鈦網(wǎng)表面含hBMP-2的復(fù)合涂層制備及hBMP-2的釋放研究

付亞康, 翁杰, 劉耀文, 張科宏

鈦網(wǎng)表面含hBMP-2的復(fù)合涂層制備及hBMP-2的釋放研究

付亞康1, 翁杰2, 劉耀文3, 張科宏1

(1. 雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 雅安 625000; 2. 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031; 3. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院, 雅安 625014)

為提高骨接合鈦網(wǎng)的骨整合性和生物活性, 本研究采用堿熱處理法在鈦網(wǎng)表面構(gòu)建出具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽納米纖維, 利用電化學(xué)沉積技術(shù)在鈦酸鹽納米纖維表面制備磷酸鈣涂層, 并采用不同方法將人骨形態(tài)發(fā)生蛋白(hBMP-2)引入涂層, 制備了三種含hBMP-2分子的復(fù)合涂層(TmhB、TmHedhB和TmHhBed)。實(shí)驗(yàn)對(duì)各復(fù)合涂層的表面形貌、化學(xué)成分、相組成和hBMP-2的含量與釋放性能進(jìn)行了表征。研究發(fā)現(xiàn): 各涂層都具有多孔纖維結(jié)構(gòu), TmHedhB和TmHhBed中的磷酸鈣相為羥基磷灰石(HA), 呈“串珠”狀包裹在鈦酸鹽納米纖維表面, “串珠”狀HA的引入促進(jìn)了復(fù)合涂層對(duì)hBMP-2的吸附。電化學(xué)共沉積技術(shù)在鈦酸鹽納米纖維表面制備的HA/hBMP-2復(fù)合涂層中hBMP-2的含量最大, 達(dá)886 ng/mg, 在6~48 h內(nèi)具有明顯的hBMP-2緩釋性能。

鈦; 堿熱處理; 電化學(xué)沉積; 羥基磷灰石; 復(fù)合涂層; hBMP-2

鈦及鈦合金具有良好的生物相容性、適宜的力學(xué)強(qiáng)度, 已大量應(yīng)用于人體承重部位骨缺損的修復(fù)和替換, 但由于鈦/鈦合金–骨界面不能形成生物活性結(jié)合而導(dǎo)致植入體與宿主骨的結(jié)合容易發(fā)生松動(dòng), 引起植入失敗[1]。為解決這一問題, 在鈦表面引入孔隙結(jié)構(gòu)、引導(dǎo)骨組織長入孔隙、促進(jìn)植入體與宿主骨整合的方略被寄予厚望[2]。該方略可結(jié)合酸堿處理、堿熱處理、涂層處理、涂覆生物活性分子等表面活化技術(shù)提高鈦表面的生物活性, 以誘導(dǎo)骨組織長入, 與植入體之間形成牢固的化學(xué)鍵合[3-5]。

鈦網(wǎng)因特有的多孔結(jié)構(gòu)和適宜的力學(xué)強(qiáng)度, 已被廣泛運(yùn)用于臨床各類骨結(jié)核手術(shù)后的植骨、牙科植骨[6]、顱骨骨折修復(fù)[7]、眼眶骨折修復(fù)[8]等領(lǐng)域, 但也因上述缺點(diǎn), 植入后容易出現(xiàn)鈦網(wǎng)移位、露出、局部感染等現(xiàn)象[9-10]。因此有必要對(duì)鈦網(wǎng)作表面活性處理, 以增強(qiáng)其與宿主骨之間生物活性結(jié)合。目前針對(duì)鈦及鈦合金作表面改性的研究較多[11], 但尚未見到專門針對(duì)鈦網(wǎng)表面進(jìn)行改性以促進(jìn)與骨組織形成化學(xué)鍵合的研究報(bào)道。

天然骨組織中, HA礦化于膠原纖維結(jié)構(gòu)間隙[12], 賦予骨組織特殊的生物學(xué)性能[13]。Habibovic等[14]發(fā)現(xiàn)具有微孔隙結(jié)構(gòu)的生物材料能在非骨組織環(huán)境中誘導(dǎo)骨組織生長, 因而有研究通過人造帶間隙的納米纖維與HA結(jié)合, 模擬骨組織中膠原纖維與HA的結(jié)合方式, 如絲素蛋白支架[15-16]、高分子/HA復(fù)合材料[17-18]等。這些納米纖維結(jié)構(gòu)因具有內(nèi)貫通[19]、大孔隙率等特點(diǎn), 與骨組織中膠原蛋白的結(jié)構(gòu)相似, 從而在植入后能夠促進(jìn)細(xì)胞粘附、成骨分化和血管長入[20-22]。因此, 如能在鈦網(wǎng)表面引入納米級(jí)纖維結(jié)構(gòu), 將很可能促進(jìn)材料與骨組織間的化學(xué)鍵合。另一方面, 骨生物學(xué)研究[13,23-24]表明, 骨組織中HA的成核、生長受到骨形成蛋白(hBMP-2)的正向調(diào)控。在骨修復(fù)、植入材料中加入促骨生長因子取得了良好的修復(fù)效果[25-27]。

本研究擬在前期采用堿熱處理技術(shù)在鈦網(wǎng)表面制備具有多孔結(jié)構(gòu)鈦酸鹽納米纖維[28]的基礎(chǔ)上, 探索利用電化學(xué)沉積技術(shù)進(jìn)一步在鈦酸鹽納米纖維表面沉積磷酸鈣涂層, 并采用不同方法將hBMP-2引入涂層, 在鈦網(wǎng)表面制備一系列含有hBMP-2的復(fù)合涂層, 研究不同復(fù)合涂層中hBMP-2的含量和釋放行為, 以探索出促進(jìn)鈦網(wǎng)與骨組織牢固鍵合的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

直徑0.10 mm鈦絲構(gòu)成的鈦網(wǎng)購于河北省安平縣盛卓絲網(wǎng)制品有限公司, 含99.60% Ti、0.01% H、0.03% N、0.15% Fe、0.05% C、0.15% O, 以及0.01%其他元素。分析純級(jí)模擬體液(SBF)、NaOH購自成都市科龍化工試劑廠。hBMP-2和hBMP-2免疫酶聯(lián)試劑盒(hBMP-2 ELISA kit)購自武漢華美生物工程有限公司。

1.2 堿熱處理法構(gòu)建鈦酸鹽納米纖維結(jié)構(gòu)

將鈦網(wǎng)裁剪成10 mm×10 mm的正方形, 依次用丙酮、乙醇及去離子水超聲處理10 min, 烘干后置于1 mol/L的NaOH溶液中, 240 ℃條件下反應(yīng)6 h, 降溫至室溫, 取出樣品放入80 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h, 取出, 用去離子水超聲清洗至水不再渾濁為止, 烘干待用。

1.3 含hBMP-2的復(fù)合涂層制備

在上述1.2部分堿熱處理后的鈦網(wǎng)表面, 用不同方法制備3種含hBMP-2的復(fù)合涂層。

1.3.1 表面吸附hBMP-2的鈦酸鹽納米纖維涂層

配置hBMP-2濃度為2 μg/mL的PBS(0.01 mol/L, pH=8.6) 200 mL, 加入堿熱處理后的鈦網(wǎng)100 mg, 在 37 ℃、97 r/min 下吸附2 h, 取出沖洗、晾干。樣品記為TmhB。

1.3.2 表面吸附hBMP-2的鈦酸鹽納米纖維/磷酸鈣復(fù)合涂層

在三電極系統(tǒng)中, 將堿熱處理后的鈦網(wǎng)作為工作電極, 鉑金片作為對(duì)電極, 飽和甘汞電極作為參比電極(圖1); 加入電沉積液200 mL (37.5 ℃, pH= 8.6, NaCl: 8.00 g, CaCl2: 0.14 g, KCl: 0.40 g, NaHCO3: 0.35 g, glucose: 1.00 g, KH2PO4: 0.10 g, MgCl2·6H2O: 0.10 g, Na2HPO4·2H2O: 0.06 g, MgSO4·7H2O: 0.06 g[29])。采用脈沖沉積模式, 沉積電壓–1.3 V, 脈寬100 s、脈沖周期200 s, 沉積2 h后, 取出沖洗、烘干。稱取烘干樣品100 mg, 置入200 mL hBMP-2濃度2 μg/mL的PBS (0.01 mol/L, pH=8.6), 在37 ℃、97 r/min 下吸附2 h, 取出沖洗、晾干。樣品記為TmHedhB。

1.3.3 鈦酸鹽納米纖維表面電化學(xué)共沉積hBMP-2/磷酸鈣復(fù)合涂層

稱取堿熱處理后的鈦網(wǎng)100 mg, 在1.3.2所述電沉積液中加入hBMP-2, 調(diào)節(jié)濃度為2 μg/mL, 在其他參數(shù)相同的條件下進(jìn)行電化學(xué)沉積。所得樣品記為TmHhBed。

圖1 電化學(xué)共沉積技術(shù)在鈦網(wǎng)表面制備復(fù)合涂層的示意圖

表1 鈦網(wǎng)經(jīng)堿熱處理后各樣品的不同制備方法

1.4 hBMP-2的含量檢測

將上述1.3.1、1.3.2吸附步驟后和1.3.3電化學(xué)共沉積步驟后剩余hBMP-2溶液在15000 r/min下離心10 min, 利用hBMP-2 ELISA kit在波長450 nm處檢測離心后上清液中hBMP-2濃度, 分別計(jì)算不同涂層中hBMP-2的含量。

1.5 hBMP-2的釋放

稱取樣品TmhB、TmHedhB和TmHhBed各100 mg, 加入100 mL 磷酸緩沖液(PBS, 0.01 mol/L, pH 5.0)中進(jìn)行hBMP-2釋放實(shí)驗(yàn)。在37.5 ℃、100 r/min條件下, 按一定時(shí)間間隔取樣, 并補(bǔ)入等體積PBS。用hBMP-2 ELISA kit按上述方法進(jìn)行濃度檢測。

1.6 儀器與測試

采用電化學(xué)工作站(辰華CHI660C)進(jìn)行電化學(xué)沉積實(shí)驗(yàn); 采用SEM(QUANTA200)、XRD(Philips PW3040/60)和ATR-FTIR(Thermo Nicolet6700 and ATR parts)分別對(duì)支架的表面形貌、相組成和化學(xué)成分進(jìn)行分析; 采用hBMP-2免疫酶聯(lián)試劑盒(hBMP-2 ELISA kit)檢測hBMP-2的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的特征基團(tuán)

由ATR-FTIR光譜可見(圖2), TmHedhB、TmHhBed樣品在565 cm–1處檢測出PO43–的彎曲振動(dòng)峰, 在1033 cm–1處檢測出PO43–的伸縮振動(dòng)峰; 在3411 cm–1處檢測出OH–的吸收峰[30]; 在873、1456 cm–1處檢測出CO32–的吸收峰[30]。由于紅外吸收光譜分析一般要求待檢樣品不少于1 mg, 而本實(shí)驗(yàn)樣品所用hBMP-2溶液的濃度較低(2 μg/mL), 樣品中hBMP-2的含量遠(yuǎn)低于最低檢測限, 因此三種樣品中均未檢測出N–H彎曲振動(dòng)和C–N伸縮振動(dòng)的吸收峰。

2.2 樣品的晶型

由XRD光譜分析可知(圖3), 三種涂層中均存在金屬鈦相(未發(fā)生反應(yīng)的鈦網(wǎng))和鈦酸鹽相(堿熱處理生成的鈦酸鹽納米纖維)。TmHedhB、TmHhBed樣品在2=25.8°、31.8°處的衍射峰與HA (002)、(112)晶面的衍射峰相對(duì)應(yīng), 結(jié)合TmHedhB、TmHhBed中已檢測出PO43–、OH–和CO32–的吸收峰(圖2), 說明樣品TmHedhB、TmHhBed中“串珠”狀顆粒成分為含CO32–的HA。衍射峰寬、交疊, 說明HA的結(jié)晶性較差, 與自然骨組織中HA的結(jié)晶性質(zhì)一致。另外, TmHhBed中衍射峰比TmHedhB中衍射峰寬, 交疊現(xiàn)象更嚴(yán)重, 這可能是因?yàn)門mHhBed中HA電沉積環(huán)境中含有hBMP-2分子, hBMP-2成為HA異位成核的位點(diǎn), 抑制HA晶體的長大, 并且hBMP-2成為HA晶體中的缺陷。

圖2 鈦網(wǎng)表面不同復(fù)合涂層的ATR-FTIR圖譜

圖3 鈦網(wǎng)表面不同復(fù)合涂層的XRD圖譜

2.3 表面形貌分析

在金屬鈦的植入應(yīng)用研究中, 常常通過堿熱處理以提高其親水性[28]。堿熱處理后, 鈦網(wǎng)表面形成形狀規(guī)則的鈦酸鹽納米纖維, 納米纖維遠(yuǎn)端自組裝形成多孔結(jié)構(gòu)(圖4)。本課題組[28]先前研究認(rèn)為這是由于鈦酸鹽納米粒子向深層不斷生長, 形成納米纖維并逐漸延長, 導(dǎo)致遠(yuǎn)端納米纖維缺乏力學(xué)穩(wěn)定而坍塌, 從而形成多孔結(jié)構(gòu)。TmHedhB、TmHhBed樣品中納米纖維及多孔結(jié)構(gòu)清晰可見(圖4(f, i)), HA呈“串珠”狀均勻包裹在納米纖維表面, HA顆粒長約100 nm, 寬約30 nm, 與骨組織中HA成分的尺寸相似[31]。

TmHhBed樣品中HA沉積較多(圖4(e, h)), 這可能是由于hBMP -2能夠?yàn)镠A提供更多成核位點(diǎn), 促進(jìn)HA的沉積。hBMP-2分子的理論尺寸為7 nm× 3.5 nm×3 nm[32], SEM照片中形貌為微米級(jí), 因此未見hBMP-2的分子形貌。

2.4 鈦網(wǎng)表面不同復(fù)合涂層中hBMP-2的含量

TmhB、TmHedhB和TmHhBed三種樣品中hBMP-2的含量分別為295、610和886 ng/mg (圖5)。TmHedhB中hBMP-2的含量高于TmhB中hBMP-2的含量, 可能是因?yàn)椤按椤睜頗A的引入導(dǎo)致TmHedhB表面親水性和表面與hBMP-2之間靜電作用增強(qiáng)[33]。如Pang等[34]通過制備β-TCP涂層提高金箔表面的親水性, 進(jìn)而提高材料對(duì)牛血清白蛋白(BSA)的吸附。Dong等[35]認(rèn)為HA屬于親水材料, 與hBMP-2的–OH、–NH2形成氫鍵而發(fā)生吸附。研究表明[36-37]靜電引力是導(dǎo)致hBMP-2在HA表面發(fā)生吸附的重要因素。如Dong等[35]發(fā)現(xiàn)BMP-2的COO–與HA (001)晶面之間存在靜電引力而發(fā)生吸附。Zhou等[38]發(fā)現(xiàn)BMP-7的COO–與HA表面的Ca2+(I)之間存在靜電引力而發(fā)生吸附。Kandori等[39]證明HA表面Ca2+是帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)的吸附位點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中hBMP-2帶負(fù)電荷(hBMP-2的等電點(diǎn)為7.9[40], 實(shí)驗(yàn)中hBMP-2溶液pH為8.6), hBMP-2與“串珠”狀HA表面Ca2+之間存在靜電引力而導(dǎo)致吸附的發(fā)生。

圖4 鈦網(wǎng)表面不同復(fù)合涂層的SEM照片

(a-c) TmhB; (d-f) TmHedhB; (g-i) TmHhBed

圖5 鈦網(wǎng)表面不同復(fù)合涂層中hBMP-2的含量

TmHhBed中hBMP-2的含量高于 TmHedhB中hBMP-2的含量可能是因?yàn)門mHedhB中的hBMP-2僅吸附于表面, 而TmHhBed中的hBMP-2參與了電化學(xué)沉積中HA晶粒的成核與生長過程。hBMP-2為HA提供了成核位點(diǎn), 促進(jìn)HA異位成核; 新形成的HA晶面為hBMP-2提供吸附位點(diǎn), 促進(jìn)hBMP-2的吸附, hBMP-2進(jìn)入HA內(nèi)部, 導(dǎo)致hBMP-2含量提高。

2.5 鈦網(wǎng)表面不同復(fù)合涂層中hBMP-2的釋放

hBMP-2的釋放曲線(圖6)顯示, TmhB、TmHedhB樣品在6 h的hBMP-2釋放量達(dá)94%, 具有明顯的突釋特點(diǎn)。這可能是因?yàn)閔BMP-2吸附于TmhB、TmHedhB涂層的表面, 容易發(fā)生脫附。作者前期在有關(guān)HA表面BSA、溶菌酶(LYS)的釋放研究中也得到類似的結(jié)論[41-42]。

TmHhBed樣品在6 h的hBMP-2釋放量為74%, 48 h的釋放量為86%, 在6~48 h內(nèi)表現(xiàn)明顯的hBMP-2緩釋性能。這主要是因?yàn)門mHhBed表面為電化學(xué)共沉積技術(shù)制備的hBMP-2/HA復(fù)合涂層, hBMP-2和HA之間的作用機(jī)制與骨形成相關(guān)蛋白[43]和骨礦物質(zhì)之間的作用機(jī)制類似[13], hBMP-2為HA提供成核位點(diǎn), 新沉積HA表面吸附hBMP-2, hBMP-2的吸附與HA沉積交替、動(dòng)態(tài)進(jìn)行, 導(dǎo)致hBMP-2分布于TmHhBed樣品的表面和HA晶體內(nèi)部[13]。吸附于樣品表面的hBMP-2分子容易脫附, 表現(xiàn)出hBMP-2的突釋現(xiàn)象; 隨著HA的溶解, HA內(nèi)部的hBMP-2逐漸釋放, 表現(xiàn)出hBMP-2的緩釋現(xiàn)象。

圖6 鈦網(wǎng)表面不同復(fù)合涂層中hBMP-2的釋放曲線

3 結(jié)論

本研究結(jié)合堿熱處理、電化學(xué)沉積, 引入促骨生長活性蛋白因子等技術(shù), 在骨接合鈦網(wǎng)表面制備了三種含有hBMP-2修飾的復(fù)合涂層, 系統(tǒng)研究了不同樣品的表面形貌、化學(xué)成分、相組成、hBMP-2含量及釋放情況。研究發(fā)現(xiàn):

1) 鈦網(wǎng)在NaOH濃度1 mol/L, 240 ℃條件下堿熱處理6 h, 可以在表面構(gòu)建出具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽納米纖維結(jié)構(gòu)。

2) 采用電化學(xué)沉積技術(shù)(脈沖沉積模式、沉積電壓–1.3 V、脈寬100 s、脈沖周期200 s, 沉積時(shí)間2 h)在鈦酸鹽納米纖維表面沉積形成了“串珠”狀HA顆粒, 顆粒長約100 nm, 寬約30 nm, “串珠”狀HA均勻包裹在鈦酸鹽納米纖維表面。

3) TmhB、TmHedhB和TmHhBed樣品中hBMP-2的含量分別為295、610、886 ng/mg。電化學(xué)共沉積技術(shù)制備的TmHhBed中hBMP-2進(jìn)入到HA涂層內(nèi)部, 導(dǎo)致其hBMP-2的含量最高。

4) TmhB、TmHedhB具有明顯的hBMP-2突釋行為, 6 h hBMP-2的釋放量達(dá)94%; TmHhBed表面吸附的hBMP-2突釋后, “串珠”狀HA中的hBMP-2伴隨HA的溶解逐漸釋放, 在6~48 h范圍內(nèi)具備明顯的hBMP-2緩釋性能。

[1] BUSER D, SCHENK R K, STEINEMANN S,Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. a histomorphometric study in miniature pigs., 1991, 25(7): 889–902.

[2] DABROWSKI B, SWIESZKOWSKI W, GODLINSKI D,Highly porous titanium scaffolds for orthopaedic applications., 2010, 95B(1): 53–61.

[3] CARINE V, YANN C, DIDIER L O,Surface modification of titanium with phosphonic acid to improve bone bonding: characterization by XPS and ToF-SIMS., 2002, 18(7): 2582–2589.

[4] WANG X H, LI J S, HU R,Mechanical properties and bioactive surface modificationalkali-heat treatment of porous titanium for biomedical applications., 2013, 647: 511–517.

[5] DAS K, BALLA V K, BANDYOPADHYAY A,Surface modification of laser-processed porous titanium for load-bearing implants., 2008, 59(8): 822–825.

[6] RAKHMATIA Y D, AYUKAWA Y, FURUHASHI A,Current barrier membranes: titanium mesh and other membranes for guided bone regeneration in dental applications., 2013, 57(1): 3–14.

[7] MARBACHER S, ANDRES R H, FATHI A R,Primary reconstruction of open depressed skull fractures with titanium mesh., 2008, 19(2): 490–495.

[8] SCH N R, METZGER M C, ZIZELMANN C,Individually preformed titanium mesh implants for a true-to-original repair of orbital fractures., 2006, 35(11): 990–995.

[9] NAKASE H, PARK Y S, KIMURA H,Complications and long-term follow-up results in titanium mesh cage reconstruction after cervical corpectomy., 2006, 19(19): 353–357.

[10] MARTIN M P, OLSON S. Post-operative complications with titanium mesh., 2009, 16(8): 1080–1081.

[11] CARRAD A. Development of bioactive hydroxyapatite coatings on titanium alloys., 2012, 533: 183–193.

[12] LANGELIER B, WANG X, GRANDFIELD K. Atomic scale chemical tomography of human bone., 2017, 7: 39958.

[13] KANE R, MA P X. Mimicking the nanostructure of bone matrix to regenerate bone., 2013, 16(11): 418–423.

[14] HABIBOVIC P, YUAN H, VAN D D M,Relevance of osteoinductive biomaterials in critical-sized orthotopic defect., 2010, 24(5): 867–876.

[15] LI C, VEPARI C, JIN H J,Electrospun silk-BMP-2 scaffolds for bone tissue engineering., 2006, 27(16): 3115–3124.

[16] MURPHY C M, SCHINDELER A, GLEESON J P,A collagen- hydroxyapatite scaffold allows for binding and co-delivery of recombinant bone morphogenetic proteins and bisphosphonates., 2014, 10(5): 2250–2258.

[17] GUO X, PARK H, YOUNG S,Repair of osteochondral defects with biodegradable hydrogel composites encapsulating marrow mesenchymal stem cells in a rabbit model., 2010, 6(1): 39–47.

[18] CHEN P C, XU Z K. Mineral-coated polymer membranes with superhydrophilicity and underwater superoleophobicity for effective oil/water separation., 2013, 3(6153): 2776.

[19] USINSKAS P, STANKEVICIUTE Z, BEGANSKIENE A,Sol-Gel derived porous and hydrophilic calcium hydroxyapatite coating on modified titanium substrate., 2016, 307: 935–940.

[20] CHA C, LIECHTY W B, KHADEMHOSSEINI A,Designing biomaterials to direct stem cell fate., 2012, 6(11): 9353–9358.

[21] LUTOLF M P, GILBERT P M, BLAU H M. Designing materials to direct stem-cell fate., 2009, 462(7272): 433–441.

[22] DOM NGUEZ-TRUJILLO C, PE N E, CHICARDI E,Sol-Gel deposition of hydroxyapatite coatings on porous titanium for biomedical applications., 2017, 333(15): 158–162.

[23] PENG H, USAS A, OLSHANSKI A,VEGF improves, whereas sFlt1 inhibits, BMP2-induced bone formation and bone healing through modulation of angiogenesis., 2010, 20(11): 2017–2027.

[24] CHEN L, JIANG W, HUANG J,Insulin-like growth factor 2(IGF-2) potentiates BMP-9-induced osteogenic differentiation and bone formation., 2010, 47(11): S432–S433.

[25] BOSE S, TARAFDER S. Calcium phosphate ceramic systems in growth factor and drug delivery for bone tissue engineering: a review., 2012, 8(4): 1401–1421.

[26] KHAN S N, BOSTROM M P, LANE J M. Bone growth factors., 2000, 31(3): 375–387.

[27] WANG Z, CHEN L, XU J,Bioadhesive microporous architectures by self-assembling polydopamine microcapsules for biomedical applications., 2015, 27(3): 848–856.

[28] ZHANG C D, XIAO D Q, FU Y K,Fabrication of nanostructured hierarchical coatings composed of calcium phosphate/ titanate on titanium substrate., 2014, 575–576: 253–258.

[29] ZHAO H, DONG W, ZHENG Y,The structural and biological properties of hydroxyapatite-modified titanate nanowire scaffolds., 2011, 32(25): 5837–5846.

[30] KOUTSOPOULOS S. Synthesis and characterization of hydroxyapatite crystals: a review study on the analytical methods., 2002, 62(4): 600–612.

[31] PALAZZO B, IAFISCO M, LAFORGIA M,Biomimetic hydroxyapatite-drug nanocrystals as potential bone substitutes with antitumor drug delivery properties., 2010, 17(13): 2180–2188.

[32] CAI L, LIN D, CHAI Y,MBG scaffold containing chitosan microspheres as binary delivery system of IL-8 and BMP-2 for bone regeneration., 2018, 6(27): 4453–4465.

[33] LU X, WANG Y B, LIU Y R,Preparation of HA/chitosan composite coatings on alkali treated titanium surfaces through Sol–Gel techniques., 2007, 61(18): 3970–3973.

[34] PANG D, HE L, WEI L,Preparation of a beta-tricalcium phosphate nanocoating and its protein adsorption behaviour by quartz crystal microbalance with dissipation technique., 2018, 162: 1–7.

[35] DONG X, WANG Q, WU T,Understanding adsorption- desorption dynamics of BMP-2 on hydroxyapatite(001) surface., 2007, 93(3): 750-759.

[36] WALLWORK M L, KIRKHAM J, ZHANG J,Binding of matrix proteins to developing enamel crystals: an atomic force microscopy study., 2001, 17(8): 2508–2513.

[37] ZHU X, FAN H, LI D,Protein adsorption and zeta potentials of a biphasic calcium phosphate ceramic under various conditions., 2007, 82(1): 65–73.

[38] ZHOU H, WU T, DONG X,Adsorption mechanism of BMP-7 on hydroxyapatite(001) surfaces., 2007, 361(1): 91–96.

[39] KANDORI K, FUDO A, ISHIKAWA T. Study on the particle texture dependence of protein adsorption by using synthetic micrometer- sized calcium hydroxyapatite particles., 2002, 24(2): 145–153.

[40] BOIX T, GOMEZ-MORALES J, TORRENT-BURGUES J,Adsorption of recombinant human bone morphogenetic protein rhBMP-2m onto hydroxyapatite., 2005, 99(5): 1043–1050.

[41] FU Y K, ZHOU X, XIAO D Q,Influence of micro-nano structure of haydroxyapatite particles on protein adsorption., 2015, 30(5): 523–528.

[42] FU Y K, LI X Z, XIA X,Effect of zeta potential of hydroxyapatite on protein adsorption., 2016, 16(19): 3610–3613.

[43] IMAMURA T, KAITO T. Homeostasis and disorder of musculoskeletal system.BMP and TGF signaling and locomotive tissues., 2018, 28(3): 313.

hBMP-2 Contained Composite Coatings on Titanium Mesh Surface: Preparation and hBMP-2 Release

FU Ya-Kang1, WENG Jie2, LIU Yao-Wen3, ZHANG Ke-Hong1

(1. Ya’an Polytechnic College, Ya’an 625000, China; 2. Key Laboratory of Advanced Technologies of Materials, Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. School of food, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

Titanate nanofibers were prepared on titanium mesh by alkali-heat treatment, and calcium phosphate coating was fabricated on the porous titanate nanofibers by electrochemical deposition technology. Then hBMP-2 was introduced into the coating by different methods to improve its osteointegration and bioactivity. Three kinds of composite coatings modified by hBMP-2 were prepared (TmhB, TmHedhB and TmHhBed). Surface morphology, chemical composition, phase composition and hBMP-2 amounts and hBMP-2 release performance of the composite coatings were characterized by SEM, ATR-FTIR, XRD, and hBMP-2 ELISA kit, respectively. Results showed that all of the coatings display porous fiber structure, calcium phosphate phase in TmHedhB and TmHhBed samples was hydroxyapatite (HA), and bead-like HA particles formed on the surface of titanate nanofibers. Protein adsorption experiments showed that introduction of bead-like HA phase increased the hBMP-2 adsorption on the composite coatings, and composite coatings prepared by electrochemical co-deposition technique further enhanced hBMP-2 adsorption up to 886 ng/mg, which were supported hBMP-2 sustained release within 6-48 h.

titanium; alkali-heat treatment; electrochemical deposition; hydroxyapatite; composite coating; hBMP-2

R318; TQ174

A

1000-324X(2020)02-0173-06

10.15541/jim20190127

2019-03-25;

2019-05-04

國家自然科學(xué)基金(51572228); 四川省教育廳自然科學(xué)基金(16ZB0546); 雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)基金(2016yzk15)

National Natural Science Foundation of China (51572228); Natural Science Foundation Project of Sichuan Provincial Education Department (16ZB0546); Natural Science Foundation Project of Ya' an Polytechnic College (2016yzk15)

付亞康(1988–), 男, 碩士研究生, 講師. E-mail: fykmail@163.com

FU Ya-Kang (1988–), male, Master candidate, lecturer. E-mail: fykmail@163.com