專(zhuān)利名稱(chēng)：抗菌表面和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于減輕手術(shù)后植入物相關(guān)的細(xì)菌感染的可控抗微生物和生物相容鈦合金。本發(fā)明還涉及表面技術(shù)和它們用于修飾材料表面以增強(qiáng)表面抗微生物性質(zhì)并實(shí)現(xiàn)抗微生物肽的可控釋放的機(jī)制。
背景技術(shù)：
描述生物材料，如不誘鋼和鈦合金，被廣泛應(yīng)用于整形外科和牙科外科手術(shù)。內(nèi)部骨折固定術(shù)、脊柱畸形矯正術(shù)和全關(guān)節(jié)置換術(shù)常見(jiàn)于整形外科程序，其中常用金屬生物料材保持生物機(jī)械完整性。然而，在這些植入物上的微生物粘附和增殖可導(dǎo)致手術(shù)后微生物感染。 此外，它們還可導(dǎo)致植入物松動(dòng)或其它嚴(yán)重并發(fā)癥。根據(jù)R. 0. Darouiche的“Treatment of Infections Associated with Surgical hup1ants" (The New England Journal of Medicine 2004 ；350 (14) : 1422-1429)，2_5 %的接受整形外科手術(shù)過(guò)程的病人可能需要經(jīng)修正手術(shù)除去或替換受感染的植入物。除增加公共醫(yī)療系統(tǒng)成本外，也無(wú)疑增大發(fā)病率和死亡率。表面修飾已被提出用于修飾生物材料的表面性質(zhì)，以在處理后保持其主體機(jī)械性質(zhì)。為了減少細(xì)菌粘附和增殖，已研究某些表面處理，如負(fù)載了抗生素、銀和銅離子的表面。 已通過(guò)溶膠-凝膠技術(shù)、物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、浸漬和離子注入進(jìn)行經(jīng)表面處理的植入物的制造。遺憾的是，這些表面處理沉積物的釋放率難于通過(guò)使用目前的技術(shù)操作。此夕卜，如 S-H. Shin 等在"The effects of nano-silver on the proliferation and cytokine expression by peripheral blood mononuclear cells" (International Immunopharmacology2007 ；7 (13) :1813-1818)中和 B. S. Atiyeh 等在 “Effect of silver on burn wound infection control and healing :Review of the literature，，(Burns 2007 ；33 (2) :139-148)中所示，銀和銅離子可毒害周?chē)娜梭w細(xì)胞。以前的研究還包括經(jīng)溶膠-凝膠技術(shù)將抗生素如萬(wàn)古霉素負(fù)載到鈦底物表面上。此技術(shù)普遍使用的一個(gè)障礙是抗生素一旦暴露于體液時(shí)的不可控降解。這種效果示于 S. Radin 等白勺"Controlled release of vancomycin from thin sol-gel films on titanium alloy fracture plate material，，(Biomaterials 2007 ；28 (9) 1721-1729) 禾口 S. Radin 等的"In vivo tissue response to resorbable silica xerogels as controlled-release materials"(Biomaterials 2005 ；26 (9) :1043-1052)。因此，抗生素的釋放率難于用現(xiàn)有技術(shù)控制。在臨床上，術(shù)后一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)深創(chuàng)傷感染不是不常見(jiàn)的。 常規(guī)的抗生素涂層不能解決抗生素隨時(shí)間降解所導(dǎo)致的這種并發(fā)癥。植入物不受保護(hù)的表面于是暴露于入侵細(xì)菌。另外，抗生素的不可控釋放可能過(guò)度發(fā)生并因此損壞周?chē)?xì)胞的正常功能。因此，本領(lǐng)域?qū)哂斜砻婵刮⑸镄再|(zhì)的可植入生物材料繼續(xù)存在需求。發(fā)明概述本發(fā)明的實(shí)施方案提供具有可控抗微生物和生物相容性質(zhì)的可植入鈦合金。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，可植入鈦合金通過(guò)用等離子體浸漬離子注入和沉積(PIIII&D)、加壓水熱處理和抗生物肽涂布而制造。有利的是，這些特殊修飾的鈦合金能抑制微生物的粘附和增殖。本發(fā)明的實(shí)施方案涉及進(jìn)行表面技術(shù)以修飾材料表面，從而形成一個(gè)或幾個(gè)能抵抗微生物粘附和增殖的抗微生物層，。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述表面修飾技術(shù)包括PII II&D和/或加壓水熱處理。在另一實(shí)施方案中，表面層通過(guò)采用一種固定可控釋放抗微生物肽的技術(shù)而制造。根據(jù)實(shí)施方案， 可用表面修飾技術(shù)的集合，或是一種或多種本文公開(kāi)的技術(shù)和一種或多種現(xiàn)有技術(shù)(如抗生素涂布或銀摻雜)的組合，制造所述表面層。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述應(yīng)用PIII&D的表面修飾能將多種源(包括離子、電子、自由基、原子和分子)植入到底物表面上，作為基底表面抑制微生物的粘附和生長(zhǎng)。這個(gè)基底表面可以抑制微生物的附著和生物膜的形成。然而，有利的是，這個(gè)表面允許哺乳動(dòng)物細(xì)胞的附著和生長(zhǎng)。在另一實(shí)施方案中，將反應(yīng)性官能團(tuán)如-OH和-NH2基團(tuán)并入到基底表面上，形成中間表面層促進(jìn)連接分子的連接，例如，連接體如3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)。反應(yīng)性官能團(tuán)的制造可通過(guò)加壓水熱處理或另一 PIII&D方法進(jìn)行?？刮⑸镫挠谑菍⒕奂解伒孜锏淖钔鈱由?，形成抗微生物肽涂層。通過(guò)PIII&D處理而修飾的主題(subject)鈦合金能抵抗細(xì)菌粘附和生長(zhǎng)，并且其修飾表面還與哺乳動(dòng)物細(xì)胞相容。另外，根據(jù)多個(gè)實(shí)施方案，抗微生物肽從最外層的釋放僅在微生物如細(xì)菌開(kāi)始附著于肽表面時(shí)觸發(fā)，因此可自控。相反，對(duì)于常規(guī)抗生素或抗微生物肽涂層，負(fù)載了抗菌肽或抗生素的表面的常規(guī)釋放機(jī)制是受暴露于體液影響，因此不可控。本發(fā)明可用于整形外科植入物，但實(shí)施方案不限于此。例如，可將本發(fā)明應(yīng)用于所有可植入生物材料，如心血管植入物和牙科植入物。而且，本文所描述的技術(shù)可用于非醫(yī)學(xué)裝置，如微生物的粘附和增殖是所關(guān)注的問(wèn)題的食品包裝和其它工業(yè)應(yīng)用。雖然在本文實(shí)施例中描述的底物材料是鈦合金，但上面應(yīng)用了表面技術(shù)的底物材料不限于此。例如，底物材料可以是金屬、合金、陶瓷、聚合物、復(fù)合物或混合材料。另外，所公開(kāi)的技術(shù)可用于具有不規(guī)則形狀的材料。附圖簡(jiǎn)述本專(zhuān)利或申請(qǐng)文件含有至少一幅彩色附圖。帶彩色附圖的本專(zhuān)利或?qū)＠暾?qǐng)公開(kāi)的副本將根據(jù)請(qǐng)求并支付所需費(fèi)用后由部門(mén)提供。聯(lián)系附圖，本發(fā)明的詳細(xì)描述將得到更好理解，附圖中相似的附圖標(biāo)記代表相似的元素，如下

圖1是提供鈦合金樣品的PIII&D表面處理?xiàng)l件的表格。圖2A是未經(jīng)處理的肽合金對(duì)照的XPS元素深度分布圖。圖2B是根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案制造的經(jīng)50Hz氧PIII&D處理的肽合金樣品的XPS元素深度分布圖。圖2C是根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案制造的經(jīng)IOOHz氧PIII&D處理的肽合金樣品的XPS元素深度分布圖。圖3A是未經(jīng)處理的鈦合金對(duì)照上的AFM表面形貌圖。圖;3B是根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案制造的經(jīng)50Hz氧PIII&D處理的肽合金樣品的AFM表面形貌圖。圖3C是根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案制造的經(jīng)IOOHz氧PIII&D處理的肽合金樣品的AFM表面形貌圖。圖4是顯示在細(xì)菌培養(yǎng)一小時(shí)后，未經(jīng)處理的鈦合金和經(jīng)50Hz和IOOHz氧PIII&D 處理的鈦合金樣品上粘附的金黃色葡萄球菌細(xì)菌數(shù)量的圖表。圖5A是未經(jīng)處理的對(duì)照鈦合金樣品的熒光顯微照片。綠色標(biāo)志代表活的金黃色葡萄球菌。圖5B是根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案制造的經(jīng)50Hz氧PIII&D處理的鈦合金樣品的熒光顯微照片。綠色和紅色標(biāo)志分別代表活的和死的金黃色葡萄球菌。圖5C是根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案制造的經(jīng)IOOHz氧PIII&D處理的鈦合金樣品的熒光顯微照片。綠色和紅色標(biāo)志分別代表活的和死的金黃色葡萄球菌。圖6A是未經(jīng)處理的對(duì)照鈦合金樣品的熒光顯微照片。綠色標(biāo)志代表表達(dá)EGFP的小鼠成骨細(xì)胞的活的哺乳動(dòng)物細(xì)胞。圖6B是根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案制造的經(jīng)50Hz氧PIII&D處理的鈦合金樣品的熒光顯微照片。綠色標(biāo)志代表表達(dá)EGFP的小鼠成骨細(xì)胞的活的哺乳動(dòng)物細(xì)胞。圖6C是根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案制造的經(jīng)IOOHz氧PIII&D處理的鈦合金樣品的熒光顯微照片。綠色標(biāo)志代表表達(dá)EGFP的小鼠成骨細(xì)胞的活的哺乳動(dòng)物細(xì)胞。圖7是本發(fā)明的某一實(shí)施方案應(yīng)用的可控釋放機(jī)制的圖示。細(xì)菌蛋白酶在谷氨酸的C端側(cè)分裂肽鍵并使抗菌肽釋放。圖8A是經(jīng)連接分子如APTES并入抗菌肽的鈦合金植入物。圖8B是連接分子APTES的化學(xué)結(jié)構(gòu)。圖8C是用于固定于鈦合金植入物上的抗菌肽的化學(xué)結(jié)構(gòu)。這是并入到本發(fā)明某一實(shí)施方案的可植入金屬表面的最外層上的實(shí)例性肽。圖9是應(yīng)用柵格在底物表面上制造抗菌層的方法的圖示。帶有縱向線的柵格被放置用于覆蓋底物表面(在左邊)。在應(yīng)用PIII&D后，形成抗菌層的線(在右邊)。通過(guò)移動(dòng)?xùn)鸥?，可獲得抗菌基底層和肽層的交替線(應(yīng)用PIII&D和肽的次序可調(diào)換)。發(fā)明詳述本發(fā)明的實(shí)施方案提供一個(gè)或多個(gè)抗微生物層，其能抵抗微生物在材料表面的粘附與增殖。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施，使用等離子體浸漬離子注入和沉積(PIII&D)和加壓水熱處理的表面技術(shù)，和將抗微生物肽固定于材料表面的方法，來(lái)增強(qiáng)材料表面的抗微生物性質(zhì)。為了減少和潛在地消除現(xiàn)存抗微生物技術(shù)的技術(shù)復(fù)雜性，使用如本文實(shí)施方案所述的PIII&D、加壓水熱處理和抗微生物肽涂層制造抗微生物表面，為抑制微生物的粘附和增殖提供了一種替代方案。本發(fā)明的實(shí)施方案提供可控抗微生物和生物相容Ti合金，其能抵抗細(xì)菌粘附和增殖而不損害其生物相容性和原有機(jī)械性質(zhì)。通過(guò)使用表面技術(shù)包括PIII&D、中間連接體形成和將可控釋放抗微生物肽固定于最外表面，本發(fā)明實(shí)施方案的可控抗微生物和生物相容Ti合金可抵抗微生物粘附和增殖。這種特殊鈦合金的醫(yī)學(xué)應(yīng)用可包括但不限于整形外科手術(shù)、心血管和牙科手術(shù)。對(duì)于PIII&D，可將包括離子、電子、自由基、原子和分子的多種源植入到底物表面上，作為基底表面抑制微生物粘附和生長(zhǎng)。這種基底表面能抵抗微生物的附著和生物膜的形成。對(duì)于加壓水熱處理，可將關(guān)注的官能團(tuán)并入到底物表面上，作為另一個(gè)基底表面抵抗微生物粘附和增殖。上述基底表面的相鄰(next to)或頂部的第二層可由抗微生物肽制造和覆蓋。根據(jù)本發(fā)明形成的抗微生物肽涂層起作用使得抗微生物肽的釋放在微生物開(kāi)始附著于表面時(shí)觸發(fā)。相反，負(fù)載了抗生素的表面的常規(guī)釋放機(jī)制是受暴露于體液影響，因此不可控。根據(jù)某一實(shí)施方案，所述抗微生物肽能基于可控方式不同于常規(guī)抗生素起作用，其中抗微生物肽將通過(guò)那些入侵微生物分泌的蛋白或酶而從表面分裂開(kāi)。釋放出的肽則可終止入浸的微生物。該防御機(jī)制相對(duì)長(zhǎng)效并且比常規(guī)方式更穩(wěn)定。該組合機(jī)制可應(yīng)用于由金屬、合金、 陶瓷、聚合物、復(fù)合物和混合材料制成的各種醫(yī)學(xué)植入物，甚至具有不規(guī)則形狀的醫(yī)學(xué)植入物。根據(jù)實(shí)施方案，為可植入Ti合金提供可控抗微生物和生物相容性質(zhì)，用于減少手術(shù)后植入物相關(guān)的細(xì)菌感染。某些具有這些可控性質(zhì)的實(shí)施方案能抵抗手術(shù)后短期和長(zhǎng)期 (6個(gè)月或更長(zhǎng))兩者的感染。應(yīng)注意的是當(dāng)所述底物材料和/或應(yīng)用位置改變時(shí)，可對(duì)表面技術(shù)的源和/或參數(shù)進(jìn)行可選的優(yōu)化。例如，當(dāng)應(yīng)用PIII&D技術(shù)時(shí)，可涉及等離子體源、施加頻率、電壓和植入周期的優(yōu)化。此外，可植入鈦合金的抗微生物能力可涉及PIII&D的源和/或參數(shù)(如等離子體源、施加頻率、電壓和植入周期)的優(yōu)化。所述PIII&D參數(shù)包括使用以下至少一種的等離子體源水、氧、氨、氟、氮、金、銀、銅、碳化硅、銥氧化物、碳和類(lèi)金剛石碳；植入電壓在IkV-IOOkV范圍；頻率在lHz-1，OOOHz范圍和時(shí)間周期在1分鐘-100小時(shí)范圍。在另一實(shí)施方案中，當(dāng)將所述肽固定于材料表面時(shí)，可涉及抗微生物肽的組成、序列和量，和將抗微生物肽和底物連接的連接分子的種類(lèi)的優(yōu)化。例如，當(dāng)將所述肽固定于材料表面時(shí)，抗微生物肽的組成、序列和數(shù)量，和將抗微生物肽和底物連接的連接分子的種類(lèi)也可改變其抗微生物能力。在制造過(guò)程期間還可包括對(duì)生物材料如鈦合金的熱處理和/或輻射處理，以增強(qiáng)這些表面層和合金的抗微生物性質(zhì)。為了更好地理解本發(fā)明，將用經(jīng)PIII&D氧處理的肽合金作為實(shí)例之一，以突出其抗菌性質(zhì)和生物相容性。通過(guò)PIII&D制造的抗微生物基底層位于可植入鈦合金上的抗微生物基底層可通過(guò)使用例如氧、水、氨、氟、氮、金、碳化硅、銥氧化物、碳或類(lèi)金剛石碳，將離子、電子、自由基、原子和分子并入到其表面上而制造。用于修飾所述植入物表面的技術(shù)可包括PIII&D和/或其它處理，如加壓水熱處理。通常，新形成的層具有抗微生物性質(zhì)和生物相容性，從而保護(hù)植入物的金屬表面，免受微生物攻擊，并適應(yīng)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的生長(zhǎng)。
在經(jīng)氧PIII&D處理的鈦合金的某一實(shí)施方案中，鈦合金植入物的材料表面被高密度氧等離子體圍繞，并相對(duì)于其中通過(guò)高壓AC/DC供應(yīng)產(chǎn)生氧等離子體源的槽而偏壓至高負(fù)電勢(shì)。氧等離子體離子跨過(guò)由電磁場(chǎng)在底物(鈦合金植入物)周?chē)纬傻耐鈿?(sheath)得到加速，并植入至底物(鈦合金植入物)表面上。植入離子的劑量和植入層的深度都可通過(guò)調(diào)整等離子體密度、脈沖寬度、施加電壓和重復(fù)頻率而優(yōu)化，以增強(qiáng)其抗微生物性質(zhì)。根據(jù)一個(gè)提供經(jīng)氧PIII&D處理的鈦合金的表面化學(xué)特征的實(shí)施例，用X-射線光電子光譜(XPQ對(duì)元素深度分布進(jìn)行研究，以顯示所述樣品的表面組成。對(duì)于這些樣品，根據(jù)本發(fā)明的某一實(shí)施方案，使用PIII&D技術(shù)，用氧等離子體，對(duì)具有5mm直徑和Imm厚度的經(jīng)拋光和清潔的醫(yī)學(xué)級(jí)鈦Ti-6AI-4V圓盤(pán)進(jìn)行植入。圖1顯示表明本公開(kāi)所述的具體化的氧PIII&D樣品的處理?xiàng)l件的表，而圖2A顯示未經(jīng)處理的鈦樣品的結(jié)果，圖2B顯示經(jīng)50Hz 氧處理的樣品的化學(xué)分布圖，以及圖2C顯示經(jīng)IOOHz氧處理的樣品的化學(xué)分布圖。由圖可知，氧含量富集于鈦合金表面。此外，富氧層的厚度可用植入頻率增大。在相同的實(shí)施例中，經(jīng)處理的鈦表面形態(tài)和粗糙度通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)評(píng)估。未經(jīng)處理和經(jīng)過(guò)處理的樣品的結(jié)果示于圖3A-3C。表面粗糙度可通過(guò)樣品的AFM表面形態(tài)圖的均方根(RMS)值表示。對(duì)照的RMS為40 A，經(jīng)50Hz氧處理的樣品的RMS為22 A, 而經(jīng)IOOHz氧處理的樣品的RMS為24 A。如圖3A-3C所示，可以看到經(jīng)處理的表面比未經(jīng)處理的表面平滑化。特別地，鈦表面的粗糙度在處理后減小。另外，經(jīng)氧PIII&D修飾后，鈦表面上出現(xiàn)特定的表面圖案(波紋狀圖案)。這種波紋狀圖案能幫助減小細(xì)菌粘附和附著。根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)過(guò)特殊處理的鈦合金的抗菌/抗微生物性質(zhì)通過(guò)金黃色葡萄球菌(它在整形外科植入物相關(guān)感染中常見(jiàn))的標(biāo)準(zhǔn)集落生成單位(CFU)計(jì)數(shù)來(lái)表征。粘附在金屬表面上的金黃色葡萄球菌通過(guò)超聲處理分離。分離的細(xì)菌懸浮液的CFU通過(guò)腦心浸液(Brain Heart Infusion, BHI)瓊脂上的表面培養(yǎng)，在37°C培養(yǎng)M小時(shí)后，進(jìn)行測(cè)定。如圖4的圖表所示，在根據(jù)本發(fā)明的PIII&D表面處理后，經(jīng)處理的鈦表面上的細(xì)菌粘附的減少顯著。還可通過(guò)應(yīng)用熒光顯微鏡顯現(xiàn)經(jīng)處理的鈦表面的抗菌/抗微生物性質(zhì)。圖5A-5C 顯示在未經(jīng)處理和經(jīng)過(guò)處理的鈦合金上粘附的細(xì)菌的形態(tài)。將5A與圖5B和5C比較可以容易地看出，經(jīng)氧PIII&D處理的鈦合金成功抑制金黃色葡萄球菌的粘附。此外，關(guān)于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的經(jīng)處理的鈦合金的生物相容性，進(jìn)行了使用表達(dá)EGFP的小鼠成骨細(xì)胞的哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，并通過(guò)應(yīng)用熒光顯微鏡而顯現(xiàn)。圖6A-6C顯示在未經(jīng)處理和經(jīng)過(guò)處理的鈦合金上粘附的哺乳動(dòng)物細(xì)胞的形態(tài)。結(jié)果表明，在培養(yǎng)3天后，和未經(jīng)處理的鈦(圖6A)相比，用50Hz和IOOHz氧等離子體處理(分別為圖6B和6C) 所處理的鈦表面被哺乳動(dòng)物細(xì)胞良好地耐受(tolerate)。在另一實(shí)施方案中，可應(yīng)用加壓水熱處理制造展現(xiàn)抗微生物功能的反應(yīng)性官能團(tuán)。例如，可通過(guò)加壓水熱處理可實(shí)現(xiàn)帶有展現(xiàn)抗微生物功能的其它反應(yīng)性官能團(tuán)如-OxHy(其中χ和y為自然數(shù))的可植入鈦合金。在另一實(shí)施方案中，可用PIII&D在鈦合金表面形成反應(yīng)性官能性胺基(如-NH2)。例如，氮、氧和氨P(pán)III&D可在各種條件(包括植入元素濃度、植入電壓和頻率、處理時(shí)間、和溫度)下進(jìn)行，以在鈦合金表面上形成反應(yīng)性官能性胺基。
然而，所述反應(yīng)性官能團(tuán)層不限于制造抗微生物官能團(tuán)。例如，這些反應(yīng)性官能團(tuán)可作為中間層，以促進(jìn)連接分子如APTES的形成。然后，連接分子可用于在可植入的鈦合金表面上聚集外部抗微生物分子，如殼聚糖和抗微生物肽。這種機(jī)制在以下實(shí)施例中討論?？煽蒯尫趴刮⑴Ｎ镫木哂锌刮⑸镫牡拟伜辖鹂稍诘孜锉砻嫔蠁为?dú)制造、在上述基底層相鄰或頂部制造、或者與其它現(xiàn)有的抗微生物表面技術(shù)如涂布和等離子體噴涂組合而制造。例如，在其最外表面帶有可控釋放抗微生物肽涂層的可植入鈦合金可通過(guò)表面處理如常規(guī)涂布和等離子體噴涂而制造。制造根據(jù)某一實(shí)施方案的經(jīng)等離子體處理的鈦合金上的抗微生物肽，以提供一種可控方式，其中抗微生物肽將通過(guò)那些入浸微生物分泌的蛋白或酶而從底物表面分裂開(kāi)。根據(jù)某一實(shí)施方案，具有抗微生物肽涂層的主題可植入鈦合金具有可控釋放方式?？刮⑸镫膶⒃谧鳛槿虢⑸锏奶囟ㄈ肭治⑸锼置诘牡鞍谆蛎附咏踩胛飼r(shí)， 從鈦表面分裂開(kāi)。然后所釋放的肽可以終結(jié)入浸的微生物。在固定了抗菌肽的鈦合金整形外科植入物的某一實(shí)施方案中，由金黃色葡萄球菌分泌的V8蛋白酶在谷氨酸的C端側(cè)分裂抗菌肽的肽鍵。這種機(jī)制在圖7中說(shuō)明?？咕牡目煽蒯尫艡C(jī)制可用于整形外科、牙科和心血管植入物，以針對(duì)細(xì)菌如金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌、表皮葡萄球菌、都伯林沙門(mén)菌、大腸桿菌、齦紫單胞菌和變異鏈球菌等起作用。為了將抗微生物肽固定到鈦表面上，優(yōu)選首先將反應(yīng)性官能團(tuán)和連接分子并入到金屬底物，以促進(jìn)隨后的肽附著。如上所述，通過(guò)加壓水熱處理(或PIII&D)在鈦底物表面上制造的反應(yīng)性官能團(tuán)也可含有抗微生物功能?；蛘撸@些官能團(tuán)還能作為中間表面促進(jìn)連接分子如APTES的形成，使得抗微生物物質(zhì)如殼聚糖和抗菌肽能聚集在可植入鈦合金表面上。在某一實(shí)施方案中，具有氫氧根官能團(tuán)(-0H)層的可植入鈦合金可通過(guò)將金屬 (鈦合金)浸入過(guò)氧化氫溶液中，繼之以加壓條件下的一系列加熱過(guò)程而制造?？捎玫诙噭┤鐫鈿溲趸c溶液來(lái)提高-OH官能團(tuán)的產(chǎn)率。對(duì)于加壓過(guò)氧化氫處理后帶有-OH官能團(tuán)的那些金屬表面，抗菌/抗微生物肽可通過(guò)應(yīng)用偶聯(lián)劑(連接體)共價(jià)結(jié)合到鈦合金底物表面上的-OH基團(tuán)。例如，3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)可用作偶聯(lián)劑之一。APTES連接體的一端可與鈦合金底物表面上的-OH基團(tuán)連接，而帶有伯胺基的另一端可以與其它連接體和/或抗菌/抗微生物肽連接。在APTES連接體上的胺基可通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)如氧化和碳化容易地轉(zhuǎn)化成其它官能團(tuán)如C00H。圖8A-8C說(shuō)明抗菌/抗微生物肽與鈦合金的連接，其中首先將鈦合金表面用加壓水熱處理進(jìn)行處理，然后連接APTES連接體和戊二酸酐。接著，將抗菌/抗微生物肽并入 APTES連接體或戊二酸酐的自由端。圖8A顯示固定于鈦合金植入物表面上的抗菌/抗微生物肽的實(shí)施方案的化學(xué)結(jié)構(gòu)。圖8B和8C分別顯示APTES分子和抗菌肽的化學(xué)結(jié)構(gòu)。在制造過(guò)程中，可應(yīng)用特定的柵格(或掩模)覆蓋底物的部分區(qū)域以在金屬底物表面制造多種圖案，從而在鈦合金上形成抗菌/抗微生物肽和表面的特定圖案，如圖9所示。在某一實(shí)施方案中，如果在整個(gè)制造過(guò)程中采用具有縱向線的柵格，可得到底物表面上的抗菌基底層和肽層的交替線。本文涉及或引用的所有專(zhuān)利、專(zhuān)利申請(qǐng)、臨時(shí)申請(qǐng)和公開(kāi)物，以它們與本說(shuō)明書(shū)的明確指導(dǎo)不相矛盾的程度，通過(guò)引用整體(包括所有附圖和表格)并入。
應(yīng)理解的是，本文描述的實(shí)施例和實(shí)施方案僅用于說(shuō)明目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)它們將可以想到多種修改或變化，這些包括在本申請(qǐng)的精神和范圍內(nèi)。另外，可將本文公開(kāi)的任何發(fā)明或其實(shí)施方案的任何元素或限制，與任何和/或所有其它元素或限制(單獨(dú)地或以任何組合)或本文公開(kāi)的任何其它發(fā)明或其實(shí)施方案結(jié)合，并且認(rèn)為所有這些結(jié)合是在本發(fā)明范圍內(nèi)，不受它們限制。
權(quán)利要求
1.一種外科手術(shù)植入物，其包含鈦合金，所述鈦合金通過(guò)等離子體處理而修飾并具有置于所述經(jīng)修飾的鈦合金表面的可控釋放抗微生物肽涂層，其中所述經(jīng)修飾的鈦合金的表面和哺乳動(dòng)物細(xì)胞相容。
2.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中所述經(jīng)修飾的鈦合金能抵抗細(xì)菌在其表面附著和生長(zhǎng)。
3.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中鈦合金的原有機(jī)械性質(zhì)不被所述等離子體處理和抗微生物肽涂層改變。
4.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中所述經(jīng)修飾的鈦合金設(shè)置用于整形外科、心血管或牙科手術(shù)的植入。
5.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中等離子體處理方法包括等離子體浸漬離子注入和沉積(PIII&D)，并且PIII&D的參數(shù)包括等離子體源為水、氧、氨、氟、氮、金、銀、銅、 碳化硅、銥氧化物、碳、和類(lèi)金剛石碳的至少一種、植入電壓在IkV-IOOkV范圍、頻率在 IHz-I, OOOHz范圍和持續(xù)時(shí)間在1分鐘-100小時(shí)范圍。
6.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中所述經(jīng)修飾的鈦合金具有波紋狀圖案的表面形貌。
7.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中所述可控釋放抗微生物肽涂層對(duì)抗微生物肽具有可控釋放機(jī)制，其通過(guò)入侵細(xì)菌攻擊而觸發(fā)。
8.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中所述可控釋放抗微生物肽涂層包括具有可分裂機(jī)制的穩(wěn)定的抗微生物肽，所述可分裂機(jī)制由入侵細(xì)菌釋放的蛋白酶而觸發(fā)。
9.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中所述可控釋放抗微生物肽涂層對(duì)以下至少一種有效金色葡萄球菌、綠膿桿菌、表皮葡萄球菌、都伯林沙門(mén)菌、大腸桿菌、齦紫單胞菌和變異鏈球菌。
10.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中所述可控釋放抗微生物肽涂層的抗微生物肽包括陰離子肽、陽(yáng)離子肽、含有半胱氨酸和形成二硫鍵的陰離子和陽(yáng)離子肽、或富有特定氨基酸附著的陽(yáng)離子肽。
11.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，其中所述經(jīng)修飾的鈦合金能抵抗短期和長(zhǎng)期的深組織感染。
12.權(quán)利要求1的外科手術(shù)植入物，還包含經(jīng)等離子體處理的鈦合金表面和抗微生物肽涂層之間的連接分子。
13.權(quán)利要求11的外科手術(shù)植入物，其中所述連接分子包含3-氨丙基三乙氧基硅烷 (APTES)。
14.權(quán)利要求12的外科手術(shù)植入物，其中抗微生物肽從可控釋放抗微生物肽涂層的釋放由所述連接分子的分解而觸發(fā)。
15.權(quán)利要求14的外科手術(shù)植入物，其中連接分子的分解由入侵細(xì)菌觸發(fā)。
16.權(quán)利要求12的外科手術(shù)植入物，還包含由經(jīng)等離子體處理的鈦合金表面上的反應(yīng)性官能團(tuán)形成的中間層，其中所述中間層在形成可控釋放抗微生物肽涂層時(shí)促進(jìn)連接分子在經(jīng)等離子體處理的鈦合金表面上連接并促進(jìn)抗微生物肽聚集。
17.權(quán)利要求16的外科手術(shù)植入物，其中所述反應(yīng)性官能團(tuán)包括經(jīng)等離子體處理的鈦合金表面上的-OH基團(tuán)，其中所述-OH基團(tuán)通過(guò)加壓過(guò)氧化氫處理和一系列加熱過(guò)程而制造。
18.權(quán)利要求16的外科手術(shù)植入物，其中所述反應(yīng)性官能團(tuán)包括經(jīng)等離子體處理的鈦合金表面上的胺基(-NH2)，其中所述胺基通過(guò)氮、氧和氨等離子體浸漬離子注入而制造。
19.權(quán)利要求16的外科手術(shù)植入物，其中所述反應(yīng)性官能團(tuán)包括-OH基團(tuán)，其中連接分子包括APTES，其中所述APTES在一端連接經(jīng)等離子體處理的鈦表面上的-OH基團(tuán)，其中 APTES具有伯胺基團(tuán)的另一端連接另外的連接體和/或抗微生物肽。
20.根據(jù)權(quán)利要求19，其中經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)將APTES另一端的伯胺基團(tuán)轉(zhuǎn)化成第二官能團(tuán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種經(jīng)等離子體處理和用可控釋放抗微生物肽涂布的用于外科手術(shù)植入的鈦合金，其中所述帶有抗微生物性質(zhì)的合金用表面技術(shù)制造，沒(méi)有不利地?fù)p害其生物相容性和原有的機(jī)械性質(zhì)。所述表面技術(shù)在合金上形成抗微生物層，將所述合金植入人體時(shí)，所述抗微生物層能抵抗微生物的粘附和增殖，同時(shí)允許哺乳動(dòng)物細(xì)胞粘附和增殖。在一個(gè)實(shí)施方案中，應(yīng)用PIII&D將離子、電子、自由基、原子或分子并入到鈦合金底物上。可進(jìn)行加壓水熱處理以制得用于抗微生物目的或用于將底物和外部抗微生物分子連接的反應(yīng)性官能團(tuán)。所述鈦合金的最外層包括具有可控釋放機(jī)制的抗菌鈦，其可單獨(dú)制造或與上述基底表面層組合制造。所述可控釋放機(jī)制能抵抗外科手術(shù)后的長(zhǎng)期深組織感染，并在某一實(shí)施方案中包含APTES作為連接分子。
文檔編號(hào)A61L27/22GK102341132SQ201080008828
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者張文智, 朱劍豪, 楊偉國(guó), 楊芷茵, 陸?zhàn)K, 高一村 申請(qǐng)人:港大科橋有限公司, 香港城市大學(xué)