專利名稱：用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)，特別是涉及一 種表面具有經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的人工關(guān)節(jié)及其 制備方法，屬于人工關(guān)節(jié)材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
全球每年約有150萬因退變性和炎癥性關(guān)節(jié)炎導(dǎo)致的關(guān)節(jié)喪失功能患者需進(jìn)行 人工關(guān)節(jié)置換術(shù)。其中金屬材料用作制造人工關(guān)節(jié)應(yīng)用最早，而且在目前臨床中的應(yīng)用也 仍最為廣泛。隨著時間的推移和臨床研究表明，金屬材料的人工關(guān)節(jié)普遍存在人工關(guān)節(jié)發(fā) 生松動、下沉或折斷等情況，引起骨吸收，是影響人工關(guān)節(jié)置換遠(yuǎn)期療效的主要并發(fā)癥之 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)是一類多功能生長因子，能 夠在體內(nèi)誘導(dǎo)骨和軟骨形成，并在肢體生長、軟骨內(nèi)骨化、骨折早期、軟骨修復(fù)時表達(dá)，對骨 骼的胚胎發(fā)育和再生修復(fù)起重要作用。骨形態(tài)發(fā)生蛋白免疫原性低，一般不引起免疫排斥 反應(yīng)，只有輕微的剌激性，這為關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)提供了一個良好前景。但BMP擴(kuò)散能力強(qiáng)，BMP 單獨植入很快被組織液沖洗掉和被組織酶類降解，難以在靶細(xì)胞周圍維持濃度而不能充分 發(fā)揮作用。用載體將BMP緩釋于目標(biāo)位置，是一條方便而有效的用藥途徑。理想的BMP載 體材料應(yīng)具有下列特點(l)能承載BMP并保持其活性；(2)具有良好的生物相同性，能保 持釋放的孔隙率，以利于成骨細(xì)胞爬行；(3)無細(xì)胞毒性，無免疫原性，有生物可降解性，與 BMP復(fù)合簡便；(4)載體材料易于獲取、消毒和儲備。 純鈦及其合金具有出色的生物相容性主要歸功于表面附著的氧化層鈦，表面氧化 層的主要優(yōu)點是(l) 二氧化鈦具有較低的固有毒性；(2) 二氧化鈦在水中的溶解度很低； (3)與生物分子的反應(yīng)活性很低，接近化學(xué)惰性。 二氧化鈦具有良好的生物相容性，具有納米結(jié)構(gòu)的二氧化鈦表面能促進(jìn)成骨細(xì)胞 的粘附、生長和增殖。在紫外光照射下，納米二氧化鈦表面產(chǎn)生許多活性的羥基基團(tuán)，有利 于改善親水性，進(jìn)而改善細(xì)胞相容性。于是，引發(fā)本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種制備用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān) 節(jié)的方法，通過兩步陽極氧化法在金屬基體表面構(gòu)筑納米管狀結(jié)構(gòu)，在紫外光照射下改善 納米管狀結(jié)構(gòu)的親水性和細(xì)胞相容性，最后通過離心負(fù)載技術(shù)在納米管層內(nèi)負(fù)載骨形態(tài)發(fā) 生蛋白。制備出的二氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白層與基體結(jié)合強(qiáng)度好，制備工藝簡 單，可操作性強(qiáng)。 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn) 在這種人工關(guān)節(jié)材料金屬基體表面有一層經(jīng)紫外光照射的具有管狀結(jié)構(gòu)的二氧 化鈦納米管陣列層，其層內(nèi)進(jìn)一步負(fù)載有骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。
具體制備的步驟如下 1)首先選用純鈦或鈦合金加工好人工關(guān)節(jié)；
0011] 2)人工關(guān)節(jié)表面預(yù)處理表面磨光后，依次用丙酮、去離子水和無水乙醇超聲洗 滌10-120分鐘，隨后用HF和HN03及水的混合溶液(體積比為1:4:5)化學(xué)拋光20-120 秒，再經(jīng)去離子水徹底沖洗后，吹干待用； 3)兩步陽極氧化制備二氧化鈦納米管將表面預(yù)處理過的人工關(guān)節(jié)作為陽極，石 墨或鉑為陰極，在含水有機(jī)電解質(zhì)溶液中進(jìn)行第一次陽極氧化，具體陽極氧化參數(shù)為電壓 為20-240V，時間為12-200小時，兩極距離為3-10cm，溫度保持為室溫。第一次陽極氧化 后，取出，在體積百分比為5-30vol^的鹽酸溶液中超聲清洗0. 5-3小時，取出吹干后，將人 工關(guān)節(jié)在前述第一次陽極氧化參數(shù)條件下再進(jìn)行第二次陽極氧化，然后取出，用無水乙醇 超聲清洗10-30分鐘，再在體積百分比為5-30vol^的鹽酸溶液中浸泡0. 5-3小時后取出， 用無水乙醇和去離子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥樣品，在人工關(guān)節(jié)表面獲 得二氧化鈦納米管陣列層； 4)將上述表面覆蓋二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)在去離子水中或在大氣中 用紫外光照射，改善親水與細(xì)胞相容性。使用的紫外燈為高壓汞燈，照射時間不少于10小 時； 5)最后采用離心負(fù)載技術(shù)在經(jīng)紫外光照射過的二氧化鈦納米管陣列層內(nèi)負(fù)載骨
形態(tài)發(fā)生蛋白，將表面覆蓋有經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)置于離心
容器底部，再倒入骨形態(tài)發(fā)生蛋白和磷酸緩沖鹽溶液組成的混合溶液，液面淹過人工關(guān)節(jié)
至離心容器的一半或三分之二的高度，骨形態(tài)發(fā)生蛋白濃度為0. l-50mg L—、室溫下離心
(1500-80000Rpm)浸泡0. 5_10小時。取出，即可得本發(fā)明生物活性人工關(guān)節(jié)。 本發(fā)明所述的含水有機(jī)電解質(zhì)溶液采用乙二醇為溶劑，其它有效成分為水
0-10vol% (體積百分比)、磷酸2-10volX (體積百分比)、氟化銨0. l-0.9wt% (質(zhì)量百
分比)。 本發(fā)明方法制備的二氧化鈦納米管定向規(guī)則排列，二氧化鈦納米管在垂直于基體 方向產(chǎn)生，管徑達(dá)50-800nm，管長為1-150 iim，比表面積大。 本發(fā)明制備的用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)具有以下優(yōu)點和 有益效果 ①將二氧化鈦納米管陣列用紫外光進(jìn)行照射，在其表面將產(chǎn)生許多活性的羥基基 團(tuán)，有利于改善親水性，進(jìn)而改善細(xì)胞相容性。 ②與普通的二氧化鈦層相比，二氧化鈦納米管陣列呈定向多孔，比表面積較高，有 利于骨形態(tài)發(fā)生蛋白的負(fù)載以及對骨形態(tài)發(fā)生蛋白的控釋。 ③陽極氧化形成的二氧化鈦納米管陣列層是基體原位生成的，與基體的結(jié)合力很 好。骨形態(tài)發(fā)生蛋白有很好的誘導(dǎo)成骨效應(yīng)，可在短時間與骨組織形成牢固的生理結(jié)合。因 此，有望增加人工關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明具體制備過程圖。
圖2是本發(fā)明人工關(guān)節(jié)表面具有管狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米管陣列層形態(tài)的掃描電鏡(SEM)照片。
具體實施方式

實施例1 (1)首先選用鈦合金加工好人工關(guān)節(jié)； (2)人工關(guān)節(jié)表面預(yù)處理表面磨光后，依次用丙酮、去離子水和無水乙醇超聲洗 滌10-30分鐘，隨后用HF和HN03及水的混合溶液(體積比為1:4:5)化學(xué)拋光20-40 秒，再經(jīng)去離子水徹底沖洗后，電吹風(fēng)吹干待用； (3)配制含水有機(jī)電解質(zhì)溶液采用乙二醇為溶劑，其它有效成分為水2volX (體積百分比)、磷酸4volX (體積百分比)、氟化銨0.3wt^ (質(zhì)量百分比)；
(4)兩步陽極氧化制備二氧化鈦納米管將表面預(yù)處理過的人工關(guān)節(jié)作為陽極， 石墨或鉑片為陰極，在含水有機(jī)電解質(zhì)溶液中進(jìn)行第一次陽極氧化，具體陽極氧化參數(shù)為 電壓為60V，陽極氧化時間為18小時，兩極距離為3-10cm，溫度保持為室溫。第一次陽極氧 化后，取出，在體積百分比為10vol^的鹽酸溶液中超聲清洗0. 5-3小時，取出吹干后，將人 工關(guān)節(jié)在前述第一次陽極氧化參數(shù)條件下再進(jìn)行第二次陽極氧化，然后取出，用無水乙醇 超聲清洗10-30分鐘，再在體積百分比為10vol^的鹽酸溶液中浸泡0. 5-3小時后取出，用 無水乙醇和去離子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥樣品，在人工關(guān)節(jié)表面獲得 二氧化鈦納米管陣列層； (5)將上述表面覆蓋二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)在去離子水中或在大氣中 用紫外光照射，改善親水與細(xì)胞相容性。使用的紫外燈為高壓汞燈，照射15小時；
(6)最后采用離心負(fù)載技術(shù)在經(jīng)紫外光照射過的二氧化鈦納米管陣列層內(nèi)負(fù)載骨 形態(tài)發(fā)生蛋白，將表面覆蓋有經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)置于離心 容器底部，再倒入骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶液組成的混合溶液，液面淹 過人工關(guān)節(jié)至離心容器的一半或三分之二的高度，骨形態(tài)發(fā)生蛋白濃度為0. l-50mg L一1， 室溫下離心(5000Rpm)浸泡0. 5-10小時，取出，即可得本發(fā)明人工關(guān)節(jié)。
實施例2 (1)首先選用鈦合金加工好人工關(guān)節(jié)； (2)人工關(guān)節(jié)表面預(yù)處理表面磨光后，依次用丙酮、去離子水和無水乙醇超聲洗 滌30-60分鐘，隨后用HF和HN03及水的混合溶液(體積比為1 : 4 : 5)化學(xué)拋光40-60 秒，再經(jīng)去離子水徹底沖洗后，電吹風(fēng)吹干待用； (3)配制含水有機(jī)電解質(zhì)溶液采用乙二醇為溶劑，其它有效成分為水2volX (體積百分比)、磷酸4volX (體積百分比)、氟化銨0.5wt^ (質(zhì)量百分比)；
(4)兩步陽極氧化制備二氧化鈦納米管將表面預(yù)處理過的人工關(guān)節(jié)作為陽極， 石墨或鉑片為陰極，在含水有機(jī)電解質(zhì)溶液中進(jìn)行第一次陽極氧化，具體陽極氧化參數(shù)為 電壓為80V，時間為18小時，兩極距離為3-10cm，溫度保持為室溫。第一次陽極氧化后，取 出，在體積百分比為lOvol %的鹽酸溶液中超聲清洗0. 5-3小時，取出吹干后，將人工關(guān)節(jié) 在前述第一次陽極氧化參數(shù)條件下再進(jìn)行第二次陽極氧化，然后取出，用無水乙醇超聲清 洗10-30分鐘，再在體積百分比為10vol^的鹽酸溶液中浸泡0. 5-3小時后取出，用無水乙 醇和去離子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥樣品，在人工關(guān)節(jié)表面獲得二氧化鈦納米管陣列層，其SEM照片見圖2 ; (5)將上述表面覆蓋二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)在去離子水中或在大氣中 用紫外光照射，改善親水與細(xì)胞相容性。使用的紫外燈為高壓汞燈，照射30小時；
(6)最后采用離心負(fù)載技術(shù)在經(jīng)紫外光照射過的二氧化鈦納米管陣列層內(nèi)負(fù)載骨 形態(tài)發(fā)生蛋白，將表面覆蓋有經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)置于離心 容器底部，再倒入骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶液組成的混合溶液，液面淹 過人工關(guān)節(jié)至離心容器的一半或三分之二的高度，骨形態(tài)發(fā)生蛋白濃度為0. l-50mg L一1， 室溫下離心(2000Rpm)浸泡0. 5-10小時，取出，即可得本發(fā)明人工關(guān)節(jié)。
實施例3 (1)首先選用純鈦加工好人工關(guān)節(jié)； (2)人工關(guān)節(jié)表面預(yù)處理表面磨光后，依次用丙酮、去離子水和無水乙醇超聲洗 滌60-90分鐘，隨后用HF和HN03及水的混合溶液(體積比為1 : 4 : 5)化學(xué)拋光60-80 秒，再經(jīng)去離子水徹底沖洗后，電吹風(fēng)吹干待用； (3)配制含水有機(jī)電解質(zhì)溶液采用乙二醇為溶劑，其它有效成分為水4vol % (體積百分比)、磷酸6volX (體積百分比)、氟化銨0.5wt^ (質(zhì)量百分比)；
(4)兩步陽極氧化制備二氧化鈦納米管將表面預(yù)處理過的人工關(guān)節(jié)作為陽極， 石墨或鉑片為陰極，在含水有機(jī)電解質(zhì)溶液中進(jìn)行第一次陽極氧化，具體陽極氧化參數(shù)為 電壓為40V，時間為24小時，兩極距離為3-10cm，溫度保持為室溫。第一次陽極氧化后，取 出，在體積百分比為20vol %的鹽酸溶液中超聲清洗0. 5-3小時，取出吹干后，將人工關(guān)節(jié) 在前述第一次陽極氧化參數(shù)條件下再進(jìn)行第二次陽極氧化，然后取出，用無水乙醇超聲清 洗10-30分鐘，再在體積百分比為20vol^的鹽酸溶液中浸泡0. 5-3小時后取出，用無水乙 醇和去離子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥樣品，在人工關(guān)節(jié)表面獲得二氧化 鈦納米管陣列層； (5)將上述表面覆蓋二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)在去離子水中或在大氣中 用紫外光照射，改善親水與細(xì)胞相容性。使用的紫外燈為高壓汞燈，照射時間不少于10小 時； (6)最后采用離心負(fù)載技術(shù)在經(jīng)紫外光照射過的二氧化鈦納米管陣列層內(nèi)負(fù)載骨 形態(tài)發(fā)生蛋白，將表面覆蓋有經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)置于離心 容器底部，再倒入骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶液組成的混合溶液，液面淹 過人工關(guān)節(jié)至離心容器的一半或三分之二的高度，骨形態(tài)發(fā)生蛋白濃度為0. l-50mg L一1， 室溫下離心(10000Rpm)浸泡0. 5-10小時，取出，即可得本發(fā)明人工關(guān)節(jié)。
實施例4 (1)首先選用鈦合金加工好人工關(guān)節(jié)； (2)人工關(guān)節(jié)表面預(yù)處理表面磨光后，依次用丙酮、去離子水和無水乙醇超聲洗 滌90-120分鐘，隨后用HF和HN03及水的混合溶液(體積比為1 : 4 : 5)化學(xué)拋光80-120 秒，再經(jīng)去離子水徹底沖洗后，電吹風(fēng)吹干待用； (3)配制含水有機(jī)電解質(zhì)溶液采用乙二醇為溶劑，其它有效成分為水2volX
(體積百分比)、磷酸5volX (體積百分比)、氟化銨0.5wt^ (質(zhì)量百分比)； (4)兩步陽極氧化制備二氧化鈦納米管將表面預(yù)處理過的人工關(guān)節(jié)作為陽極，石墨或鉑片為陰極，在含水有機(jī)電解質(zhì)溶液中進(jìn)行第一次陽極氧化，具體陽極氧化參數(shù)為
電壓為80V，時間為12小時，兩極距離為3-10cm，溫度保持為室溫。第一次陽極氧化后，取 出，在體積百分比為20vol^的鹽酸溶液中超聲清洗0. 5-3小時，取出吹干后，將人工關(guān)節(jié) 在前述第一次陽極氧化參數(shù)條件下再進(jìn)行第二次陽極氧化，然后取出，用無水乙醇超聲清 洗10-30分鐘，再在體積百分比為20vol^的鹽酸溶液中浸泡0. 5-3小時后取出，用無水乙 醇和去離子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥樣品，在人工關(guān)節(jié)表面獲得二氧化 鈦納米管陣列層； (5)將上述表面覆蓋二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)在去離子水中或在大氣中 用紫外光照射，改善親水與細(xì)胞相容性。使用的紫外燈為高壓汞燈，照射時間不少于10小 時； (6)最后采用離心負(fù)載技術(shù)在經(jīng)紫外光照射過的二氧化鈦納米管陣列層內(nèi)負(fù)載骨 形態(tài)發(fā)生蛋白，將表面覆蓋有經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)置于離心 容器底部，再倒入骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶液組成的混合溶液，液面淹 過人工關(guān)節(jié)至離心容器的一半或三分之二的高度，骨形態(tài)發(fā)生蛋白濃度為0. l-50mg L一1， 室溫下離心(1500-80000Rpm)浸泡0. 5_10小時，取出，即可得本發(fā)明人工關(guān)節(jié)。
權(quán)利要求
一種用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)，其特征在于所述的用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)選用純鈦或鈦合金加工，然后采用兩步陽極氧化技術(shù)在純鈦或鈦合金人工關(guān)節(jié)表面獲得具有管狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米管陣列層，再將二氧化鈦納米管陣列層進(jìn)行紫外光照射，最后采用離心負(fù)載技術(shù)在經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管陣列層內(nèi)負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白，所述及的用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)的制備方法按如下步驟進(jìn)行1)首先選用純鈦或鈦合金加工好人工關(guān)節(jié)；2)人工關(guān)節(jié)表面預(yù)處理表面磨光后，依次用丙酮、去離子水和無水乙醇超聲洗滌10-120分鐘，隨后用HF和HNO3及水的混合溶液(體積比為1∶4∶5)化學(xué)拋光20-120秒，再經(jīng)去離子水徹底沖洗后，吹干待用；3)兩步陽極氧化制備二氧化鈦納米管將表面預(yù)處理過的人工關(guān)節(jié)作為陽極，石墨或鉑為陰極，在含水有機(jī)電解質(zhì)溶液中進(jìn)行第一次陽極氧化，具體陽極氧化參數(shù)為電壓20-240V，反應(yīng)時間12-200小時，兩極距離3-10cm，溫度保持為室溫。第一次陽極氧化后，取出，在體積百分比為5-30vol％的鹽酸溶液中超聲清洗0.5-3小時，取出吹干后，將人工關(guān)節(jié)在前述第一次陽極氧化參數(shù)條件下再進(jìn)行第二次陽極氧化，然后取出，用無水乙醇超聲清洗10-30分鐘，再在體積百分比為5-30vol％的鹽酸溶液中浸泡0.5-3小時后取出，用無水乙醇和去離子水交替清洗6-10遍后，再在60-100℃下干燥樣品，在人工關(guān)節(jié)表面獲得二氧化鈦納米管陣列層；4)將上述表面覆蓋二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)在去離子水中或在大氣中用紫外光照射，改善親水與細(xì)胞相容性。使用的紫外燈為高壓汞燈，照射時間不少于10小時；5)最后采用離心負(fù)載技術(shù)在經(jīng)紫外光照射過的二氧化鈦納米管陣列層內(nèi)負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白，將表面覆蓋有經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管陣列層的人工關(guān)節(jié)置于離心容器底部，再倒入骨形態(tài)發(fā)生蛋白和磷酸緩沖鹽溶液組成的混合溶液，液面淹過人工關(guān)節(jié)至離心容器的一半或三分之二的高度，骨形態(tài)發(fā)生蛋白濃度為0.1-50mg·L-1，室溫下離心(1500-80000Rpm)浸泡0.5-10小時，取出，即可得本發(fā)明生物活性人工關(guān)節(jié)。
2. 如權(quán)利要求1所述的用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)的制備方法， 其特征在于含水有機(jī)電解質(zhì)溶液采用乙二醇為溶劑，其它有效成分為水0-10volX (體積 百分比)、磷酸2-10volX (體積百分比)、氟化銨0. l-0.9wt% (質(zhì)量百分比)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)及其制備方法，在這種人工關(guān)節(jié)金屬基體表面有一層經(jīng)紫外光照射過的管狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米管陣列層，其層內(nèi)進(jìn)一步負(fù)載有骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。所述的用氧化鈦納米管負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)制備方法為選用純鈦或鈦合金加工人工關(guān)節(jié)，然后采用兩步陽極氧化技術(shù)在純鈦或鈦合金人工關(guān)節(jié)表面獲得具有管狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米管陣列層，再將二氧化鈦納米管陣列層進(jìn)行紫外光照射，最后采用離心負(fù)載技術(shù)在經(jīng)紫外光照射的二氧化鈦納米管陣列層內(nèi)負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白。
文檔編號A61L27/06GK101732761SQ20101001710
公開日2010年6月16日 申請日期2010年1月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月1日
發(fā)明者余青青, 儲成林, 林萍華 申請人:東南大學(xué)