具有经钽涂覆的纳米结构的制造产品及其制备与使用方法
阅读：952发布：2022-12-30
专利汇可以提供具有经钽涂覆的纳米结构的制造产品及其制备与使用方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且在替代实施方案中，本 发明 提供包含具有含钽的表面的纳米结构诸如 纳米管 的制造产品(物品)。在替代实施方案中，本发明的制造产品包括含钽表 面层 的纳米结构，例如，纳米管、 纳米线 、纳米孔等。在替代实施方案中，本发明的制造产品或制造物品是 生物 植入物 ，并且本发明的经钽表面涂覆的纳米结构提供增加的生物活性和骨形成能 力 。在替代实施方案中，将包含本发明的经钽表面涂覆的纳米结构的本发明的制造产品或制造物品，例如生物植入物，用于活体外、离体和活体内测试、植入物、生物医学装置和 治疗 法。，下面是具有经钽涂覆的纳米结构的制造产品及其制备与使用方法专利的具体信息内容。
1.一种产品或制造物品或装置或植入物，其包含：纳米结构或纳米架构，
其中所述纳米结构或纳米架构在其部分表面上、在其基本上全部表面上或在其全部表面上被以下覆盖或涂覆：全部地或其基本上全部地或部分地包含钽(Ta)、Ta或Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta的涂层或外覆盖物或外层，
其中任选地所述涂层、外覆盖物或外层包含至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、
8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta，或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、
13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta构成，
并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、
14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、
85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约99.9％或更多的或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta覆盖、涂覆或形成层：
并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、
14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、
85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的或高达约99.9％或更多的或约1％到99.5％的以下物质由所述纳米结构或纳米构架覆盖、涂覆或形成层：
所述产品、制造物品、装置或植入物；或所述产品、制造物品、装置或植入物的表面；或所述产品、制造物品、装置或植入物的涂层或外覆盖物、外层或外表面。
2.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其进一步在其表面上包含或具有一个微米级结构或多个微米级结构，并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、
7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多或高达约99.9％或更多或约1％到99.5％的所述一个或多个微米级结构由所述纳米结构或纳米架构覆盖、涂覆或形成层。
3.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其被制造为或用作：生物医学装置或植入物；矫形植入物、牙植入物、脊柱植入物、膝部植入物、关节植入物或等效植入物；或骨针、髓内棒、髓内钉(IM钉)或互锁钉或坎茨尔钉；或骨或牙植入物；或关节置换植入物；或针、板或杆或等效物。
4.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其中所述纳米结构或纳米架构包含：一个纳米管、一个纳米柱、一个纳米带、一个纳米线、一个纳米棒或一个纳米纤维或其等效物；或多个纳米管、纳米带、纳米柱、纳米棒、纳米纤维或纳米线或其等效物；或纳米柱阵列、纳米带阵列、纳米管阵列、纳米纤维阵列、纳米棒阵列或纳米线阵列或它们的组合结构，
并且任选地所述阵列是垂直对齐的阵列或基本上垂直对齐的阵列，
并且任选地所述纳米柱阵列、纳米带阵列、纳米管阵列、纳米纤维阵列、纳米棒阵列或纳米线阵列或它们的组合结构具有约20nm到800nm范围内的平均直径，并且具有在约50nm到2,000nm范围内的平均高度。
5.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其中钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5、结晶Ta或非晶形Ta的所述涂层或外覆盖物或外层的厚度为：
最多约0.1mm(100微米)、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或
1.0mm；或
小于约0.01mm(10微米)、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、
0.09mm或0.10mm；或
小于约1微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米或10微米；
或
小于约0.1微米(100nm)、0.2nm、0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.6nm、0.7nm、0.8nm、0.9nm或
1.0nm；或
最小厚度为至少约1纳米(nm)、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm。
6.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其进一步包含：
(a)一个细胞或多个细胞，
其中任选地所述一个或多个细胞为：人类细胞；或干细胞；或软骨细胞、成纤维细胞、破骨细胞或成骨细胞；或参与牙生成或骨形成之细胞；或骨细胞、肌细胞、肝细胞、肝实质细胞、内皮细胞、脂细胞、成纤维细胞、枯否氏细胞、肾细胞、血管细胞、皮肤细胞、牙周细胞、成牙质细胞、成牙本质细胞、成牙骨质细胞、成釉细胞或牙源性外胚层间充质组织；或其任一组合，
其中任选地所述一个或多个细胞粘附到或生长于所述纳米结构或纳米架构的表面上；
和/或
(b)骨或软骨或生长和粘附的骨结构，其中任选地所述骨或粘附的骨结构全部地或部分地包含矫形骨、牙骨、脊柱骨、人类或动物骨，并且任选地所述骨或软骨或生长和粘附的骨结构在Ta或Ta氧化物涂层的顶部或外表面上。
7.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其中所述涂层、外覆盖物、外表面或外层是通过物理气相沉积工艺、溅射或蒸发工艺或激光消融或等离子体喷涂工艺或化学气相沉积工艺或通过化学/电化学沉积工艺添加的。
8.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其中：所述产品、制造物品、装置或植入物包含；或所述产品、制造物品、装置或植入物的基底或外表面或外层包含；或所述纳米结构或纳米架构或纳米结构或纳米架构基底包含：
金属、钛(Ti)、钛氧化物、TiO2、或其组合；
含有或包含至少约40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、
70重量％、75重量％或更多的Ti或Ti氧化物并且任选地包含成合金元素的合金；
金属组分、ZrO2、HfO2、NbO或Nb2O5、MoO2或MoO3、VO2或V2O5、WO2或WO3、或它们的任一合金或氧化物、或它们的氧化物、或Ti、Zr、Hf、Nb、Mo、V或W的氧化物，任选地至少约40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％或更多，其中任选地所述金属组分包含多种金属或元素或包含：Al、Ag、C、F、Mg、Ca、Si、P、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Re、Os、Ir、Pt、Au或Bi、或一或多种稀土元素、或其组合；或不锈钢、Si、Si氧化物、碳、金刚石、贵金属、Au、Ag、Pt、或它们的合金、或复合金属，氧化锆或氧化锆或其任一合金或氧化物，
钴-铬合金，
陶瓷或聚合物或塑料材料，
或它们的任一组合。
9.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其中所述纳米结构、纳米架构或纳米管是阳极化的；
并且任选地所述纳米结构、纳米架构或纳米管是通过Ti金属或含Ti合金的表面的阳
极化所形成的纳米结构、纳米架构或纳米管层或阵列，或
通过不含Ti的衬底、基底、表面或植入物上的被涂覆的Ti或含Ti合金的厚膜层的阳
极化所形成的纳米结构、纳米架构或纳米管层或阵列。
10.根据权利要求1所述的产品、制造物品、装置或植入物，其进一步包含化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物、示踪剂，
其中任选地所述化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂包括：
肽、蛋白质、多肽、抗体、核酸、DNA或RNA、miRNA、siRNA、基因、载体、多糖、脂质、生长因子、细胞因子、抗生素、激素、治疗性药物、功能性粒子、磁性粒子、金属粒子、陶瓷粒子、聚合物粒子、或其组合；
并且任选地所述化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂储存于纳米管或中空纳米线或纳米柱之中或之内，或所述纳米结构或纳米架构的空间之间或所述纳米结构或纳米架构之内或粘附于所述纳米结构或纳米架构上；
并且任选地所述纳米结构或纳米架构通过以下方式形成多个纳米库：将所述化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂储存于：所述纳米结构或纳米架构之内(如在纳米线中或在中空纳米管或纳米柱中)；或所述纳米结构或纳米架构之间；或所述纳米结构或纳米架构之上；
并且任选地所述纳米结构或纳米架构进一步包含部分受阻的或受限的、或可触发的或可驱动的、或部分瓶颈的配置、开口，以允许所述化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂以可触发的、可驱动的、受控的或缓慢的释放方式释放，
并且任选地通过金属或氧化物材料的选择性沉积来减小纳米库的入口尺寸以诱导部
分瓶颈的配置，从而减慢储存于所述纳米库之内的化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂的释放速率，
并且任选地将可由磁性氧化物粒子或金属粒子制成的功能性粒子用于远程驱动的RF
加热和产生用于储存于所述纳米库空间中的生物试剂的加速的或开启的、关闭的释放的温度梯度。
11.一种活体外、离体或活体内细胞培养衬底或衬底，其用于：新的或增强的细胞生长；新的或增强的成骨细胞、成牙质细胞、成牙本质细胞或成牙骨质细胞的生长；新的或增强的骨或软骨的生长；和/或新的或增强的矿化基质的形成，其中所述培养衬底或衬底表面包含：
(a)纳米结构或纳米架构，
其中所述纳米结构或纳米架构在其部分表面上、在其基本上全部表面上或在其全部表面上被以下覆盖或涂覆：全部地或其基本上全部地或部分地包含钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、钽(Ta)、或Ta合金或Ta合金氧化物的涂层、外覆盖物或外层，
其中任选地所述涂层、外覆盖物或外层包含至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、
8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物、或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、
14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、
85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；或
(b)如权利要求1到10中的任一权利要求所述的包含纳米结构或纳米架构的表面。
12.一种活体外、离体或活体内支持性支架，其用于：新的或增强的细胞生长；新的或增强的成骨细胞、成牙质细胞、成牙本质细胞或成牙骨质细胞的生长；新的或增强的骨或软骨的生长；和/或新的或增强的矿化基质的形成，所述支持性支架包含：
支架表面，其包含；
(a)纳米结构或纳米架构，
其中所述纳米结构或纳米架构在其部分表面上、在其基本上全部表面上或在其全部表面上被以下覆盖或涂覆：全部地或其基本上全部地或部分地包含钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、钽(Ta)、或Ta合金或Ta合金氧化物的涂层、外覆盖物或外层，
其中任选地所述涂层、外覆盖物或外层包含至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、
8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物、或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、
14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、
85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；或
(b)如权利要求1到11中的任一权利要求所述的包含纳米结构或纳米架构的表面。
13.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的产品、制造物品、装置或植入物或根据权利要求11所述的活体外、离体或活体内培养衬底或衬底或根据权利要求12所述的活体外、离体或活体内支持性支架，
其中：所述产品、制造物品、装置或植入物；或培养衬底或衬底；或所述支持性支架：在用于骨植入物或骨嵌体或骨支持物部位的植入物上或是其一部分，其中任选地所述骨植入物、嵌体或支持物被制作用于以下目的或将置换以下中的全部或部分：
指关节修复或置换，
腕修复或置换，
肘修复或置换，
肩修复或置换，
腿修复或置换，
臂修复或置换，
髋修复或置换，
膝修复或置换，
踝修复或置换，
足或趾修复或置换，
脊髓的椎间盘修复或置换，
肋骨篮修复或肋置换，
颅骨网、补片或置换，
针、网或棒，或
棒、螺钉或骨稳定器植入物。
14.一种用于开始或诱导新的或增强的细胞生长；新的或增强的成骨细胞、成牙质细胞、成牙本质细胞或成牙骨质细胞的生长；新的或增强的骨或软骨的生长；和/或新的或增强的矿化基质的形成的方法，其包括在活体内植入
(a)纳米结构或纳米架构，
其中所述纳米结构或纳米架构在其部分表面上、在其基本上全部表面上或在其全部表面上被以下覆盖或涂覆：全部地或其基本上全部地或部分地包含钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、钽(Ta)、或Ta合金或Ta合金氧化物的涂层、外覆盖物或外层，
其中任选地所述涂层、外覆盖物或外层包含至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、
8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、
14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、
85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；
(b)如权利要求1到10中的任一权利要求所述的包含纳米结构或纳米架构的表面；或
(c)根据权利要求1到10中任一权利要求所述的产品、制造物品、装置或植入物或根据权利要求11所述的活体外、离体或活体内培养衬底或衬底或根据权利要求12所述的活体外、离体或活体内支持性支架。
15.一种使用两相掩模层的阳极化、形成和选择性相移除来制作增强骨的纳米管或纳米柱配置的方法，其包括：使用二嵌段共聚物层、旋节线分解合金层或两相合金膜、之后选择性蚀刻生物材料表面以产生纳米管或纳米柱表面配置。
具有经钽涂覆的纳米结构的制造产品及其制备与使用方法
[0001] 相关申请
[0002] 本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2012年2月07日提交的美国临时申请号61/596,143的优先权权益。上述申请的全文出于所有目的以引用方式明确并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体上涉及细胞生物学、医学和纳米技术。在替代实施方案中，本发明提供包含具有包含钽的表面的纳米结构(例如纳米管)的制造产品(物品)。在替代实施方案中，本发明的制造产品包括包含钽表面层的纳米结构，例如，纳米管、纳米线、纳米孔等。在替代实施方案中，本发明的制造产品或制造物品是生物植入物，并且本发明的经钽表面涂覆的纳米结构提供增加的生物活性和骨形成能力。在替代实施方案中，将包含本发明的经钽表面涂覆的纳米结构的本发明的制造产品或制造物品(例如，生物植入物)用于活体外、离体和活体内测试、植入物、生物医学装置和治疗法。
背景技术
[0004] 金属钽(Ta)最近已成为用于矫形应用的受到关注的生物材料，因为已发现其高度抗腐蚀且具有生物惰性，并且在活体内具有生物活性，在模拟体液中形成以生物方式结合到骨的骨样磷灰石层。钽主要由于FDA于1997年批准的具有微孔性的新多孔(小梁)钽材料而在生物材料领域重获关注，所述钽材料已显示具有极佳的骨整合性质。从那时起，许多研究已经对Ta与其它常见植入物材料(例如Ti和CoCr)的生物相容性、细菌粘附和骨传导性进行了比较。一项最近研究证实多孔Ta刺激来自骨形成能力受损的老年女性患者的成骨细胞的的增殖和骨生成。然而，虽然迄今为止获得了有希望的结果，但相对昂贵的3
制造成本以及不能产生模块化全-Ta植入物阻碍了其被广泛接受。钽还是具有16.69g/cm
3
的密度的重金属，为具有4.51g/cm 的密度的Ti植入物的近4倍重。如此重的植入物用于矫形应用是不合意的。钽金属也比钛金属昂贵得多。
制造成本以及不能产生模块化全-Ta植入物阻碍了其被广泛接受。钽还是具有16.69g/cm
3
的密度的重金属，为具有4.51g/cm 的密度的Ti植入物的近4倍重。如此重的植入物用于矫形应用是不合意的。钽金属也比钛金属昂贵得多。
发明内容
[0005] 在替代实施方案中，本发明提供制造产品、产品、组合物、制造物品、装置或植入物，其包含：
[0006] 纳米结构或纳米架构，
[0007] 其中所述纳米结构或纳米架构在其部分表面上、在其基本上全部表面上或在其全部表面上被以下覆盖或涂覆：全部地或其基本上全部地或部分地包含钽(Ta)、Ta或Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta的涂层或外覆盖物或外层，
[0008] 其中任选地所述涂层、外覆盖物或外层包含至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、
14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、
85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta构成，
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、
14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、
85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta构成，
[0009] 并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta覆盖、涂覆或形成层，
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)或非晶形Ta覆盖、涂覆或形成层，
[0010] 并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的以下物质由所述纳米结构或纳米架构覆盖、涂覆或形成层：所述产品、制造物品、装置或植入物；或所述产品、制造物品、装置或植入物的表面；或所述产品、制造物品、装置或植入物的涂层或外覆盖物、外层或外表面。
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的以下物质由所述纳米结构或纳米架构覆盖、涂覆或形成层：所述产品、制造物品、装置或植入物；或所述产品、制造物品、装置或植入物的表面；或所述产品、制造物品、装置或植入物的涂层或外覆盖物、外层或外表面。
[0011] 在替代实施方案中，本发明的制造产品、产品、组合物、制造物品、装置或植入物进一步在表面上包含或具有一个微米级结构或多个微米级结构，并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、
35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、
94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约99.9％或更多或约1％到99.5％的所述一个或多个微米级结构由所述纳米结构或纳米架构覆盖、涂覆或形成层。
35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、
94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约99.9％或更多或约1％到99.5％的所述一个或多个微米级结构由所述纳米结构或纳米架构覆盖、涂覆或形成层。
[0012] 在替代实施方案中，本发明的制造产品、产品、组合物、制造物品、装置或植入物被制造为或用作：生物医学装置或植入物；矫形植入物、牙植入物、脊柱植入物、膝部植入物、关节植入物或等效植入物；或骨针、髓内棒、髓内钉(IM钉)或互锁钉或坎茨尔钉(Küntscher nail)；或骨或牙植入物；或关节置换植入物；或针、板或杆或等效物。
[0013] 在替代实施方案中，所述纳米结构或纳米架构包含：一个纳米管、一个纳米柱、一个纳米带、一个纳米线、一个纳米棒或一个纳米纤维或其等效物；或多个纳米管、纳米带、纳米柱、纳米棒、纳米纤维或纳米线或其等效物；或纳米柱阵列、纳米带阵列、纳米管阵列、纳米纤维阵列、纳米棒阵列或纳米线阵列或它们的组合的结构，
[0014] 并且任选地所述阵列是垂直对齐的阵列或基本上垂直对齐的阵列，
[0015] 并且任选地所述纳米柱阵列、纳米带阵列、纳米管阵列、纳米纤维阵列、纳米棒阵列或纳米线阵列或它们的组合的结构具有在约20nm到800nm范围内的平均直径，并且具有在约50nm到2,000nm范围内的平均高度。
[0016] 在替代实施方案中，所述钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta合金氧化物或Ta2O5、结晶Ta或非晶形Ta的涂层或外覆盖物或外层的厚度为：
[0017] 最多约0.1mm(100微米)、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1.0mm；或
[0018] 小 于 约 0.01mm(10 微 米 )、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.10mm；或
[0019] 小于约1微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米或10微米；或
[0020] 小于约0.1微米(100nm)、0.2nm、0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.6nm、0.7nm、0.8nm、0.9nm或1.0nm；或
[0021] 最小厚度为至少约1纳米(nm)、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm。
[0022] 在替代实施方案中，本发明的制造产品、产品、组合物、制造物品、装置或植入物进一步包含：
[0023] (a)一个细胞或多个细胞，
[0024] 其中任选地所述一个或多个细胞为：人类细胞；或干细胞；或软骨细胞、成纤维细胞、破骨细胞或成骨细胞；或参与牙生成或骨形成之细胞；或骨细胞、肌细胞、肝细胞、肝实质细胞、内皮细胞、脂细胞、成纤维细胞、枯否氏细胞(Kupffer cell)、肾细胞、血管细胞、皮肤细胞、牙周细胞、成牙质细胞、成牙本质细胞、成牙骨质细胞、成釉细胞或牙源性外胚层间充质组织；或其任一组合，
[0025] 其中任选地所述一个或多个细胞粘附到或生长于所述纳米结构或纳米架构的表面上；和/或
[0026] (b)骨或软骨或生长和粘附的骨结构，其中任选地所述骨或粘附的骨结构全部地或部分地包含矫形骨、牙骨、脊柱骨、人类或动物骨，并且任选地所述骨或软骨或生长和粘附的骨结构在Ta或Ta氧化物涂层的顶部或外表面上。
[0028] 在替代实施方案中，所述产品、制造物品、装置或植入物包含或所述产品、制造物品、装置或植入物的基底或外表面或外层包含或所述纳米结构或纳米架构或纳米结构基底或纳米架构基底包含：
[0029] 金属、钛(Ti)、钛氧化物、TiO2或其组合；
[0030] 含有或包含至少约40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％或更多的Ti或Ti氧化物并且任选地包含成合金元素的合金；
[0031] 金属组分、ZrO2、HfO2、NbO或Nb2O5、MoO2或MoO3、VO2或V2O5、WO2或WO3或其任一合金或氧化物、或其氧化物、或Ti、Zr、Hf、Nb、Mo、V或W的氧化物，任选地至少约40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％或更多，其中任选地所述金属组分包含多种金属或元素或包含：Al、Ag、C、F、Mg、Ca、Si、P、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Re、Os、Ir、Pt、Au或Bi或一或多种稀土元素或其组合；或[0032] 不锈钢、Si、Si氧化物、碳、金刚石、贵金属、Au、Ag、Pt或其合金或复合金属，[0033] 氧化锆或氧化锆或其任一合金或氧化物，
[0034] 钴-铬合金，
[0035] 陶瓷或聚合物或塑料材料，
[0036] 或其任一组合。
[0038] 并且任选地所述纳米结构、纳米架构或纳米管是通过Ti金属或含Ti合金的表面的阳极化所形成的纳米结构、纳米架构或纳米管层或阵列，或
[0039] 通过不含Ti的衬底、基底、表面或植入物上的Ti或含Ti合金的被涂覆的厚膜层的阳极化所形成的纳米结构、纳米架构或纳米管层或阵列。
[0040] 在替代实施方案中，本发明的制造产品、产品、组合物、制造物品、装置或植入物进一步包含：化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物、示踪剂，
[0041] 其中任选地所述化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂包含：肽、蛋白质、多肽、抗体、核酸、DNA或RNA、miRNA、siRNA、基因、载体、多糖、脂质、生长因子、细胞因子、抗生素、激素、治疗性药物、功能性粒子、磁性粒子、金属粒子、陶瓷粒子、聚合物粒子或其组合；
[0042] 并且任选地所述化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂储存于纳米管或中空纳米线或纳米柱之中或之内，或所述纳米结构或纳米架构的空间之间或所述纳米结构或纳米架构之内或粘附于所述纳米结构或纳米架构上；
[0043] 并且任选地所述纳米结构或纳米架构通过以下方式形成多个纳米库(nanodepot)：将所述化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂储存于：所述纳米结构或纳米架构之内(如在纳米线中或在中空纳米管或纳米柱中)；或所述纳米结构或纳米架构之间；或所述纳米结构或纳米架构之上；
[0044] 并且任选地所述纳米结构或纳米架构进一步包含部分受阻的或受限的、或可触发的或可驱动的、或部分瓶颈的配置、开口，以允许所述化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂以可触发的、可驱动的、受控的或缓慢的释放方式释放，[0045] 并且任选地通过金属或氧化物材料的选择性沉积来减小纳米库的入口尺寸以诱导部分瓶颈的配置，从而减慢储存于所述纳米库之内的化学品、化合物、小分子、试剂、活性剂、生物试剂、药物或示踪剂的释放速率，
[0047] 在替代实施方案中，本发明提供了一种或者多种活体外、离体或活体内细胞培养衬底，其用于：新的或增强的细胞生长；新的或增强的成骨细胞、成牙质细胞、成牙本质细胞或成牙骨质细胞生长；新的或增强的骨或软骨生长；和/或新的或增强的矿化基质的形成，其中所述培养衬底或衬底表面包含：
[0048] (a)纳米结构或纳米架构，
[0049] 其中所述纳米结构或纳米架构在其部分表面上、在其基本上全部表面上或在其全部表面上被以下覆盖或涂覆：全部地或其基本上全部地或部分地包含钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、钽(Ta)、或Ta合金或Ta合金氧化物的涂层、外覆盖物或外层，[0050] 其中任选地所述涂层、外覆盖物或外层包含至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
[0051] 并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；或[0052] (b)如权利要求1到10中的任一权利要求所述的包含纳米结构或纳米架构的表面。
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；或[0052] (b)如权利要求1到10中的任一权利要求所述的包含纳米结构或纳米架构的表面。
[0053] 在替代实施方案中，本发明提供：活体外、离体或活体内支持性支架，其用于：新的或增强的细胞生长；新的或增强的成骨细胞、成牙质细胞、成牙本质细胞或成牙骨质细胞生长；新的或增强的骨或软骨生长；和/或新的或增强的矿化基质的形成，所述支持性支架包含：
[0054] 支架表面，其包含；
[0055] (a)纳米结构或纳米架构，
[0056] 其中所述纳米结构或纳米架构在其部分表面上、在其基本上全部表面上或在其全部表面上被以下覆盖或涂覆：全部地或其基本上全部地或部分地包含钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、钽(Ta)、或Ta合金或Ta合金氧化物的涂层、外覆盖物或外层，[0057] 其中任选地所述涂层、外覆盖物或外层包含至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
[0058] 并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；或[0059] (b)如权利要求1到11中的任一权利要求所述的包含纳米结构或纳米架构的表面。
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；或[0059] (b)如权利要求1到11中的任一权利要求所述的包含纳米结构或纳米架构的表面。
[0060] 在替代实施方案中，关于本发明的产品、制造物品、装置或植入物、或本发明的活体外、离体或活体内培养衬底或衬底、或本发明的活体外、离体或活体内支持性支架：
[0061] 所述产品、制造物品、装置或植入物；或培养衬底或衬底；或所述支持性支架：在用于骨植入物或骨嵌体或骨支持部位的植入物上或是其一部分，其中任选地所述骨植入物、嵌体或支持物被制作用于以下目的或将置换以下中的全部或部分：
[0062] 指关节修复或置换，
[0063] 腕修复或置换，
[0064] 肘修复或置换，
[0065] 肩修复或置换，
[0066] 腿修复或置换，
[0067] 臂修复或置换，
[0068] 髋修复或置换，
[0069] 膝修复或置换，
[0070] 踝修复或置换，
[0071] 足或趾修复或置换，
[0072] 脊髓的椎间盘修复或置换，
[0073] 肋骨篮修复或肋置换，
[0074] 颅骨网修补或置换，
[0075] 针、网或棒，或
[0076] 棒、螺钉或骨稳定器植入物。
[0077] 在替代实施方案中，本发明提供用于开始或诱导新的或增强的细胞生长；新的或增强的成骨细胞、成牙质细胞、成牙本质细胞或成牙骨质细胞生长；新的或增强的骨或软骨生长；和/或新的或增强的矿化基质的形成的方法，其包括在活体内植入
[0078] (a)纳米结构或纳米架构，
[0079] 其中所述纳米结构或纳米架构在其部分表面上、在其基本上全部表面上或在其全部表面上被以下覆盖或涂覆：全部地或其基本上全部地或部分地包含钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、钽(Ta)、或Ta合金或Ta合金氧化物的涂层、外覆盖物或外层，[0080] 其中任选地所述涂层、外覆盖物或外层包含至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、
98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物或由至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、
12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、
75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多的钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta或Ta合金或Ta合金氧化物构成，
[0081] 并且任选地至少约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；
80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或更多或高达约
99.9％或更多或约1％到99.5％的所述纳米结构或纳米架构由钽(Ta)、Ta合金、Ta氧化物或Ta2O5涂层、结晶钽(Ta)、非晶形Ta、或Ta合金或Ta合金氧化物覆盖、涂覆或形成层；
[0082] (b)如权利要求1到10中的任一权利要求所述的包含纳米结构或纳米架构的表面；或
[0083] (c)根据权利要求1到10中任一权利要求所述的产品、制造物品、装置或植入物或根据权利要求11所述的活体外、离体或活体内培养衬底或衬底或根据权利要求12所述的活体外、离体或活体内支持性支架。
[0084] 在替代实施方案中，本发明提供使用两相掩模层的阳极化、形成和选择性相移除来制作增强骨的纳米管或纳米柱配置的方法，其包括：使用二嵌段共聚物层、旋节线分解合金层或两相合金膜、之后选择性蚀刻生物材料表面以产生纳米管或纳米柱表面配置。
附图说明
[0087] 本文所述的图示是说明本发明实施方案并且并不旨在限制由权利要求书所涵盖的本发明范围。
[0088] 各图中类似的参考符号指示类似的元件。
[0089] 图1(a)-(b)：示意性地图解说明本发明的示例性装置，其包含在钛衬底上形成的、具有沉积于纳米管表面上的Ta薄膜、以加速成骨细胞增殖和骨的骨整合的自组织TiO2纳米管阵列：图1(a)图解说明横向间隔的、垂直定向的TiO2纳米管阵列和用于在纳米管上沉积Ta薄膜涂层的示例性工艺(包括溅射或蒸发工艺)和包含涂覆有或具有Ta薄膜涂层的纳米管(在这一示例中，配置为纳米管阵列)的最终产品，所述图表明本发明的装置可包含具有例如作为薄膜涂层的Ta涂层的任何纳米结构；并且图1(b)图解说明本发明的装置的示例性用途和本发明的示例性方法，其中活体内、活体外或原位成骨细胞粘附到并生长于经Ta涂覆的纳米结构上，在这一示例中，纳米管配置为纳米管阵列，且在一个实施方案，其中细胞外基质也可生长于(或施加于)经Ta涂覆的纳米结构上，并且经Ta涂覆的纳米结构之间的间隔可向生长于经Ta涂覆的纳米结构上的细胞提供营养素流等。
[0090] 图2图解说明纳米管衬底的两个扫描电子显微镜(SEM)图像。所述图像描绘了涂覆钽后的纳米管的几何形状和结构的保持。每个表面的接触角以黄色显示，指示经钽涂覆的表面上的亲水性从4°增加到0°。比例尺＝200nm。
[0091] 图3图解说明：阳极化处理的TiO2纳米管阵列的示例性配置，其显示(a)斜视扫描电子显微镜(SEM)图像、(b)纵向上平行于纳米管队列的透射电子显微镜(TEM)图像、(c)垂直于纳米管队列的方向上的剖视TEM图像。
[0092] 图4(a)-(b)：示意性地图解本说明发明的示例性装置；图4(a)示意性地图解说明在可为钛衬底的衬底上包含经Ta涂覆的纳米柱的本发明的示例性装置，所述经Ta涂覆的纳米柱可为经Ta涂覆的TiO2纳米柱阵列；图4(b)示意性地图解说明一个实施方案，其中Ta涂覆TiO2纳米柱阵列进一步包含成骨细胞，并且本发明的示例性装置可加速成骨细胞增殖和骨的骨整合。Ta涂覆纳米柱之间的间隔可向生长于经Ta涂覆的纳米柱上的细胞提供营养素流等；并且在一个实施方案中，其中细胞外基质还可生长于(或施加于)经Ta涂覆的纳米柱上。
[0093] 图5(a)-(b)：示意性地图解说明用于制备本发明装置的“纳米冲压(nanostamping)”示例性工艺；图5(a)示意性地图解说明对Ti或合金Ti基底进行纳米冲压以制备本发明的示例性装置，其中还图解说明了掩蔽聚合物的可选应用；图5(b)示意性地图解说明Ti纳米柱的化学或反应性离子蚀刻(RIE)与之后的纳米柱阵列的Ta或Ta2O6溅射涂覆两者。
[0094] 图6(a)-(f)：示意性地图解说明用于制备本发明装置的“导向性蚀刻”示例性工艺，其中通过示例性“导向性蚀刻”工艺使用垂直两相分解的涂层(例如，使用二嵌段共聚物或两相合金膜)在平坦或不平坦表面上产生纳米柱阵列；图6(a)示意性地图解说明开始材料或衬底，其例如包含用作(例如，在替代实施方案中)用于骨生长的植入物的钛(Ti)；图6(b)示意性地图解说明带纹理材料的涂层，例如，通过共溅射成层获得的涂层、可分解的二嵌段共聚物、旋节线分解的合金等；图6(c)示意性地图解说明在优先蚀刻掉两个相中的一个后留下的示例性“纳米岛(nanoisland)”掩模涂覆程序；图6(d)示意性地图解说明示例性掩模涂覆程序，其包括通过用于形成本发明的示例性纳米柱阵列的掩蔽岛蚀刻Ti或Ti合金；图6(e)示意性地图解说明所述涂层的移除；并且图6(f)示意性地图解说明可选的额外蚀刻或阳极化步骤以在本发明装置的表面上产生较深的纳米柱或纳米管，在替代实施方案中，所述装置可为植入物。
[0095] 图7(a)以图形方式图解说明来自MTT(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物)测定的数据，其显示在示例性纳米管表面(Ti、TiO2纳米管(NT)、Ta和经Ta涂覆的纳米管(NT))上培养的人类成骨细胞(Hob)细胞的MTT工作溶液的反应产物随培育时间而变化的的光密度(OD)(n＝3)；条形图显示平均值±标准误差棒。图7(b)图解说明在示例性纳米管表面(Ti、TiO2纳米管(NT)、Ta和经Ta涂覆的纳米管(NT))上培育24h后的HOb细胞的SEM显微照片，显示了两个纳米表面上广泛的丝足活性(参见箭头)；比例尺＝5μm。
[0096] 图8以图形方式图解说明来自在纳米管表面(Ti、TiO2纳米管(NT)、Ta和经Ta涂覆的纳米管(NT))上培养的人类成骨细胞(Hob)细胞的碱性磷酸酶(ALP)活性对培育时间(天)的数据(n＝3)；图形点显示平均值±标准误差棒；在图上标记在进行ANOVA检验后达到统计显著性(p<0.001)的p值(*)。
[0097] 图9图解说明培养3周的HOb细胞形成的骨小结：图9(a)图解说明在纳米管表面(Ti、TiO2纳米管(NT)、Ta和经Ta涂覆的纳米管(NT))上培养的HOb细胞的2000x的SEM显微照片，所述图像显示经Ta涂覆的NT表面上在3周后较大骨小结的形成，比例尺＝10μm；图9(b)以图形方式图解说明来自所述表面上的钙和磷矿物元素的原子百分比的能量分散X射线(EDX)分析的数据(n＝5)，所述条形图显示平均值±标准误差棒；进行ANOVA检验后的p值达到统计显著性(p≤0.001)，如通过(*)所指示的；P和Ca的量在经Ta涂覆的表面上显著更高。
[0098] 图10以图形方式图解说明各表面上的磷(图10(a))和钙(图10(b))矿物元素随时间而变化的原子百分比的矿化动力学研究——一种能量分散X射线(EDX)分析(n＝
5)，其中线性趋势线是重叠的并且对相关系数进行了标记。图10(c)图解说明呈现每个衬底的磷和钙沉积的相应速率(线性趋势线的斜率)的表；线图显示平均值±标准误差棒；
对于样品之间的所有比较(除Ti对Ta)来说，进行ANOVA检验后的p值均达到统计显著性(p≤0.001)。
5)，其中线性趋势线是重叠的并且对相关系数进行了标记。图10(c)图解说明呈现每个衬底的磷和钙沉积的相应速率(线性趋势线的斜率)的表；线图显示平均值±标准误差棒；
对于样品之间的所有比较(除Ti对Ta)来说，进行ANOVA检验后的p值均达到统计显著性(p≤0.001)。
[0099] 图11图解说明用于在纳米管表面(Ti、TiO2纳米管(NT)、Ta和经Ta涂覆的纳米管(NT))上培养1周、2周和3周后的HOb的矿物沉积的茜素红染色；荧光图像显示用于矿物沉积的茜素红染色(鲜红)；箭头指示骨小结形成；比例尺＝50μm；基质矿化动力学结果是通过于1周、2周和3周的茜素红S染色(鲜红)验证的。纳米管表面在视觉上表现得更亮，指示较高浓度的Ca沉积物。
[0100] 图12示意性地图解说明包含基于TiO2纳米管的装置(例如，植入物)的示例性实施方案，其中所述纳米管具有Ta或Ta氧化物(Ta2O5)涂层，可选地具有一种或多种储存于垂直对齐的纳米管孔中的试剂，例如，生物试剂，例如，缓释生物试剂：图12(a)示意性地图解说明在Ti衬底上具有Ta或Ta2O5表面涂层的TiO2纳米管；图12(b)示意性地图解说明将一种或多种试剂(例如，生物试剂，例如，多肽、生长因子、激素或类固醇、核酸或DNA、胶原、抗生素、纳米粒子等)储存于垂直对齐的纳米管孔中(例如，储存于所谓的“纳米库”中)的实施方案；图12(c)示意性地图解说明替代实施方案，其包含使用垂直对齐的纳米管孔的出口上的减小直径的结构，例如，作为纳米库入口上的减小直径的结构，用于储存的试剂(例如，生物试剂)的较慢的或受控的释放。
[0101] 图12示意性地图解说明包含TiO2纳米柱配置的植入物的示例性实施方案，所述植入物包含储存于垂直对齐的纳米柱之间的间隙中的试剂(例如，生物试剂，例如，缓释生物试剂)：图12(a)示意性地图解说明具有Ta或Ta2O5表面涂层的TiO2纳米柱；图12(b)示意性地图解说明将一种或多种试剂(例如，生物试剂，例如，多肽、生长因子、激素或类固醇、核酸或DNA、胶原、抗生素、纳米粒子等)储存于纳米柱之间的间隙中的实施方案；图12(c)示意性地图解说明替代实施方案，其包括使用减小直径的结构，例如，以产生尺寸减小的入口，用于来自所述纳米柱间隙的储存的生物试剂的较慢的释放。
[0102] 图14：顶行：24h培养培育后的HOb细胞的细胞骨架肌动蛋白(红色)的免疫荧光图像的图解，显示了TiO2和Ta表面上的十字形图案(黄色箭头)(比例尺＝50μm)；和底行：24h培育后的HOb细胞的SEM显微照片的图解(比例尺＝50μm)：图14(a)TiO2NT，图14(b)经沉积态(as-deposited)Ta涂覆的NT，图14(c)经金属Ta涂覆的NT，图14(d)经氧化的Ta涂覆的NT，图14(e)经Ta2O5涂覆的NT。
[0103] 图15以图形方式图解说明来自MTT测定数据的数据，其显示了在纳米管(NT)表面(TiO2NT、经沉积态Ta涂覆的NT、经金属涂覆的NT、经氧化的Ta涂覆的NT、经Ta2O5表面涂覆的NT)上培养的HOb细胞的MTT工作溶液的反应产物随培育时间而变化的的光密度(OD)(n＝3)；条形图显示平均值±标准误差棒；其中所述MTT测定显示细胞存活力或每个表面上的估计活细胞。在21天时，经金属涂覆的NT、经氧化的Ta涂覆的NT和经Ta2O5表面涂覆的NT显示较大的“估计活细胞”存活力。
[0104] 图16以图形方式图解说明来自在纳米管表面(TiO2NT、经沉积态Ta涂覆的NT、经金属涂覆的NT、经氧化的Ta涂覆的NT、经Ta2O5表面涂覆的NT)上培养的HOb细胞的碱性磷酸酶(ALP)活性(其反映了细胞的功能性或骨形成能力)对培育时间的数据(n＝3)；图形点显示平均值±标准误差棒。成骨细胞功能性似乎偏爱被氧化的钽表面多于金属Ta和沉积态Ta。
[0105] 图17以图形方式图解说明来自培养3周的HOb细胞的骨小结形成测定(或基质矿化或骨形成)的数据：(左图表示P或磷，并且右图表示Ca或钙)各表面(TiO2NT、经沉积态Ta涂覆的NT、经金属涂覆的NT、经氧化的Ta涂覆的NT、经Ta2O5表面涂覆的NT)上的钙和磷矿物元素的原子百分比的能量分散X射线(EDX)分析(n＝5)；条形图显示平均值±标准误差棒；进行ANOVA检验的p值达到统计显著性(p≤0.001)，如通过(*)所指示的。
[0106] 图18图解说明显示培养3周的HOb细胞的相对骨小结形成程度的2,000x的SEM显微照片。相比于经金属Ta涂覆的表面在经Ta2O5涂覆的纳米管表面上明显可见更大骨小结的形成。比例尺＝10μm。(a)TiO2NT、(b)经沉积态Ta涂覆的NT、(c)经金属Ta涂覆的NT(真空退火的)、(d)经氧化的Ta涂覆的NT(空气中退火的)、(e)经Ta2O5涂覆的NT(直接RF溅射的)。骨矿化偏爱被氧化的钽表面多于金属Ta和沉积态Ta。
[0107] 应当理解，这些图示是为了图解说明本发明概念的目的并且不是按比例的。例如，一些元件的尺寸相对于其它元件被放大了。
具体实施方式
[0108] 现在将详细地参考本发明的各个示例性实施方案，其示例图解说明于附图中。提供以下详细说明以使读者更好地理解本发明的各个方面和实施方案的某些细节，并且不应将其理解为对本发明的范围的限制。
[0109] 在替代实施方案中，本发明提供包含薄的保形钽层的制造产品或制造物品，包括植入物、粒子、球体等。在替代实施方案中，本发明提供在纳米形貌(nanotopography)上包含表面保形钽层的纳米结构，例如，纳米管、纳米线、纳米孔等。在替代实施方案中，本发明提供在纳米形貌上具有薄的保形钽层的纳米结构，例如，纳米管、纳米线或纳米孔阵列。在替代实施方案中，本发明的制造产品或制造物品(例如生物植入物)和本发明的经钽表面涂覆的纳米结构提供增加的生物活性和骨形成能力。在替代实施方案中，将本发明的制造产品或制造物品(例如，生物植入物)和本发明的经钽表面涂覆的纳米结构用于活体外、离体和活体内测试、植入物、生物医学装置和治疗剂。
[0110] 在替代实施方案中，制造产品或制造物品在Ti植入物上使用经钽涂覆的(经Ta涂覆的)TiO2纳米管提供改进的骨形成。证实了包含经钽涂覆的(经Ta涂覆的)TiO2纳米管的本发明的Ti植入物相比于单独使用TiO2纳米管为动物(小鼠)骨细胞和人类骨细胞(人类成骨细胞)两者提供改进的骨形成。确定了两个表面均引发了等效水平的细胞粘附、增殖和形态。在后期培养时间，Ta表面上在碱性磷酸酶活性、骨小结形成和基质矿物沉积方面增强了骨功能性。在替代实施方案中，将本发明的经钽涂覆的(经Ta涂覆的)TiO2纳米管有利地施加到矫形植入物和牙植入物。在替代实施方案中，本发明的制造产品或制造物品是需要骨沉积的生物医学植入物，例如，骨或牙植入物或关节置换植入物、或针、板或杆等。
[0111] 在替代实施方案中，本发明提供包含部分地、基本上或完全地经钽涂覆的(经Ta涂覆的)表面的纳米结构化制造产品和生物材料、包含所述生物材料的装置。在替代实施方案中，使用本发明的制造产品和生物材料，本发明还提供用于在人体和动物体中有效地产生骨的制作方法。在替代实施方案中，纳米结构化制造产品和生物材料使得能够进行加速的成骨细胞生长和骨矿化，并且也被制作成允许释放储存于纳米结构化生物材料表面的纳米库中的生长因子和其它化学或生物材料。
[0112] 在替代实施方案中，本发明提供包含部分地、基本上或完全地经钽涂覆的(经Ta涂覆的)表面的钛氧化物纳米结构，例如，纳米管、纳米线等。本发明的这些组合物包含增强骨生长的纳米衬底。
[0113] 在替代实施方案中，本发明提供组合了比钽轻得多的材料Ti和/或TiO2与经钽涂覆的(经Ta涂覆的)表面的方法和结构。在替代实施方案中，TiO2纳米管的几何形状增强了骨生长和干细胞分化，并且本发明组合了TiO2纳米管的优点连同Ta表面的化学性质。
[0114] 在替代实施方案中，使用限定量的钽对于使得植入物变得沉重且昂贵的程度减到最少来说是至关重要的。因此，在替代实施方案中，在包含金属、陶瓷和/或聚合物等的纳米管或纳米结构的基底结构上添加Ta作为薄涂层材料。在替代实施方案中，因此Ta表面涂层的厚度为最多0.1mm(100微米)或小于0.01mm(10微米)或小于1微米或小于0.1微米(100nm)。在替代实施方案中，Ta涂层的最小厚度为至少5纳米(nm)。
[0115] 在替代实施方案中，通过物理气相沉积(例如溅射或蒸发)或通过化学气相沉积或通过化学/电化学沉积添加Ta涂层。
[0116] 在替代实施方案中，将诱导骨的衬底材料并入具有Ta或Ta氧化物表面涂层的纳米管和纳米柱的表面配置中。本发明情况下的纳米结构化衬底是Ti和Ti氧化物以及含有至少50重量％的Ti或Ti氧化物的合金。
[0117] 在替代实施方案中，除了在表面上(例如，在Ti或TiO2纳米管或其它纳米结构上)的Ta膜沉积外，还使用了用于Ta金属沉积的其它合意的矫形植入物、牙植入物、脊柱植入物、膝植入物或其它植入物衬底材料，其包括例如纳米管或其它纳米结构，例如由合金Ti(包括Ti-6Al-4V合金)制成的纳米管或其它纳米结构，和由ZrO2、HfO2、NbO或Nb2O5、MoO2或MoO3、VO2或V2O5、WO2或WO3制成的纳米管或其它纳米结构，或由包含金属组分的合金氧化物制成的纳米管或其它纳米结构，所述金属组分中至少50％的重量是Ti、Zr、Hf、Nb、Mo、V、W的氧化物中的一种或多种，剩余金属组分选自各种其它金属或元素(例如Al、Ag、C、F、Mg、Ca、Si、P、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Re、Os、Ir、Pt、Au、Bi和一种或多种稀土元素)中的一种或多种。还可利用其它材料(例如不锈钢、Si、Si氧化物、碳、金刚石、贵金属(例如Au、Ag、Pt和其合金)、聚合物或塑料材料、或复合金属、陶瓷或聚合物)来产生和使用用于生物植入物和细胞生长应用的类似的所需表面配置；并且在替代实施方案中，使用具有至少约5nm的厚度和总表面的至少80％的涂层覆盖度的纳米结构化Ta或Ta氧化物涂层。
[0118] 在替代实施方案中，本发明提供基于纳米结构化表面、尤其具有基于Ti氧化物的具有Ta或Ta氧化物表面涂层的纳米管或纳米柱配置的诱导骨的生物材料衬底的材料、制作方法和治疗应用。
[0119] 在替代实施方案中，通过阳极化或纳米掩模蚀刻技术制作本发明的制造产品，例如，装置、生物材料或植入物。
[0120] 在替代实施方案中，本发明的制造产品(例如，装置、生物材料或植入物)使得能够进行加速的成骨细胞生长和骨形成。在替代实施方案中，本发明的制造产品(例如，装置、生物材料或植入物)包含纳米库，所述纳米库允许释放储存于纳米结构化生物材料表面的纳米库中的生长因子和其它化学或生物材料。还利用其它材料(例如基于Ti合金的氧化物或含有基于Al、Zr、Hf、Nb、V、Mo、W的氧化物或基于不锈钢的合金)作为下伏(underlying)衬底材料。另外，纳米架构上的表面涂层包含各种晶体结构的氧化的Ta以及非晶形Ta。
[0121] 在替代实施方案中，本发明的制造产品是具有经Ta涂覆的纳米结构的骨整合性生物材料，其可用于修复任何矫形植入部位处的骨，呈例如骨植入物表面涂层的形式，以诱导与接触侧上现存的骨的骨整合。
[0122] 在替代实施方案中，本发明的制造产品包含或是诱导骨的经Ta涂覆的纳米级生物材料，所述材料可用作用于增强成骨细胞生长和矿化基质形成的活体外细胞培养衬底，之后植入到人体或动物体中。本发明的诱导骨的经Ta涂覆的纳米级生物材料还可用于增强间充质干细胞或胚胎干细胞朝向骨或软骨细胞的分化。
[0123] 在替代实施方案中，本发明的制造产品包含例如在包含Ta表面涂层的生物材料上的纳米库配置；并且这些纳米库配置可用作贮器以储存和缓慢地且连续地递送生长因子、抗生素和对患者具有其它治疗益处的其它药物和生物化学品。
[0124] 在替代实施方案中，本发明提供使用本发明的制造产品(例如，加速细胞/骨生长的本发明的生物材料或装置)的各种制造方法、细胞培养方法、植入物应用方法。
[0125] 在替代实施方案中，本发明提供包含经Ta涂覆的钛氧化物纳米管、ZrO2、HfO2、NbO或Nb2O5、MoO2或MoO3、VO2或V2O5、WO2或WO3纳米管或纳米线、可选的金属和合金的制造产品(物品)，例如，生物材料和植入物。在替代实施方案中，本发明提供这些组合物的制作方法和本发明的这些组合物的应用和方法，例如，用于牢固粘附和动力学加速的骨生长、软骨生长、牙周细胞生长、器官细胞生长(肝脏、肾脏等)、药物毒性测试、细胞检测、人工器官等的生物医学活体内和活体外应用。在替代实施方案中，本发明提供本发明的图示中所图解说明的具体实施方案。
[0126] 在替代实施方案中，本发明提供增强骨生长的生物材料，其包含涂覆有Ta或Ta2O5薄膜的纳米管或纳米柱架构(其主体由Ti或TiO2构成)、或由含有至少50重量％的Ti的合金的氧化物或Ti氧化物构成的类似结构、或由含有至少50重量％的Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、V、W的合金的氧化物制成的类似结构、或由不锈钢制成的类似结构，其中相比于没有纳米管或纳米柱表面配置的相同材料，使如通过矿化基质形成程度所表示的成骨细胞功能性增加了至少10％或至少30％或至少50％。
[0127] 在替代实施方案中，本发明提供增强骨生长的生物材料，其中将纳米管或纳米柱结构的尺寸控制到如本文所指示的某些范围。
[0128] 在替代实施方案中，本发明提供增强骨生长的生物材料，其中纳米管内部或纳米柱之间的间隙中的纳米库空间用作贮器，并且储存和可控制地递送对患者具有其它治疗益处的生物试剂。在替代实施方案中，通过选择性地沉积金属或氧化物材料以诱导部分瓶颈的配置来减小纳米库的入口尺寸以减慢所储存的生物试剂的释放速率。试剂可包括生长因子、胶原、各种蛋白质/生物分子、基因、DNA、抗生素、激素、治疗性药物、磁性功能性粒子、金属粒子、陶瓷粒子、聚合物粒子。可由磁性氧化物粒子或金属粒子制成的功能性粒子用于远程驱动的RF加热和产生用于储存于纳米库空间中的生物试剂的加速的或开启的、关闭的释放的温度梯度。
[0129] 在替代实施方案中，本发明提供使用两相掩模层的阳极化、形成和选择性相移除来制作增强骨的纳米管或纳米柱配置的方法，所述方法使用二嵌段共聚物层、旋节分解合金层或两相合金膜、之后选择性蚀刻生物材料表面以产生纳米管或纳米柱表面配置。
[0130] 在替代实施方案中，本发明提供本发明的诱导骨的植入物、装置和生物材料用途，其中所述用途包括修复指、腕、肘、肩、腿、臂、髋、膝、踝、足或趾、椎间盘或肋骨篮中的骨或软骨的修复或置换，以及任何棒、螺钉或其它骨稳定器植入物。本发明的组合物和方法使得能够进行关节或骨修复或置换，同时为新的骨基质生长提供结构支持和化学环境，且因此可置换由各种疾病(例如骨质疏松症或自身免疫性疾病，在所述自身免疫性疾病中，免疫系统攻击机体的细胞和组织，从而导致骨衰变或损伤)引起的受损的、受感染的、老化的或患病的骨。
[0131] 在替代实施方案中，本发明提供本发明的骨整合植入物、装置和生物材料的活体内用途，其中所述生物材料是作为诱导牢固骨整合的修补骨植入物件施加的。
[0132] 在替代实施方案中，本发明提供本发明的诱导骨基质的植入物、装置和生物材料的活体内用途，其中所述生物材料用于增强的骨基质产生的成骨细胞培养衬底，优选使用患者自身的细胞，之后植入到人体或动物体中靠近骨损伤区域处。
[0133] 在替代实施方案中，本发明提供基于非金属或非Ti的衬底，其表面已转换成TiO2型纳米管或纳米孔并且涂覆有薄的Ta层。在替代实施方案中，要么将薄膜Ti或TiO2涂层施加到已为纳米多孔的材料的表面上，要么沉积厚膜Ti并进行阳极化以产生TiO2型纳米管，以展示合意的加速细胞或骨生长的特性。在替代实施方案中，本发明提供已通过TiO2表面纳米管等实现生物相容并且加速细胞或骨生长的多孔或图案化衬底和各种制作方法和生物医学应用。
[0134] 在替代实施方案中，本发明提供呈松散粒子、松散短纤维或松散薄片配置的经Ta涂覆的生物相容材料。在替代实施方案中，将粉末表面处理成包含纳米孔或纳米管阵列纳米结构，使得松散粉末展示加速细胞或骨生长的特性，这可用于骨接合剂和其它组织连接应用。在替代实施方案中，可使用在松散粉末、短纤维、薄片、片段化网筛上制作TiO2表面纳米管的各种类型的方法。在替代实施方案中，使用各种应用方法和生物医学应用，包括加速的骨生长、牙骨生长、牙周组织生长。
[0135] 在替代实施方案中，本发明提供经Ta涂覆的生物相容的并且增强细胞生长的培养衬底，包含涂覆有Ti、TiO2或相关金属和金属氧化物膜的弹性顺应的突出纳米结构衬底。在替代实施方案中，本发明提供涂覆有Ti、TiO2或相关金属和金属氧化物膜并且具有增强细胞培养特性的弹性顺应的突出纳米结构衬底、用于所述生物相容的并且弹性顺应的纳米结构化细胞培养衬底的各种类型的制作方法和其活体外细胞培养应用或活体内治疗应用。
[0136] 在替代实施方案中，本发明提供使用溅射、蒸发、激光消融、离子束沉积、等离子体喷涂、化学气相沉积等在植入物表面上形成Ta-涂层的方法。
[0137] 在替代实施方案中，本发明提供Ti、Zr、Hf、Nb、Mo、V或W或其氧化物的经Ta涂覆的颗粒或粒子的物品、通过例如电镀、无电极电镀、化学气相沉积、物理气相沉积、溅射等制备所述颗粒或粒子的方法和所述颗粒或粒子用于于牙骨修复、治愈骨质疏松症的潜在应用的用途。
[0138] 在替代实施方案中，本发明提供如本发明的图中所述的经Ta涂覆的纳米结构、材料、各种几何形状和各种实施方案。
[0139] TiO2纳米管可通过各种阳极化工艺制备。参见以下论文：Gong等人，Journal of Materials Research，第16卷，第12期，第3331-3334页(2001)；J.M.Macak等人，Angew.Chem.Int.Ed.，第44卷，第7463–7465页(2005)、Electrochimica Acta50(2005)3679–3684(2005) 和 Angew.Chem.Int.Ed.， 第 44 卷，2100–2102(2005)；A.Ghicov 等 人，Electrochemistry Communications，第 7 卷，第 505–509 页 (2005) 和S.Oh 等 人，Biomaterials，第26卷，第4938-4943页(2005)。
[0140] 在替代实施方案中，阳极化TiO2纳米管阵列的结构(例如纳米管的直径、间隔和高度)在电化学阳极化工艺期间是可控制的。在替代实施方案中，小心地选择电解质的浓度，如上述Gong等人、Oh等人、Macak等人和Ghicov等人的论文中所报道的。一些示例性电解质和其浓度为：于水中的0.5wt％氢氟酸(HF)、于1M硫酸铵((NH4)2SO4)中的0.5wt.％氟化铵(NH4F)和于1MNa2SO4溶液中的1wt.％NaF。还必须对各种阳极化处理参数(例如施加的电压、反应时间、pH和浴液的温度等)进行控制和优化。
[0141] 在替代实施方案中，用于阳极化纳米管的基底材料可为纯Ti，或可为基于Ti的合金(例如Ti-V-Al合金)或其它具有增加的机械强度和耐久性的固溶体硬化的或沉淀硬化的合金。
[0142] 在替代实施方案中，虽然加速的成骨细胞骨形成功能性和矿化细胞外基质形成的具体示例主要是在具有Ta薄膜涂层的Ti和Ti氧化物的衬底材料上，但还可使用含有其它元素但具有至少50重量％的Ti或Ti氧化物的其它钛合金作为下伏衬底。在替代实施方案中，使用其它过渡金属或难熔金属，例如Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W和其氧化物、或这些金属和氧化物的合金。
[0143] 在替代实施方案中，将改造成特定纳米管或纳米孔阵列结构的其它材料(例如不锈钢、Si、Si氧化物、碳、金刚石、贵金属(例如Au、Ag、Pt和其合金)、聚合物或塑料材料、或复合金属、陶瓷或聚合物)用于例如生物植入物和加速的骨形成应用；并且在替代实施方案中，使用具有至少5nm的厚度和总表面的至少80％的涂层覆盖度的Ta和Ta氧化物优先涂层。
[0144] 在替代实施方案中，使用通过与阳极化钛氧化物类似的方法形成的并且产生特征极为明确的纳米多孔阵列的阳极化氧化铝作为用于本发明的下伏衬底。在替代实施方案中，所述衬底以相同方式被Ta或Ta氧化物涂覆，并且提供高度生物活性的快速骨形成性衬底。
[0145] 用于成骨细胞生长和矿化基质形成的一个重要因素是通过体液流动向细胞连续供应营养素，包括蛋白质、矿物粒子、流体等。在替代实施方案中，例如如图1中的相邻TiO2纳米管之间的间隙(间隔)发挥允许体液连续地穿过并向生长细胞的底侧供应营养素的功能。在替代实施方案中，纳米管之间的所需间隙约在约2nm到100nm或约5nm到30nm范围内，如图3中利用阳极化处理的TiO2纳米管的示例性显微照片所示。针对示例性发明性TiO2纳米管阵列结构所示的透射电子显微镜(TEM)照片(图3(b)和(c))显示了纳米管之间平均约15nm的间隔。
[0146] 虽然上述纳米管阵列配置允许连续供应细胞生长营养素，但图4中所图解说明的纳米柱阵列配置也执行连续供应细胞生长营养素的类似功能，并且其纳米形貌结构和纳米柱之间的间隙允许牢固的细胞粘附。所述纳米柱结构可通过图案化掩蔽和蚀刻或初始图案化蚀刻与后续阳极化的组合形成于Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W或它们的合金或这些金属和合金的薄涂层的表面上。然后纳米结构化表面可被Ta或Ta氧化物薄膜涂覆，如在阳极化纳米管阵列的情况下。
[0147] 虽然基于Ti的植入物或衬底是例如在一个实施方案中在涂覆成骨细胞或增强骨形成的Ta或Ta氧化物涂层之前在上面形成本发明的纳米结构或纳米架构的示例性衬底材料，但还可其它材料作为基底植入物或衬底。例如，在替代实施方案中，通过阳极化形成的纳米管(具有在局部衬底表面上保形地形成的垂直对齐的配置)具有在约20nm到800nm范围内的直径和/或在约50nm到2,000nm范围内的高度；并且可形成于例如由含氧化物的Ti或含有至少约50wt％Ti、任选地含有一种或多种成合金元素的其它难熔金属制成的块状几何形状衬底材料上。
[0148] 在替代实施方案中，纳米结构或纳米架构(例如，纳米管)可通过具有例如约0.5微米到20微米的厚度的厚膜Ti金属或含Ti合金的表面的阳极化来形成，厚Ti金属层是通过例如溅射、蒸发、激光消融、化学气相沉积或等离子体喷涂工艺或其组合沉积的。可将所述Ti金属层涂覆于不含Ti的衬底或植入物上，例如基于氧化锆的植入物(一个示例是基于氧化锆陶瓷的膝植入物)或基于钴-铬型或不锈钢型合金的植入物、或基于聚合物的植入物，例如聚醚醚酮(PolyEther EtherKetone(PEEK))型或超高分子量聚合物型植入物，例如，其可用于脊骨植入物。在替代实施方案中，经涂覆的Ti层然后可被阳极化以形成TiO2纳米管，为了增强骨形成特性，可在所述TiO2纳米管上添加薄Ta或Ta氧化物涂层。
[0149] 在一个实施方案中，一种制作增强骨的纳米柱结构的方便方式是利用纳米压印(nano-imprint)技术。如图5中所图解说明，可在所需表面(在这种情况下为Ti或相关金属和合金表面)上实施聚合物掩模抗蚀剂(polymer mask resist)(例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)层)的纳米冲压。首先将PMMA旋涂成薄层，例如，厚约20nm到100nm的层，然后将纳米压模(nanostamp)压制到这一未固化的PMMA层上以拾取抗蚀剂岛，然后将所述抗蚀剂岛压印于Ti或合金表面上以留下PMMA掩模岛。然后对Ti或合金基底进行化学蚀刻或反应性离子蚀刻(RIE)以形成所需TiO2纳米柱结构。所述柱可完全由TiO2构成或可通过阳极化处理的氧化热处理仅将所述柱的表面转换成TiO2。纳米压模可由图案化Si、金属或弹性体(PDMS)制成，其中机械顺应性弹性体压模允许更可靠的转移掩蔽抗蚀剂岛。然后可将Ta或Ta氧化物薄膜沉积于纳米柱阵列上。
[0150] 根据本发明形成所述所需的位置导向性和直径导向性均匀纳米柱阵列、尤其有利于在Ti或相关金属和合金的不平坦表面上制作纳米柱结构的另一替代技术是引入使用垂直两相可分解涂层的导向性蚀刻，如图6中所图解说明的。首先，用随后分解成垂直对齐的两相结构的材料涂覆用于成骨细胞培养和骨生长的Ti植入物或衬底。所述可分解材料的一个示例是在加热时可分解成垂直对齐的两相的二嵌段共聚物层。参见M.Park11
等人的论文“Block copolymer lithography:Periodic arrays of10 holes in1square centimeter”,Science，第272卷，第1401页(1997)。
等人的论文“Block copolymer lithography:Periodic arrays of10 holes in1square centimeter”,Science，第272卷，第1401页(1997)。
[0151] 产生垂直对齐的两相结构的可分解材料的另一示例是旋节线分解合金。参见N.Yasui等人的论文“Perpendicular recording media using phase-separated AlSi films”,Journal of Applied Physics，第97卷，第10N103页(2005)。在薄膜沉积期间在RF等离子体溅射沉积工艺期间利用自加热或在约100-700℃沉积后退火时，通常可从旋节合金获得合意的垂直对齐的纳米孔结构或纳米岛结构。在Al-Si合金膜的情况下，利用适当的化学蚀刻，可对Al进行选择性地蚀刻，同时使Si氧化成SiO2多孔膜或SiO2岛阵列，由此产生纳米孔或纳米柱结构，这取决于两相的相对体积分数。
[0152] 在添加所述可分解涂层并且使其分解成对齐的两相结构(图6(b))后，通过差异性蚀刻(例如，通过化学蚀刻或离子蚀刻)从所述两相结构中移除所述相中的一个，以展示纳米岛阵列(图6(c))。通过掩蔽岛蚀刻Ti或合金基底产生图6(d)的纳米柱阵列。在移除所述涂层材料(图6(e))后，可利用可选的额外蚀刻或导向性阳极化工艺来进一步增加纳米柱的深度图6(f)。
[0153] 在替代实施方案中，使用二嵌段共聚物；它们是由两条(个)化学上不同的聚合物链或嵌段组成的，而这些聚合物链或嵌段是通过共价键接合的。由于这种连接性的限制还有彼此之间的化学不相容性，因此二嵌段共聚物往往会发生相分离并且自组装成有序(通常具有六角形几何形状)的纳米级混合相复合物。取决于化学和分解条件，它们可与一种呈纳米圆柱体形状的聚合物组分形成有序阵列，所述聚合物组分嵌入另一聚合物组分中。二嵌段共聚物的示例包括聚苯乙烯-聚丁二烯混合物和聚苯乙烯-聚异戊二烯混合物。二嵌段共聚物被例如甲苯的溶剂稀释，并且可被浸涂、刷涂或喷涂于衬底上。当施加热且进行干燥并且共聚物浓度和温度达到临界点时，二嵌段共聚物的相分解成有序的结构。在替代实施方案中，使分解的有序二嵌段共聚物结构成核并生长所需的温度升高为约50–350℃或约100-250℃的范围内。
[0154] 在替代实施方案中，使用旋节合金；可通过加热到在旋节相稳定性范围内的高温使它们自发地分解成均匀的两相结构。Fe-Cr-Co、Al-Ni-Co-Fe、Cu-Ni-Fe、Cu-Ni-Co和Al-Si合金是旋节线分解合金的众所周知的示例。由于两个分解相之间的化学可蚀刻性差异，因此可大面积获得图6(c)的纳米岛掩模结构。
[0155] 如图6(b)中所描述的，Ti植入物表面上的纳米结构图案化可利用二嵌段共聚物两相分解或旋节线分解分解成两个相，所述相中的一个可被溶解或蚀刻掉(湿式蚀刻或干式蚀刻，例如反应性离子蚀刻)，从而仅留下作为岛阵列或作为多孔膜层的单相纳米结构。旋节线分解合金的二嵌段共聚物的这些残留材料然后可用作掩模以蚀刻(湿式或干式)Ti植入物表面以产生所需纳米结构表面图案。
[0156] 另一示例性途径是使用包含表面活性剂型聚合物基质和无机纳米粒子的胶质材料，所述材料在溶剂干掉时自组装成周期性纳米粒子阵列。有机表面活性剂材料(例如氧化三辛基膦或油酸)可引起自组装，并且分散于所述表面活性剂材料中的纳米粒子(例如量子点或磁性纳米粒子)在几何形状上受到表面活性剂分子的限制，从而在表面活性剂基质内产生周期性纳米粒子阵列。可将胶质纳米粒子阵列结构并入到本发明的组合物中，如例如Sun等人，Science，第287卷，第1989页(2000)；Murray等人，Science，第270卷，第1335页(1995)中所述。
[0157] 在替代实施方案中，二嵌段共聚物中的有序纳米孔的尺寸为约10nm到约100nm。二嵌段共聚物的示例包括聚苯乙烯(PS)-聚(甲基丙烯酸b-甲酯-聚苯乙烯)(PMMA)、聚苯乙烯-聚丁二烯(PS-PB)和PS-聚异戊二烯(PI)。可使用用于形成纳米岛或纳米图案的有序嵌段共聚物结构的任何工艺，如例如以下文献中所述的：Park等人，Science，第276卷，第1402页(1997)；Templin等人，Science，第278卷，第1795页(1997)；Albrecht等人，Science，第290卷，第2126页(2000)；Pai等人，Science，第303卷，第507页(2004)；
Chan等人，Science，第286卷，第1716页(1999)。
Chan等人，Science，第286卷，第1716页(1999)。
[0158] 在替代实施方案中，使用旋节线分解，例如，如通过从高温冷却到较低温度时所产生的热力学驱动力所实现的合金的两相分解。在替代实施方案中，旋节线分解是获得相对均匀的周期性纳米结构的方便方式。在旋节合金组合物中，任何小的或大的组成波动都会降低合金体系的自由能。参见例如J.Cahn的论文Acta Met，第10卷，第179页(1962)；P.G.Shewmon的书籍Transformations in Metals,McGraw-Hill Book公司，New York,1969，第292-295页和A.G.Guy和J.J.Hren的书籍Elements of PhysicalMetallurgy,Addison-Wesley,Menro Park,California,1974，第425-427页。在替代实施方案中，这一均匀性和小粒度有益于用作纳米级蚀刻掩模以对材料层(例如Ti植入物金属或合金表面)进行图案化。
[0159] 在替代实施方案中，在对两个旋节线分解相中的一个进行湿式蚀刻或干式蚀刻后，充当纳米掩模的剩余相允许通过湿式或干式蚀刻对下面的表面进行蚀刻图案化。从旋节线分解获得的纳米掩模尺寸可能较小，例如，在10–200nm范围内。适用于旋节线分解的示例性合金体系包括具有旋节范围内的组成的Fe--Cr体系(例如，约35-65重量％Cr)、Fe--Cr--Co(20-65％Cr、1-30％Co和剩余的Fe)、Cu--Ni--Fe(约15-40％Ni、15-30％Fe和剩余的Cu)、Cu--Ni--Co(约20-40％Ni、20-40％Co和剩余的Cu)、Au-Ni(约20-80％Ni)。存在也可用于本发明的其它旋节合金，例如AlNiCo磁体合金(Fe-Al-Ni-Co合金)、Cu-Ni-Sn合金、Cu-Ni-Ru、Al-Zn、Al-Si合金和其它。首先在待纳米图案化的材料表面上(例如，在Ti植入物上)沉积合金膜。所述膜沉积可使用众所周知的沉积技术(例如物理气相沉积(例如，DC溅射、RF溅射、离子束沉积、热或电子束蒸发)或化学沉积(例如，化学气相沉积、电沉积、无电沉积))来实施。.
[0160] 在本发明的以下实施例中，制作具有100nm直径的TiO2纳米管并且对其溅射涂覆Ta薄膜。证实了增强的成骨细胞功能性和加速的骨基质形成。
[0161] 制作用于成骨细胞培养实验的纳米管阵列结构.
[0162] 图2呈现制成后原样(as-made)TiO2纳米管表面和经Ta涂覆的纳米管表面的SEM图像，揭示了具有约100nm外径、约10nm壁厚度、约10nm间隔和约300nm高度的接近相同的结构，如先前例如于下文的参考文献16和17中所述的。通过真空溅射沉积完成的Ta涂层允许以高度控制的Ta厚度(20nm)沉积保形层。Ta是生物相容性材料，其耐腐蚀性等效于Ti，并且Ta与Ta氧化物两者都具有低溶解性和低毒性，如下文的参考文献10、[19]中所述的。Ta涂层分别在经TiO2和Ta涂覆的表面上诱导亲水性非常微小的增加(从约4°到约0°)。由于两者都保持在超亲水性范围内，因此预计所述表面能的微小变化不会显著地影响细胞行为。
[0163] TiO2纳米管表面是使用如先前于例如下文的参考文献16中所述的双电极设置阳极化工艺产生的。将0.25mm厚的商业纯的Ti片(基于99.5％金属，Alfa-Aesar,USA)用于这一工艺，首先在进行超声波处理的情况下将其相继于丙酮和异丙醇中清洁，之后进行DI水冲洗。在1:7体积比的乙酸(≥99.99％纯度，Sigma-Aldrich,USA)与于水中的0.5％重量百分比分数的氢氟酸(48％w/v,EM Science,USA)中在20V保持30min来制备纳米管。铂电极(99.9％,Alfa-Aesar,USA)充当阴极。然后将所述样品用去离子水洗涤，在80℃干燥，并且在500℃热处理2h以使制作后原样(as-fabricated)非晶形结构化TiO2纳米管结晶成锐钛矿结构。在Denton Discovery18溅射系统中将钽膜(20nm厚)从钽目标物真空沉积到TiO2纳米管和平坦Ti对照衬底上。为了确保TiO2纳米管表面的优先涂覆，所用沉积-6
角偏离垂直轴约30°，并且在沉积期间旋转衬底。在基本压力(base pressure)达到10托后，当Ar压力达到3毫托时，施加200W等离子体。预计沉积态Ta膜具有非晶形性质。
角偏离垂直轴约30°，并且在沉积期间旋转衬底。在基本压力(base pressure)达到10托后，当Ar压力达到3毫托时，施加200W等离子体。预计沉积态Ta膜具有非晶形性质。
[0164] 成骨细胞生活力和形态
[0165] 利用MTT(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物)测定以测量细胞的代谢活性并且间接地估计活细胞的数量。图7(a)中的MTT分析结果显示平坦对照样品与TiO2和经Ta涂覆的纳米管表面之间的微小差异。可能细胞粘附和增殖不受纳米管的化学性质影响。另外，24h培养后的SEM形态学检查(图7(b))揭示TiO2表面和Ta表面上广泛的丝足活性，但在平坦对照表面上则没有。常见推测是指样丝足是用于检测化学线索和纳米形貌线索两者的细胞传感机制，如例如下文的参考文献20中所述的。先前已相比于相应的平坦对照表面在TiO2纳米管架构和ZrO2纳米管架构两者(如例如分别于下文的参考文献17和21中所述的)上证实了丝足活性的增加。在两种纳米管表面上存在许多丝足指示HOb细胞独立于表面化学性质，相对平等地被纳米管架构活化。这些结果与先前结果一致，显示在Ta和Ti衬底上培养的人类成骨细胞之间没有增殖、粘附或形态之间的差异，如例如于下文的参考文献14中所述的。
[0166] 功能检测：骨形成能力
[0167] 随培育时间测量碱性磷酸酶(ALP)活性以估计成骨细胞在实验衬底上的骨形成能力(图8)。在较短的时间点没有观察到差异；然而，在10天和10天以上时，相比于所有其它样品在经Ta涂覆的纳米管表面上检测到显著更高的ALP活性。观察到的ALP活性的上调指示Ta涂层可增强HOb细胞在纳米管表面上的成骨功能性。这一Ta上增加的ALP活性的趋势也被Stiehler等人观察到了，这些人呈现了对沉积于玻璃盘上的平坦Ti和Ta薄膜表面的MSC成骨响应的比较研究，如例如下文于参考文献19中所述的。由于在通过相同方法沉积的两种膜的比较中观察到了相同趋势，因此可以推测细胞行为仅受元素表面的化学性质影响，而不受任何其它表面特性影响。在图8中，相比于平坦Ti，可以看出平坦Ta对照上ALP活性的微小增加。然而，经Ta涂覆的纳米管表面的ALP活性显著高于TiO2纳米管表面以及平坦对照。这表明，纳米管纳米结构与钽表面化学性质的组合可提供用于人类成骨细胞培养的最佳表面。
[0168] 为了评价每个实验表面上骨细胞的基质矿化程度，通过各种分析技术来分析成骨细胞的骨小结形成。培养3周的HOb细胞的骨小结形成。图9(a)显示经Ta涂覆的NT表面上较大的骨小结形成的1000x的SEM显微照片。比例尺＝20μm。图9(b)所述表面上的钙和磷矿物元素的原子百分比的EDX分析(n＝5)。条形图显示平均值±标准误差棒。
进行ANOVA检验后的p值达到统计显著性(p≤0.001)，如通过(*)所指示的。在3周后，大的骨小结的存在在经Ta涂覆的纳米管表面上是最突出的。此外，P和Ca的量在经Ta涂覆的表面上显著更高。
进行ANOVA检验后的p值达到统计显著性(p≤0.001)，如通过(*)所指示的。在3周后，大的骨小结的存在在经Ta涂覆的纳米管表面上是最突出的。此外，P和Ca的量在经Ta涂覆的表面上显著更高。
[0169] 然而，能量分散X射线(EDX)分析揭示经Ta涂覆的纳米管样品上的磷和钙(矿化骨的主要组分)的量显著高于在所有其它样品上所发现的量，如图9(b)中的图表中所示的。这指示，虽然在两种纳米管表面上都容易发生骨小结形成，但Ta-涂层似乎具有诱导骨基质矿物沉积增加的作用。先前已报道了在模拟体液中的钽金属上形成骨样磷灰石，如例如于下文的参考文献22中所述的，并且还报道了在被含有氯化钽的过氧化氢处理的Ti上形成骨样磷灰石，如例如下文的参考文献23中所述的。Ta元素具有磷灰石诱导性质的推测支持其还刺激HOb细胞产生矿化基质的假设。
[0170] 还对基质矿化动力学进行了检查以确定矿化速率是否受纳米结构或表面化学性质影响。估计培养7d、14d和21d后每个衬底上的磷(图10(a))和钙(图10(b))的原子百分比的EDX分析揭示了经Ta涂覆的纳米管表面上发生的最高矿化速率。估计每种样品类型的矿物原子百分比随培育时间而变化的线性趋势线，并确定每条线的斜率并且将其记录为磷或钙沉积速率(图10(c))。确定了磷沉积与钙沉积两者的速率在经Ta涂覆的纳米管衬底上比TiO2纳米管衬底上快30％。
[0171] 每个培育时间点的基质矿化动力学结果是通过茜素红S染色(用于检测钙矿物沉积的简单且方便的方法)验证的。图11中(从左到右)的免疫荧光图像显示了培养1周、2周和3周后每个实验表面上的染色区域(鲜红)。在1周后，在TiO2和经Ta涂覆的纳米管表面上仅检测到少量的矿物，而在平坦衬底上见不到任何东西。在2周后，在纳米管表面上可见到更加高度浓缩的钙矿物沉积物区域(由箭头指示)。在3周后，在纳米管表面上存在大的骨小结区域。存在于经Ta涂覆的纳米管表面上的大的小结的量也似乎是最大的。
这些结果是对于通过EDX分析获得的观察的目视验证。另外，Stiehler等人(参见下文的参考文献19)报道，相比于Ti，Ta上的MSC的茜素红染色增加了，这确认了如本文所述的本发明的结果。
这些结果是对于通过EDX分析获得的观察的目视验证。另外，Stiehler等人(参见下文的参考文献19)报道，相比于Ti，Ta上的MSC的茜素红染色增加了，这确认了如本文所述的本发明的结果。
[0172] TiO2和经Ta涂覆的纳米管表面两者相对于光滑Ti和经Ta涂覆的光滑Ti的平坦对照都增强了成骨细胞生长和功能。然而，经Ta涂覆的纳米管表面在ALP活性、骨小结形成和基质矿化速率方面具有优异的骨功能性。这些结果指示，虽然Hob扩散、增殖和形态主要受纳米形貌线索影响，但骨生成可比纳米形貌更加高度地受表面化学性质/材料性质影响。这一假设与先前在经碳涂覆的纳米管表面上的发现一致，参见例如下文的参考文献24。虽然对于这些表面特性的相互影响没有完全理解，但显而易见的是，独特组合可具有实质性结果。本发明的全部发现显示经Ta涂覆的纳米管上的增加的成骨响应，指示与金属Ta相关的表面化学性质和因此本发明的组合物为产生最佳骨植入物表面提供了相当大的机会。
[0173] 在替代实施方案中，本发明的目的是在骨形成能力方面增强对Ta与TiO2纳米管表面的成骨细胞响应。本发明的结果证实了纳米形貌的Ta触发来自成人成骨细胞的增强的骨功能性和基质矿化。虽然所观察到的对TiO2和Ta纳米管表面的成骨细胞响应的差异是显而易见的，但不能推断其是否仅仅是表面化学性质的结果。通过添加Ta涂层，相比于TiO2纳米管的锐钛矿结晶表面，观察到发生了亲水性的微小变化。本发明的一个实施方案是纳米管内的纳米库空间或纳米柱之间的空间可用于方便地储存对于软骨细胞的增强培养合意的生物试剂，如生长因子、其它生物分子、抗生素等，所述生物试剂可从涂覆有Ta或Ta氧化物表面层的TiO2纳米管缓慢地释放。TiO2纳米管的纳米级空间或纳米柱之间的间隔相比于微米级孔具有能够明显更长地保持所储存的生物试剂并且允许在更长时段内进行更缓慢释放的优点。例如抗生素(例如青霉素、链霉素(streptomycin)、万古霉素(vancomycin))等的药物的受控缓释可预防骨植入物附近的感染。从纳米库空间储存并缓慢释放的生长因子也可在延长时段内增强成骨细胞生长和成熟。
[0174] 在替代实施方案中，可方便地储存于所述纳米库空间中的生物试剂包括生长因子、胶原、各种蛋白质/生物分子、基因、DNA、抗生素、激素、治疗性药物、功能性粒子，如磁性粒子、金属粒子、陶瓷粒子、聚合物粒子。可将由磁性氧化物粒子或金属粒子制成的功能性粒子用于远程驱动的RF加热并产生用于储存于纳米库中的生物试剂的加速的或开启的、关闭的释放的温度梯度。
[0175] 参考图示，图12示意性地图解说明基于TiO2纳米管的植入物的进一步改进的实施方案，所述植入物包含涂覆有Ta表面层并且具有储存于垂直对齐的纳米管孔中的缓释生物试剂的纳米管。图12(a)描绘涂覆有Ta薄膜的制成后原样TiO2纳米管的阵列，图12(b)显示具有储存于纳米库中的生物试剂的纳米阵列。为了加速骨基质形成，可将TiO2纳米管制得更高，例如，1-10微米高而不是仅200-500nm高的纳米管，使得可储存更多生物试剂并且可实现更长时期的更缓慢释放。减慢所储存的生物试剂释放的替代发明性途径是通过Ta或Ta2O5的有意溅射或蒸发沉积使纳米管入口变窄。这示意性地图解说明于图12(c)中。虽然规则的垂直入射的沉积也往往形成所述瓶颈，但在沉积期间旋转衬底的可选的斜入射沉积使得更易形成有意的瓶颈配置。
[0176] 在替代实施方案中，生物试剂的纳米库储存和缓慢释放是利用纳米柱阵列结构实现的。这示意性地图解说明于图13中。利用有意诱导的瓶颈配置，实现了慢率释放。
[0177] 在替代实施方案中，使用了呈纳米管或纳米柱阵列配置的垂直对齐的TiO2和相关材料，所述配置任选地具有基于纳米库的贮器，并且会缓慢释放化学品或生物试剂，相比于没有这些纳米管或纳米柱结构的相同生物植入物材料或生物衬底材料，所述材料任选地可将成骨细胞功能性和矿化基质形成的动力学和量大幅度地增强，例如增强至少30％或至少50％。
[0178] 在替代实施方案中，使用各种类型的表面纳米结构化或微米结构化细胞培养或骨培养衬底来实施本发明，例如，其可用于细胞和骨的活体外培养，或用作活体内植入物结构的一部分。所述增强的骨生长可用于人类和动物的多种治疗应用。在替代实施方案中，本发明的方法为任何骨植入部位处的新骨生长提供支持性支架，包括但不限于：
[0179] 指关节修复或置换
[0180] 腕修复或置换
[0181] 肘修复或置换
[0182] 肩修复或置换
[0183] 腿
[0184] 臂
[0185] 髋修复或置换
[0186] 膝修复或置换
[0187] 踝修复或置换
[0188] 足和趾修复或置换
[0189] 脊髓椎间盘修复或置换
[0190] 肋骨篮修复或置换
[0191] 任何棒、螺钉或其它骨稳定器植入物。
[0192] 在替代实施方案中，本发明使得能够进行关节或骨修复或置换，同时为新骨组织生长和填充缺陷提供结构支持和化学环境，且因此可置换由各种疾病(例如骨质疏松症或自身免疫性疾病，例如，在所述自身免疫性疾病中，免疫系统攻击机体的细胞和组织，从而导致骨衰变或损伤)引起的受损的、受感染的、老化的或患病的骨。
[0193] 可通过本发明的产品和方法(例如，经Ta涂覆的衬底)以增强方式培养的细胞或硬组织的类型包括用于牢固粘附的骨的快速形成/生长的成骨细胞、牙周细胞或干细胞。本发明的结构可用于可靠的和更快的整形骨修复或牙骨修复或用于外部可控的药物释放和治疗性治疗。
[0194] 应当理解，上述实施方案仅仅说明了可代表本发明的应用的许多可能的具体实施方案中的几个。本领域技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的前提下进行众多并且不同的其它布置。
[0195] 参考文献
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[0220] 实施例
[0221] 将参考以下实施例来进一步描述本发明；然而，应当理解，本发明并不限于所述实施例。
[0222] 实施例1：本发明的组合物可有效诱导骨生长
[0223] 本文所呈现的数据证实了本发明的组合物(例如，包含具有Ta或Ta氧化物型纳米结构的生物材料)和本发明的方法对于加速的骨生长有效并且可使得能够进行加速的骨生长并且可用于多种用途，包括快速且安全的矫形植入物、牙植入物、牙周植入物、细胞/器官植入物、治疗法和疾病诊断。这一实施例还描述了制备本发明的示例性组合物。
[0224] 在替代实施方案中，衬底生物材料的表面包含Ta或Ta氧化物或含有Ta或Ta氧化物的合金或由Ta或Ta氧化物或含有Ta或Ta氧化物的合金组成。在替代实施方案中，在下伏衬底中使用了其它材料。
[0225] 在替代实施方案中，本发明的制造产品(物品)可通过包含钽或钽氧化物(Ta2O5)涂层来增强成骨细胞功能性和骨矿物生长。在替代实施方案中，本发明的制造产品(物品)包含由Ti或TiO2制成的纳米结构(例如，纳米管、纳米线)或由其它材料制成但涂覆有生物相容性Ta或Ta2O5膜的等效结构。
[0226] 包含Ta表面化学性质的示例性纳米结构使得能够实现增强的成骨细胞矿化速率并且显示在较短的时间点形成骨的能力。
[0227] 参考图示，图1(a)示意性地图解说明包含生长于钛金属或合金衬底上的自组织的基于TiO2的纳米管阵列的示例性装置，所述纳米管阵列然后通过溅射沉积或离子束沉积、蒸发、激光消融、化学气相沉积被钽(Ta)或Ta氧化物(Ta2O5)薄膜沉积，所述示例性装置用于示例性方法中以加速成骨细胞成熟，如图1(b)中所图解说明的。在替代实施方案中，将TiO2纳米管或任何其它生物相容性纳米管(例如，Al2O3、ZrO2、HfO2、NbO或Nb2O5、MoO2或MoO3、VO2或V2O5、WO2或WO3)与本发明的组合物和装置一起使用；并且这些纳米管可具有直径为约10nm到1000nm或直径为约30nm到300nm或约60nm到200nm的尺寸。
[0228] 在替代实施方案中，小管的所需高度部分地是通过所需纵横比确定的，因为优选纵横比小于10、优选小于5的相对较短的高度用于降低容易储存和最终分配有意放置在小管腔内的药物或生物试剂的倾向性，并且降低厚纳米管层中的长小管在人体中脱层或剥落和四处飘荡的可能性。在替代实施方案中，所需高度为40–2000nm或100–600nm。
[0229] 在替代实施方案中，代替纳米管形衬底或除了纳米管形衬底之外，使用纳米柱或纳米线或纳米带或等效纳米结构作为基底(例如，上部结构或模板或表面)以沉积Ta(或其氧化物)薄膜以增强骨或软骨形成或增强干细胞的分化。在替代实施方案中，Ta涂层的所需厚度为约1–1,000nm或5-300nm或甚至更大或约10–100nm范围内。
[0230] 在替代实施方案中，具有敞开顶部孔的垂直队列对于生物植入物和相关应用来说至关重要，因为图1(a)中所图解说明的纳米管的敞开顶部允许细胞透入纳米孔腔中以实现良好粘附，如图1(b)中所图解说明的。充分粘附到表面的细胞通常保持健康并且快速生长，而未粘附的细胞展示降低或最小的生长。
[0231] 在本发明的垂直纳米管结构中，图2中所示的示例提供了这样的合意配置。图2还描绘了涂覆钽后的纳米管的几何形状和结构的保持。每个表面的接触角以黄色显示，指示经钽涂覆的表面上亲水性从4°到0°的增加。在替代实施方案中，包含用于增强骨和软骨生长的经Ta涂覆的纳米管或纳米线表面结构的植入物就小于3度、优选小于2度的水滴接触角方面而言具有改进的亲水性。
[0232] 在替代实施方案中，钛纳米管是通过电解阳极化形成的，例如使用5％氢氟酸并施加约10–20伏的电压并且允许数分钟到几小时，时间取决于温度和其它电化学工艺参数。所得TiO2纳米管直径取决于阳极化电极。
[0233] 图14到18呈现被氧化的钽的研究的数据，用以比较本发明的装置上的纳米结构表面上的金属Ta涂层对(vs)Ta氧化物涂层和其诱导或刺激人类成骨细胞生长和骨形成的能力)。实验是在约3毫托Ar压力下以约100nm直径×约300nm高的纳米管在相同类型的TiO2纳米管表面上通过标准阳极化工艺进行的：各种表面是：TiO2纳米管(制成后原样)、经Ta涂覆的纳米管(沉积态的，通过溅射实现)、经金属Ta涂覆的纳米管(在真空中热处理以提供退火，同时保持其为金属，但没有Ta氧化物形成)、经被氧化的Ta涂覆的纳米管(Ta溅射涂覆+在空气中热处理以将Ta涂层转换成Ta氧化物涂层)和经Ta2O5涂覆的
纳米管(约20nm厚，以400瓦功率从Ta氧化物目标物直接RF溅射涂覆)。从图14到18，成骨细胞功能性和骨矿化似乎偏爱被氧化的钽表面多于金属Ta和沉积态Ta。
纳米管(约20nm厚，以400瓦功率从Ta氧化物目标物直接RF溅射涂覆)。从图14到18，成骨细胞功能性和骨矿化似乎偏爱被氧化的钽表面多于金属Ta和沉积态Ta。
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