为Ta、Ta2O5和SiC的相。由此证明在多孔碳化硅衬底上成功制备了钽涂层图3。 生物相容性评估 Ta涂层多孔SiC支架的生物相容性在体外用前成骨细胞MC3T3-E1通过扫描电镜观察进行评估。分析了附着在支架上的细胞的初始附着和铺展。显示了培养3天后附着在支架上的MC3T3-E1细胞的形态图4。 结合Ta的活性，证明具有Ta涂层的SiC多孔支架能够满足骨科应用的要求，促进骨的愈合和重建。此外，SiC支架具有开孔结构的高度多孔圆柱体。在Ta涂层的CVD沉积之后，支柱仍然保持完全互连，这也有利于机械互锁和细胞向内生长，并因此促进成骨和骨重塑。 多孔SiC支架优异的力学性能和骨传导性能的结合作为植入物的基础材料，生物活性Ta涂层的骨整合为开发具有增强的机械和生物化学性能的替代骨替代物开辟了新的可能性，确保了矫形组织的最佳愈合。 |
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