磷酸钙热喷涂板的纳米结构与成骨细胞行为

Khor, H. Li和P. Cheang

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AZojomo (ISSN 1833-122X)第2卷2006年6月

摘要

本研究旨在描述热喷雾沉积的单个磷酸钙(CP)片中的纳米结构。采用等离子喷涂和高速氧燃料(HVOF)技术制备了CP片。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM)观察纳米结构。在CP板中发现了约30nm晶粒的纳米结构。这与CP涂层中的纳米结构是一致的。进一步证实了羟基磷灰石(HA)分解主要发生在喷射粒子的熔化部分。欧洲杯猜球平台此外，在培养基中培养2天后，成骨细胞已经很好地附着在涂层上并增殖。纳米结构能够增强成骨细胞的增殖。

关键字

羟基磷灰石，Splats，纳米结构，细胞培养

介绍

磷酸钙(CP)，特别是羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄）₆(哦)₂在骨科和牙科应用中，沉积在钛合金种植体上的涂层在快速骨重建和合适的功能寿命方面显示出良好的效果。毫无疑问，涂层的微观组织对其力学性能有显著影响[1，2]。众所周知，热喷涂涂层显示出由单个的积累板组成的层状结构。由于这种不规则的不均匀层状结构，涂层的力学性能与微观组织有显著的相关性。一般来说，板岩的形成是一个孤立的过程，这意味着后续板岩对前一板岩相的影响很小。因此，大块HA涂层的整体体外行为和微观结构应直接与涂层的微观结构有关一个个人哈长条木板。因此，对单个HA splat的体外行为和微观结构的良好理解将有助于了解HA涂层。到目前为止，许多研究人员已经报道了一些有趣的结果的热喷涂板的显微组织[3-5]。为了揭示单个板的详细结构特征，必须充分利用透射电子显微镜(TEM)。此外，体外单个CP splats的研究可能有助于深入了解CP与细胞的生物相容性相互作用机制。另外，还有一个前车之鉴在体外研究表明，纳米陶瓷具有显著增强成骨细胞在其表面的粘附能力[6]。因此，生物相容涂层内的纳米结构可以显示出同样的效果。在本研究中，我们对单个CP板的纳米结构和体外成骨细胞行为进行了表征。在抛光的Ti-6Al-4V衬底上采用等离子喷涂和HVOF两种方法制备了片状材料。

实验

利用湿化学法合成的HA粉末，采用HVOF和等离子喷涂工艺进行溅射沉积。初始粉末颗粒具有典型的圆柱形颗粒<500的欧洲杯猜球平台纳米结构长度40-70米直径nm(图保证1）.纳米结构的透明质酸颗粒是由单个纳米尺寸的圆柱形透明质酸颗粒聚集形成的。在用1μ金刚石研磨膏。采用扫描电子显微镜(SEM, JEOL JSM-5600LV)、场发射扫描电镜(FESEM, JEOL)对样品进行了微观结构分析房子- 6340 f),透射电子显微镜(TEM, JEOL, JEM-2010)在200 kV下工作。采用市售hFOB 1.19细胞系进行体外细胞培养。用含10%胎牛血清(FBS)和0.5%抗生素的Dulbecco's modified eagle培养基(DMEM)孵育×10⁴细胞。细胞在100%湿度，5% CO的环境中培养₂在24孔培养板中加入1每孔含Ml培养基。后2天”孵育后，用扫描电镜观察细胞附着在样品上的形态。在SEM观察之前，2.5%戊二醛在0.1M卡可迪酸钠缓冲液预固定细胞，1%四氧化锇在0.1米甲次砷酸盐缓冲。最后的固定步骤是脱水和临界点干燥。

(一)

(b)

图1所示。初始nSD-HA颗粒的典型地形形态(a)。对HA颗粒的近距离检查(b)显示了纳米级HA颗粒的团聚。欧洲杯猜球平台

结果与讨论

图2显示了TEM观察到的CP片内典型的纳米结构(图2)保证2a)和FESEM(图保证2 b)。结果表明，HA splat由~30纳米结构组成纳米颗粒。对HA涂层的FESEM观察显示出一致的纳米结构(图)保证3）.这进一步表明，在单个HA飞溅形成大块涂层的过程中，纳米颗粒没有明显的晶粒生长。然而，必须注意的是，对于splats中的纳米结构，除了HA外还有很多相，例如α-TCP(磷酸三钙)βtcp．这可能是不可取的，因为这些阶段是HA分解的结果，比HA的生物活性低。此外，值得注意的是，溅片/涂层中的纳米结构与起始原料中的纳米结构不同。经过高温喷雾处理后，纳米纤维已转变为40 nm ~ 120 nm的纳米微球。这说明在熔融/再固化过程中，纳米纤维大多分裂成一个或多个单独的部分，在表面张力的作用下形成纳米球。结果还表明，起始粉末中存在的纳米结构对涂层中最终纳米结构的重要性。

(一)

(b)

图2。典型的透射电镜形貌在板的条纹(a)和FESEM形貌在板的表面(b)的CP板显示一致的纳米结构。

图3。HA涂层的FESEM照片显示涂层内部有一致的纳米结构。

此外，在splat的极端周围区域显示出非晶态CP(图保证4)，表明液滴撞击基板后冷却非常迅速。

(一)

(b)

图4。HA溅射条纹处的典型透射电镜显微结构(a)显示了非晶态磷酸钙(ACP)的主要存在，这与选定的衍射图(b)一致。

研究还发现，对于HVOF的HA涂层/板，与基体表面密切接触的HA板内部区域呈现出典型的长方体结构(图)保证5）.大多数颗粒小于250长度小于50nm直径。很少有比0.4-1.2更大的长度为80-120 μmnm宽。这种长方体结构只出现在HVOF涂层中，可能表明了该结构形成的一个临界条件:充分熔融状态、快速冷却和快速撞击。

图5。在HVOF涂层底部(与基材紧密接触)拍摄的典型FESEM照片显示了长方体结构。

原代细胞培养试验表明，HA splats具有生物活性，在孵育2天后吸引了明显的细胞附着和增殖(图)保证6)．然而，在细胞在底物上附着和增殖之前，splats有明显的溶解。这可能表明，splats在培养基中的(部分)溶解增强了细胞的增殖。

(一)

(b)

图6。成骨细胞在HA板上有明显的附着和增殖，(a)孵育前和孵育后的SEM照片。

为了比较，HA涂层也在培养基中培养了2天。细胞在涂层表面也增殖良好(图保证7)．然而，涂层没有明显的溶解。注意到在涂层上增殖的细胞数量少于n这就是splats。这表明富钙磷相溶解在培养基中可能促进细胞增殖。在我们实验室[7]的另一篇论文中讨论了CP片的溶解行为。必须注意的是，作为涂层的第一层的片状内部的相比涂层表面的HA少。这可能部分解释了解散的原因。可吸收CPs可促进新的矿化骨基质均匀沉积，从而使其在体内快速与周围宿主骨组织融合。也有研究者发现CP涂层的溶解伴随着良好的山羊骨髓基质细胞附着[8]和成骨细胞样细胞[9]的高增殖率和ALP活性。

图7。扫描电镜照片显示，成骨细胞附着在HA涂层上。

结论

热喷涂的HA片实际上由~30个组成纳米的纳米结构。涂层沉积后，HA原料中的纳米结构得以保留并重新组织。纳米纤维的熔化/凝固导致涂层中形成球形纳米晶粒。纳米结构的HA板能够增强成骨细胞的附着和增殖。本研究还发现，富Ca/ p相溶解到培养基中可能促进细胞的增殖/分化。

参考文献

1. “等离子喷涂涂层的各向异性与微观结构的关系研究”，《物理学报》，2015。板牙。， 48(2000) 1361-1370。
2. 林志强，“热喷涂镀层在压痕试验中的弹性响应”，中华人民大学学报(自然科学版)。陶瓷。Soc。， 80(1997) 2093-2099。
3. M. Pasandideh-Fard, V. Pershin, S. Chandra和J. Mostaghimi，“热喷涂涂层过程中的Splat形状:模拟和实验”，J. Therm。喷涂工艺。， 11(2002) 206-217。
4. 蔡伟东，刘志强，“钽合金的雾化与沉积”，材料科学与工程学报，45(1997)。
5. “钼等离子喷涂在玻璃基板上的晶粒形貌，材料科学与工程，”科学。Eng。， a299(2001) 235-240。
6. 韦伯斯特、西格尔和比齐奥斯，“成骨细胞在纳米陶瓷上的粘附”，生物材料，20(1999)1221-1227。欧洲杯足球竞彩
7. 张鹏，“HVOF喷涂磷酸钙涂层的体外行为”，生物材料学报，24(2003)723-735。欧洲杯足球竞彩
8. 王建军，“钛基复合材料的电化学性能及其在钛基复合材料中的应用”，无机材料学报，25(2004)583-592。欧洲杯足球竞彩
9. H. Kim, G. Georgiou, J.C. Knowles, Y. Koh和H. Kim，“氧化锆表面的磷酸钙和玻璃复合涂层增强生物相容性”，生物材料25(2004)4203-4213。欧洲杯足球竞彩

详细联系方式

论文发表在《材料与材料加工技术进展》，8[2](2006)130-133。欧洲杯足球竞彩