CN103394123A - 一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法 - Google Patents
一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,包括:将硝酸滴加入去离子水中,搅拌均匀,然后边搅拌边向硅源中滴加硝酸酸化的水溶液,最后得到SiO2溶胶;然后将SiO2溶胶滴加到银、钙的硝酸盐混合溶液中,在20-40℃条件下,搅拌反应40-65min,得到溶胶;将PAA薄膜置于溶胶中,然后在0.085MPa~0.1MPa条件下,保持2-4h,然后取出,洗涤,干燥,焙烧,即得。本发明的工艺简单易行,成本低廉而且便于推广;所制备的CaO-SiO2-Ag2O/PAA抗菌效率高,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均在90%以上。
Description
技术领域
本发明属于复合生物膜材料的制备领域,特别涉及一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法。
背景技术
多孔阳极氧化铝(PAA)膜是通过电化学氧化的方法在纯铝表面形成的具有高度规整孔结构的氧化铝薄膜。PAA薄膜具有较好的化学稳定性,优异的耐磨防蚀性能,且植入体内后具有良好的生物安全性、无毒副作用,因而逐渐被引入生物材料领域。Karlsson等(Biomaterials24(2003)3039-3046)用HOB细胞作为细胞培养模型来研究细胞和纳米多孔阳极氧化铝之间的相互作用,结果表明,PAA具有良好的生物相容性,是一种潜在的生物医学材料。此外,PAA具有相互平行的大面积六角形排列的纳米孔道结构,高的比表面积,孔径分布均一且可控,因而可作为生物活性物质的优良载体,从而赋予纳米结构本身特殊的生物学功能。
近年来众多的研究表明,钙-硅基(CaO-SiO2)生物材料具有优良的生物活性和降解性,能在体外和体内快速诱导类骨磷灰石沉积并促进骨组织相关细胞的增殖和分化,这对于骨组织缺损的快速修复是非常重要的,进一步的研究表明钙-硅基材料相比钙-磷基材料具有更佳的成骨生物活性,并已作为填充和修复材料而应用于骨组织和关节上。此外,银离子是应用最早也最成熟的无机抗菌剂之一,具有安全性高、长效持久和稳定性等优点。由于银离子具有广谱杀菌作用且有效抗菌浓度较低,Bellantone等人(Antimicrob Agents Chemother,2002,6:1940~1945)的研究表明,只要银离子的浓度控制在0.1×10-6g/L~1.6×10-6g/L之间,就能充分发挥其抗菌性同时获得较好的生物相容性。因此,种植体表面载银涂层的设计与应用引起了人们的广泛关注。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,该方法快速、简便、高效,适合应用于生物材料表面涂层改性设计;该发明制得的复合膜材料具有特殊的纳米孔结构,良好的生物活性及抗菌性。
本发明的一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,包括:
(1)将硝酸滴加入去离子水中,搅拌均匀,得到硝酸酸化的水溶液,然后边搅拌边向硅源中滴加硝酸酸化的水溶液,最后得到SiO2溶胶;其中硅源、去离子水和硝酸的体积比为1:(8~12):(0.15~0.30);
(2)将硝酸银溶液加入硝酸钙溶液中,混合均匀,得到银、钙的硝酸盐混合溶液;然后将SiO2溶胶滴加到银、钙的硝酸盐混合溶液中,在20-40℃条件下,搅拌反应40-65min,得到CaO-SiO2-Ag2O溶胶;其中CaO-SiO2-Ag2O中三组分的质量百分比为(45~55):(44.5~52):(0.5~3);
(3)将PAA薄膜置于上述CaO-SiO2-Ag2O溶胶中,然后在0.085MPa~0.1MPa条件下,保持2-4h,然后取出,洗涤,干燥,然后在保护气氛围下焙烧,即得CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料。
所述步骤(1)中硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或正硅酸丁酯。
所述步骤(2)中硝酸银溶液的浓度为0.05mol/L-0.2mol/L,硝酸钙溶液的浓度为2mol/L-3mol/L。
所述步骤(3)中PAA薄膜的孔径为100nm-250nm。
所述步骤(3)中洗涤为用乙醇和去离子水洗涤3-5次。
所述步骤(3)中干燥温度为65℃-130℃,干燥时间为5-12h。
所述步骤(3)中保护气体为氮气或氩气。
所述步骤(3)中焙烧为在马弗炉中焙烧,马弗炉的升温速率为1℃/min-4℃/min,焙烧温度为400℃-550℃,焙烧时间为3-6h。
合成三元共组装CaO-SiO2-Ag2O的方法为溶胶-凝胶法。
本发明利用于PAA表面纳米多孔的结构,以钙-硅基(CaO-SiO2)生物活性粒子为载体,设计钙-硅-银(CaO-SiO2-Ag2O)三元体系的生物活性粒子,将该三元体系的生物活性粒子装载入PAA的孔道中,赋予材料表面较好生物活性、活性离子缓释性能和优良的抗菌性能于一身,这在临床医学上具有重要的理论和医用价值。
在PAA的纳米孔道内成功装载了CaO-SiO2-Ag2O生物活性粒子,构建出即具有诱导类骨磷灰石沉积能力又具有有效抗菌性的生物活性表面,该活性表面有望作为一种新型的人工植入材料的表面涂层而应用于生物材料领域。
该复合生物膜材料在模拟体液(SBF)中浸泡后,表面可诱导类骨磷灰石沉积;抗菌实验表明该材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为90%和92%。
2.材料的表征及体外生物活性评价
2.1PAA、CaO-SiO2/PAA及CaO-SiO2-Ag2O/PAA的微观结构表征
采用场发射扫描电镜(FESEM)观察PAA、CaO-SiO2/PAA及CaO-SiO2-Ag2O/PAA的表面形貌和截面形貌,并用X-射线能谱分析法(EDS)分析这三种材料表面元素组成变化,其结果如图1~图6所示。
2.2CaO-SiO2-Ag2O/PAA的模拟体液(SBF)浸泡实验
将制备好的CaO-SiO2-Ag2O/PAA进行SBF浸泡1~14天,采用FESEM观察浸泡一段时间后表面形貌的变化,判断CaO-SiO2-Ag2O/PAA表面是否有类骨磷灰石形成,评价其生物活性。SBF的加入量与CaO-SiO2-Ag2O/PAA的表面积之比为10mL/cm2。将浸泡了不同时间段的CaO-SiO2-Ag2O/PAA从SBF中取出,用去离子水轻轻清洗其表面,自然干燥24h后用FESEM观察其形貌的变化。模拟体液含有与人体血浆相近的离子浓度和离子团浓度。其组成为:
SBF浸泡的实验结果显示:CaO-SiO2-Ag2O/PAA进行SBF浸泡1天后,钙磷晶体在功能化表面上发生异相成核生长;随着浸泡时间的延长,材料表面形成的类骨磷灰石层越来越致密并逐渐被纳米级的类骨磷灰石所覆盖;采用傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析CaO-SiO2-Ag2O/PAA经过SBF浸泡不同时间后表面化学组成的变化,其结果进一步证实了CaO-SiO2-Ag2O/PAA形成的是类骨磷灰石。由此说明,载银后的CaO-SiO2仍然不影响其诱导磷灰石沉积的能力,具有良好的生物活性。为了研究CaO-SiO2-Ag2O/PAA在SBF中的离子释放和降解性,按上述浸泡比例将样品置于37℃的SBF中浸泡6h、24h、72h、120h和168h,浸泡一定时间后测定SBF溶液中的Ca、Si、P和Ag的离子浓度及pH值。其结果如图10所示。2.3.体外抑菌性能测试
PAA、CaO-SiO2/PAA及CaO-SiO2-Ag2O/PAA抗菌性能的测试采用如下方法─实验菌种采用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,取一定量的菌种接种于50ml的LB液体培养基中,于37℃的恒温摇床上160rpm培养18~24h,以备抗菌测试。实验样品及测试中所用的器材经121℃高温灭菌20min;从恒温摇床培养后的菌液中取出1ml的菌悬液于装有9ml生理盐水的离心管中,震荡均匀,再取其中1ml到另一只9ml生理盐水的离心管中,原培养后的菌液被稀释102倍;取稀释后的菌液100μl接种于装有规格为10mm×10mm的三种材料的玻璃小瓶中,用吹打的方法使菌液均匀分布于材料的表面,其中PAA样品为空白对照;样品与菌液在37℃的恒温培养箱中作用18~24h后,分别加入10ml的无菌生理盐水,盖紧瓶盖,用手摇晃30s,将细菌洗脱下来;洗脱后的菌液用生理盐水稀释适当的倍数后取100μl在LB固体培养基上涂平板,平行涂三个,在37℃的恒温培养箱中培养18~24h后计数取平均值,然后进行换算得到玻璃小瓶中的细菌存活数。按如下公式计算抗菌样品的抑菌率:
式中:
Ct─对照样接种并培养18~24h后测得的细菌数的平均值;
Tt─实验样接种并培养18~24h后测得的细菌数的平均值。
有益效果
(1)本发明的工艺简单易行,成本低廉而且便于推广;
(2)本发明中银离子的载入是在材料成型之前,因此通过溶胶凝胶法可以使银离子在生物活性材料中均匀分布,可以随着生物活性材料的溶出而缓慢释放抗菌剂,同时CaO-SiO2-Ag2O在PAA的孔道中分布均匀,增加了Ca、Si和Ag离子释放的均一性和稳定性;
(3)本发明所制备的CaO-SiO2-Ag2O/PAA抗菌效率高,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均在90%以上。
附图说明
图1为PAA薄膜的表面(a)和截面(b)的FESEM图;
图2为CaO-SiO2/PAA的表面(a)和截面(b)的FESEM图;
图3为CaO-SiO2-Ag2O/PAA的表面(a)和截面(b)的FESEM图;
图4为PAA的EDS能谱图;
图5为CaO-SiO2/PAA的EDS能谱图;
图6为CaO-SiO2-Ag2O/PAA的EDS能谱图;
图7为CaO-SiO2-Ag2O/PAA浸泡SBF1天(a)、3天(b)、7天(c)和14天(d)后的FESEM图;
图8为CaO-SiO2-Ag2O/PAA浸泡SBF1天(a)、3天(b)、7天(c)和14天(d)后的表面EDS能谱图;
图9为CaO-SiO2-Ag2O/PAA浸泡SBF1天、3天、7和14天后的FTIR图谱;
图10为CaO-SiO2-Ag2O/PAA浸泡不同时间后SBF溶液中Ca、Si、P和Ag离子浓度和pH变化图;
图11为PAA(a1)、CaO-SiO2/PAA(b1)、CaO-SiO2-Ag2O/PAA(c1)的抗大肠杆菌及PAA(a2)、CaO-SiO2/PAA(b2)、CaO-SiO2-Ag2O/PAA(c2)的抗金黄色葡萄球菌鉴定效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)SiO2溶胶的制备:将207.4ml的去离子水与2mol/L的硝酸3.2ml混合,搅拌使其均匀,然后边搅拌边向21.3ml的正硅酸乙酯中滴加硝酸酸化的水溶液,随着搅拌的持续进行,最终形成SiO2溶胶;(正硅酸乙酯、去离子水和硝酸的体积比为1:9.73:0.15)
(2)将0.1mol/L硝酸银溶液21.9ml与2mol/L的硝酸钙溶液60ml混合,并搅拌使之混匀;
(3)将(1)中的SiO2溶胶缓慢滴加到银、钙的硝酸盐混合溶液中,持续磁力搅拌使其充分反应60min,反应温度控制在25℃;(CaO-SiO2-Ag2O三组分的质量百分比为53:45:2);
(4)将孔径为200nm的PAA薄膜置于上述制备的溶胶中并转至真空干燥箱中,在0.09MPa的相对真空度下维持3h;
(5)取出所得样品,用乙醇和去离子水反复清洗数次后在65℃下干燥8h;
(6)在氮气氛围下,将试样在马弗炉中500℃焙烧,升温速率为2℃/min,500℃下保温5h;
(7)将CaO-SiO2/PAA和CaO-SiO2-Ag2O/PAA分别用FESEM、EDS进行表征,如图2~图6所示;
(8)将CaO-SiO2-Ag2O/PAA在SBF中浸泡1天、3天、7天和14天后用FESEM、EDS和FTIR进行表征,其结果如图7~图9所示。
实施例2
(1)SiO2溶胶的制备:将128.8ml的去离子水与2mol/L的硝酸3.2ml混合,搅拌使其均匀,然后边搅拌边向16.1ml的正硅酸甲酯中滴加硝酸酸化的水溶液,随着搅拌的持续,最终形成SiO2溶胶;(正硅酸甲酯、去离子水和硝酸的体积比为1:8:0.2)
(2)将0.05mol/L硝酸银溶液64.4ml与4mol/L的硝酸钙溶液25ml混合,并搅拌使之混匀;(3)将(1)中的SiO2溶胶缓慢滴加到银、钙的硝酸盐混合溶液中,持续磁力搅拌使其充分反应45min,反应温度控制在30℃;(CaO-SiO2-Ag2O三组分的质量百分比为53:45:2)
(4)将孔径为150nm的PAA薄膜置于上述制备的溶胶中并转至真空干燥箱中,在0.085MPa的相对真空度下维持2.5h;
(5)取出所得样品,用乙醇和去离子水反复清洗数次后在80℃下干燥8h;
(6)在氩气氛围下,将试样在马弗炉中500℃焙烧,升温速率为1℃/min,450℃下保温6h;
(7)将CaO-SiO2-Ag2O/PAA在SBF中浸泡6h、24h、72h、120h和168h用于研究材料的离子释放和pH变化,其结果如图10所示。
实施例3
(1)SiO2溶胶的制备:将370.2ml的去离子水与2mol/L的硝酸7.7ml混合,搅拌使其均匀,然后边搅拌边向30.9ml的正硅酸乙酯中滴加硝酸酸化的水溶液,随着搅拌的持续进行,最终形成SiO2溶胶;(正硅酸乙酯、去离子水和硝酸的体积比为1:12:0.25)
(2)将0.2mol/L硝酸银溶液7.0ml与2.5mol/L的硝酸钙溶液56ml混合,并搅拌使之混匀;
(3)将(1)中的SiO2溶胶缓慢滴加到银、钙的硝酸盐混合溶液中,持续磁力搅拌使其充分反应50min,反应温度控制在35℃;(CaO-SiO2-Ag2O三组分的质量百分比为48:51:1);
(4)将孔径为250nm的PAA薄膜置于上述制备的溶胶中并转至真空干燥箱中,在0.1MPa的相对真空度下维持4h;
(5)取出所得样品,用乙醇和去离子水反复清洗数次后在110℃下干燥10h;
(6)在氮气氛围下,将试样在马弗炉中550℃下焙烧,升温速率为3℃/min,550℃下保温3h;
(7)将PAA、CaO-SiO2/PAA、CaO-SiO2-Ag2O/PAA用于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌实验,其结果如图11和表1所示。
表1抗菌材料对细菌培养24h后的抑菌性能比较
Claims (8)
1.一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,包括:
(1)将硝酸滴加入去离子水中,搅拌均匀,得到硝酸酸化的水溶液,然后边搅拌边向硅源中滴加硝酸酸化的水溶液,最后得到SiO2溶胶;其中硅源、去离子水和硝酸的体积比为1:(8~12):(0.15~0.30);
(2)将硝酸银溶液加入硝酸钙溶液中,混合均匀,得到银、钙的硝酸盐混合溶液;然后将SiO2溶胶滴加到银、钙的硝酸盐混合溶液中,在20-40℃条件下,搅拌反应40-65min,得到CaO-SiO2-Ag2O溶胶;其中CaO-SiO2-Ag2O中三组分的质量百分比为(45~55):(44.5~52):(0.5~3);
(3)将PAA薄膜置于上述CaO-SiO2-Ag2O溶胶中,然后在0.085MPa~0.1MPa条件下,保持2-4h,然后取出,洗涤,干燥,然后在保护气氛围下焙烧,即得CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料。
2.根据权利要求1所述的一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或正硅酸丁酯。
3.根据权利要求1所述的一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中硝酸银溶液的浓度为0.05mol/L-0.2mol/L,硝酸钙溶液的浓度为2mol/L-3mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中PAA薄膜的孔径为100nm-250nm。
5.根据权利要求1所述的一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中洗涤为用乙醇和去离子水洗涤3-5次。
6.根据权利要求1所述的一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中干燥温度为65℃-130℃,干燥时间为5-12h。
7.根据权利要求1所述的一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中保护气体为氮气或氩气。
8.根据权利要求1所述的一种CaO-SiO2-Ag2O/PAA复合生物膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中焙烧为在马弗炉中焙烧,马弗炉的升温速率为1℃/min-4℃/min,焙烧温度为400℃-550℃,焙烧时间为3-6h。
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