文摘

钛(Ti)通常是作为骨科和牙科植体材料由于其更好的机械性能、耐腐蚀性能和良好的生物相容性。TiO的形成₂纳米管(TiO₂nt)是一个有趣的钛表面改性实现控制药物输送和促进细胞生长。碳纳米管具有良好的化学稳定性和机械强度。使用碳纳米管在生物医学应用,如脚手架近年来得到广泛的重视。本研究旨在修改TiO通过阳极氧化钛的表面形式₂nt,随后沉积碳纳米管对电泳沉积(环保署)。特征、生物相容性和磷灰石形成表面改性样品进行评估的能力。研究结果表明,碳纳米管涂层TiO₂纳米管有助于提高生物活性和这种类型的表面改性是高度适用于生物医学应用。

1。介绍

牙科植体的材料表面,可以用作人工替代牙齿应该优化生物相容性,因为它总是在直接接触至关重要的组织。此外,implant-tissue交互应该促进生物活性和物理,化学和电气兼容性。钛和钛合金被广泛用作牙科材料,因为他们最优满足这些需求(1,2]。然而,这些材料也与累积的缺点有关原生氧化膜具有低密度和分布不均成分。为解决这一问题,研究集中于改善合金的生物相容性通过促进形成致密的氧化膜,利用电化学技术(3- - - - - -5]。在方法开发迄今为止,氧化钛(TiO的形成₂纳米管(NT)层由阳极氧化钛表面已经引起了人们的注意。这一层是钛基材的化学结合,表现出增强粘结强度在alloy-substrate接口(6]。

碳纳米管独特的抗化学腐蚀和机械强度,以及良好的电和热性能和结构特点。由于这些原因,碳纳米管已被用于广泛的电化学和生物应用,如导电和导热复合材料和生物传感器,以及药物输送系统,牙科植入和骨形成。其应用也延伸为再生医学生物医学工程领域,如问支架材料(7- - - - - -10]。以前的研究已经表明CNT-coated钛标本更有效地约束细胞相比,裸钛标本(11]。这意味着强烈的碳纳米管cell-binding效应使它们成为一个优秀的材料诱导强烈的牙科植体材料和牙周韧带之间的融合。目前的碳纳米管涂层方法包括等离子喷涂(12],气溶胶沉积[13),和电沉积14]。在这项研究中,电沉积使用,因为它的优点是节省成本,形成均匀的薄膜厚度的能力,和均匀属性无关的植入物的表面形状15,16]。我们使用微碳纳米管(热合)通过使用一个羧基(羧基)来提高可分散性。

在这项研究中使用的标本被形成TiO捏造₂nt钛合金的表面,这是应用最广泛的骨替代材料,并与羧酸盐涂层表面微电沉积碳纳米管(MWCNTs-COOH)。然后我们调查了细胞增殖并根据表面生物相容性的修改。

2。实验材料和方法

2.1。TiO₂NT标本制作

为本研究制作标本,Ti-6Al-4V(日本神户制钢有限公司)切成20×10×2毫米部分。所有标本与碳化硅(SiC)抛光砂纸(编号400 - 1000)来实现表面均匀性,其次是超声波清洗和干燥乙醇和蒸馏水。制造钛合金nt,钛合金和铂金表连接到阳极和阴极电极,分别的直流电源设备(sdp - 303 d、Daunanotek、韩国)。由混合电解质溶液制备乙二醇(霍克₂CH₂哦;和氟化铵(NH 90 wt %)₄F;1 wt %)。TiO₂nt捏造运用20 V 50分钟,然后受到热处理在450°C 2 h达到TiO的致密化₂nt氧化膜和结构稳定。

2.2。问准备

碳管(问有限公司、韩国)用于本研究进行了热处理在450°C 90分钟去除金属催化剂和非晶碳,然后声波降解法在6米HCl溶液2 h,其次是搅拌在一个圆形瓶和混合用3 M氢氧化钠溶液在120°C 12 h。搅拌后,碳纳米管被清洗,直到混合物达到7级的pH值,然后在55°C真空干燥条件,直到只剩下纯碳纳米管。

改善可分散性,纯化碳纳米管被转移到一个圆瓶,受到声波降解法60%氮溶液中30分钟和搅拌8小时120°C。搅拌后,碳纳米管再次清洗,直到他们达到7级的pH值,然后他们干55°C收获MWCNTs-COOH真空条件。测量碳纳米管的可分散性,我们分离纯碳管MWCNTs-COOH,允许这些分散的蒸馏水和分析各自的扩散系数,利用紫外可见分光光度计(惠普8453年,惠普、德国)。

2.3。问涂层

大约5毫克的MWCNTs-COOH与100毫升乙醇混合,用在传播的超声波浴1 h。诱导电沉积,钛合金和铂金表连接到阳极和阴极电极,分别的直流电源。电解质溶液,悬挂的解决方案是由分散MWCNTs-COOH乙醇,并且由于MWCNTs-COOH带负电,钛合金是连接到阳极,钛合金的热合沉积;电沉积是在20 V 1分钟。

2.4。表面分析

标本的表面粗糙度测试使用粗糙度测试仪(sv - 528、三丰公司、日本)。

表面结构检查使用原子力显微镜(AFM);多模+放映机,数字仪器,美国)的速度大约1 Hz范围内的5×5μ米²,表面形态检查使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)(上40副总裁,卡尔蔡司,德国)。

2.5。在体外测试

合成体液(SBF)准备的解决方案是添加氯化钙脱水的0.285 g / L, 0.09767 g / L的硫酸镁,和0.350 g / L的碳酸氢钠汉克的解决方案(H2387、西格玛化工有限公司、美国),与pH值调整到7.4。每个标本完全浸泡在SBF了10天。淹没后,骨突磷灰石的降水模式进行了分析和X射线衍射仪(X 'Pert粉,PANalytical、荷兰)。此外,锇膜和膜组件及其执行成分测定使用FE-SEM和能量色散x射线能谱(EDX)。所有的实验进行了一式三份和分析用单向方差分析()。

2.6。细胞培养和观察

细胞毒性评估进行鼠preosteoblastic MC3T3-E1细胞获得来自美国文化类型集合(写明ATCC马纳萨斯,弗吉尼亚州,美国)。文化肉汤培养基由补充α美国mem (Gibco有限公司)以10%胎牛血清(美国的边后卫,Gibco Co。)和青霉素。准备的标本UV-sterilized 24 h,和细胞分裂,细胞密度控制在2×10⁴细胞/毫升和孵化24 h在37°C公司5%₂细胞培养箱(3111年,热电子公司,美国)。文化汤然后删除任何分离细胞和其他悬浮物质冲洗掉三次磷酸缓冲盐(PBS)的解决方案。贴壁细胞最初的2.5%戊二醛固定2 h,其次是第二个固定1%四氧化锇在4°C 2 h。细胞被脱水在一系列酒精的浓度增加(50岁,60岁,70年,80年,90年和100%)。被观察到的细胞粘附模式使用SEM (Bio-LV-SEM;sn - 3000年日立、日立、日本)。

2.7。MTT试验

MTT试验,每个标本都孵化1和5天通过使用相同的条件下的细胞培养,培养基被删除了。5-dimethylthiazol-2-yl试验包含3 - (4)2,5-diphenyltetrazolium溴化(MTT)和αmem培养基分为1毫升单位,反应了在5%的股份有限公司₂文化室4 h。吸光度测量在540 nm使用ELISA读者(分子设备、EMax我们)删除后的培养基,诱导颜色启示二甲亚砜(DMSO)。所有的实验进行了一式三份和分析使用单向方差分析()。

3所示。结果

之前问TiO的沉积₂nt,热合可分散性是评估后1 h声波降解法纯碳管MWCNTs-COOH蒸馏水。通过视觉评估,发现纯碳管聚集在一起而不被分散,从而形成一个单独的层的蒸馏水和留下一个清晰的上层(图1(一)),而MWCNTs-COOH粒子分散和均匀分布在蒸馏水(图1(b))。定量评估问可分散性在蒸馏水中,吸光度测量使用紫外可见(图1)。图1表明,在波长300纳米的相对吸光度高MWCNTs-COOH (b)相比,纯碳管(a)。

图2显示根据不同的表面处理和表面粗糙度TiO的涂层₂与MWCNTs-COOH nt。没有显著的差异Ti-6Al-4V合金和TiO之间的表面粗糙度₂nt观察(),尽管与问涂层表面粗糙度增加()。

图3显示了AFM、SEM图像的每个标本的表面进行了分析。AFM和SEM图像表示的比较相似的表面形成模式。此外,TiO形成的₂nt测量约70纳米(图3 (b)),而MWCNT-coated表面测量约40 nm(图3 (c)在钛合金)。

图4分析的结果显示每个标本的表面EDX和SEM沉浸在SBF后10天。EDX检查没有发现钙(Ca)和磷(P)在未经处理的标本(a),而在TiO的表面发现了₂NT标本(b)和MWCNTs-TiO₂nt标本(c)。

图5每个试样的XRD分析结果显示Ti-6Al-4V合金(a)、TiO₂nt (b)和MWCNTs-TiO₂nt (c)沉浸在SBF后10天。在TiO的标本₂元,2θ31 - 32°山峰周围发现的羟磷灰石(HA)水晶和锐钛矿在25°(数字5(b)和5(c))。

图6显示每个标本的细胞形态后48 h细胞培养。这是坚持证实,细胞表面。所有标本显示出类似的模式对细胞形态,尽管MWCNTs-TiO细胞₂nt是又大又圆,有更多的人口发展丝状伪足(图6)。

图7显示了MTT试验的结果,研究了细胞增殖培养后2到5天。孵化一天2,MWCNTs-TiO₂nt标本显示大量增加细胞增殖而TiO₂nt ()。第五天显示一个相对大的细胞增殖与观察到的第二天。特别是,细胞存活率下降后TiO的形成₂元,但MWCNT涂层TiO后细胞生存能力显著提高₂nt。

4所示。讨论

的基础上他们的导电性和化学/物理的性质,碳纳米管提供了一个广泛的应用不仅对各种导电和导热复合材料和化学传感器也是随着[11]。密集的研究活动利用这些优越的问属性目前正在探索在各个领域,但是,大比表面积的碳纳米管导致nt聚集在一起,经常在他们的应用程序导致的困难。尽管连续碳纳米管可分散性的研究,迄今为止没有包治百病的解决方案报告。其中常见的方法改善碳纳米管的可分散性,几项研究已经集中在表面功能化,包括削弱管之间的范德华力,因此,防止他们聚集的影响通过其他材料应用在NT表面。这些方法之一是硫酸,nitrogen-mediated羧基应用诱导直接材料和问表面之间的共价键(17- - - - - -22]。这项研究同样做了一个实验采用问表面的羧基通过使用氮提高卡通的可分散性。我们的研究结果表明,通过羧基(图可分散性增加1),问表面表现出一个负电荷,标本被连接到阳极涂层。

改善条件的骨整合植入物表面,研究探索方法呈现微/纳米结构的表面。几纳米植入物表面进行的研究表明纳米结构可能更有利于骨整合,这也许是由于其较大的比表面积,而不是微观结构(23]。此外,考虑到骨整合包括植入物表面,细胞之间的直接接触,表面粗糙度和表面能的变化引起的植入物表面层的表面微观结构的变化影响了细胞反应性(24]。我们已经检查了Ti-6Al-4合金的表面粗糙度,TiO₂nt, MWCNTs-TiO₂nt和MWCNT-coated标本已经观察到表面粗糙度增加(图2)由于40 nm厚MWCNT涂层表面。先前的研究显示没有共识的影响表面粗糙度在骨形成,尽管一些报道表明,粗糙的表面,而在光滑的表面,通常更有利于成骨细胞的增殖和分化和骨基质的形成25,26]。此外,通过吸附无机离子,如钙和P,它们存在于体液和骨骼组织植入钛表面磷酸钙沉淀和结晶形成磷灰石相同时与骨组织产生强大的债券。然而,考虑到需要几个月发生骨整合的骨组织和植入的方法加速磷灰石的形成进行了研究。在我们的研究中,表面处理标本浸泡在SBF溶液10天,使用SEM和EDX磷灰石的形成做了检查。结果表明,Ca和P TiO的钛表面沉淀₂NT层(图4)。XRD考试的基本晶体结构验证哈(图的形成5)。这可能是解释为Ca吸附的初始加速度引起的哦⁻支持大型TiO的表面积₂NT层,以及快速的结晶沉积Ca和P的初始阶段和随后的磷灰石的形成。钛的优越的耐蚀性是由于其极高的氧气和亲和力,因此,强烈倾向于建立一个稳定的钝化膜层表面。然而,在空气中自然生成的氧化膜层没有足够厚而致密,并有可能产生点状腐蚀和其他退化。提高钛的生物相容性,这是至关重要的,形成的磷灰石层植入金属表面。研究人员探索的方法创建一个微/纳米结构表层,形成致密TiO₂层来提高其比表面积,这被认为是有利于骨整合。对降水的哈,据报道,形成微/纳米TiO₂层比形成致密TiO更有效₂氧化膜层(23]。此外,李et al。27)报道,氧化钛层形式在SBF和磷灰石Ti-OH集团在磷灰石的形成起着重要的作用在身体。根据韦伯斯特和埃吉弗(28),成骨细胞的粘附和增殖促进了纳米结构的晶体粒度组成,即使它的合金成分不同,钛和Ti-6Al-4V一样Ti-6Al-7Nb合金。

为了生存,细胞增殖后应该建立在一个表面上吸附和稳定。Preosteoblastic MC3T3-E1细胞发展一般丝状伪足在吸附到表面。MC3T3-E1成骨细胞的吸附模式的考试在每个标本显示MWCNTs-TiO细胞₂nt又大又圆,丝状伪足更强烈坚持碳管在场(图的部分6)。这可能是由于强烈的细胞吸附时发生丝状伪足和热合纠缠。此外,细胞增殖减少TiO₂nt表面和增加MWCNT-coated标本,增加更大程度的标本培养5天相比,观察经过1天的孵化(图7)。这个结果表明积极MWCNT-coated表面细胞增殖的影响。麦克唐纳等人报道,在问用在再生医学和组织工程支架材料,单壁碳纳米管(SWCNTs)纠缠与胶原蛋白这种复合材料显示,较高的机械强度和细胞生存能力(10]。结果检查细胞形态学、迁移和增殖根据细胞之间的相互作用和细胞基质和细胞活动展出我们的生存实验也发表,说明这些表面修改促进骨形成和发挥重要作用在改善种钛种植体的骨整合29日]。

在这项研究中,一个实验,包括涂层热合Ti-6Al-4V合金表面进行,这导致显著增加表面粗糙度和细胞增殖。比表面积的增加由于TiO的形成₂nt也加速了HA的形成。具体来说,表面的标本处理热合TiO₂NT表面显示优越的生物相容性。

5。结论

本研究开发了TiO₂nt钛表面,一个已经被广泛地应用于骨替代材料,涂层与羧酸盐MWCNT-COOH通过电沉积,并根据表面检测细胞增殖和形态的修改。生物相容性得到提高通过TiO MWCNT-COOH涂料的综合效应₂nt,表面粗糙度增加,加速形成,并促进细胞增殖。根据以上结果,我们相信TiO₂nt是有效的和优秀的骨替代材料的骨再生各种牙科、骨科等领域。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是由韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府资助(最高明的)(2011 - 0028709和2012号r1a1a2007616)。