鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)用金屬材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及其合金具有耐蝕性好、化學穩(wěn)定性強、生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于骨科、矯形外科和口腔科等領(lǐng)域。但鈦及其合金屬于生物惰性材料，植入體后不能與宿主骨形成化學結(jié)合，也沒有促進新骨形成的能力，嚴重影響了植入效果；此外，由于鈦及其合金不具備抗菌功能，術(shù)后容易引起細菌感染，從而導致植入失敗。針對上述兩點，需對鈦金屬進行表面生物活化改性，使其具備抗菌與骨組織再生誘導性功能。
[0003]羥基磷灰石(HA)化學成分與人體骨組織及牙齒硬組織的無機成分相似，具備良好的生物活性，在材料表面生物活化改性方面倍受青睞。HA的形態(tài)對其生物活性有較大影響。眾所周知，骨基質(zhì)主要由膠原纖維和生長于其周圍的HA構(gòu)成，成納米纖維形態(tài)，細胞對此結(jié)構(gòu)組態(tài)有著獨特的成骨效應(yīng)。即使是生物惰性材料，細胞在植入材料表面的納米纖維網(wǎng)絡(luò)基面上的附著能力不僅遠強于同質(zhì)致密基面，也強于膠原致密基面；相比于微米形態(tài)，納米形態(tài)表面更有利于細胞的黏附和生長。另一方面，Sr2+，F(xiàn)_作為人體必需微量元素，可以增強骨細胞成骨功能，提高種植體與骨組織的融合能力。此外，氟離子取代羥基磷灰石中的羥基后形成含氟磷灰石，使磷灰石的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定；而且F—具有殺菌作用，能減少細菌的黏附和生長，作為口腔材料時還能起到預(yù)防齲齒的作用。人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(rhBMP-2)隸屬于轉(zhuǎn)錄生長因子β (TGF-β)超家族，具有促進成骨細胞分化、誘導骨組織再生的能力，目前已廣泛應(yīng)用于骨組織工程研宄領(lǐng)域。
[0004]現(xiàn)有的等離子噴涂、磁控濺射、溶膠-凝膠法等技術(shù)可在致密金屬基體表面獲得含鍶氟羥基磷灰石，但得到的含鍶氟羥基磷灰石涂層與基體的結(jié)合強度較低、在種植過程中易剝落；涂層物相不純，存在雜相；而且其不呈納米纖維形態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層及其制備方法和應(yīng)用，該涂層具有高的結(jié)合強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能，同時具有良好的生物活性、成骨功能、及抗菌性能。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0008]I)配制電解液:
[0009]將鈣源、鍶源和磷源溶于水中，混合均勻，配制成電解液；電解液中鈣離子的濃度為0.1?0.4mol/L，鍶離子的濃度為0.05?0.2mol/L，磷酸根離子的濃度為0.02?0.06mol/L ;
[0010]2)微弧氧化:
[0011]以鈦或鈦合金為陽極、不銹鋼為陰極，將鈦或鈦合金以及不銹鋼置于步驟I)配制的電解液中，對鈦或鈦合金進行微弧氧化處理，即在鈦或鈦合金表面得到含鈣、磷和鍶的多孔T12涂層；
[0012]3)含鈣、磷和鍶的多孔1102涂層的水熱處理:
[0013]將含氟溶液注入水熱反應(yīng)釜中，將含鈣、磷和鍶的多孔T12涂層懸掛在含氟溶液上方，在110?180°C下水熱處理20?26h，得到T12/納米纖維狀含鍶氟羥基磷灰石(SrF-HA)雙層結(jié)構(gòu)涂層；其中含氟溶液中氟離子的濃度為0.005?0.04mol/L ；
[0014]4)人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(rhBMP-2)的負載:
[0015]將T12/納米纖維狀含鎖氟輕基磷灰石雙層結(jié)構(gòu)涂層在濃度為0.05?6mg/mL的人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2溶液中浸潤0.5?3h，然后真空干燥，即得到鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層。
[0016]所述鈣源為(CH3COO)2Ca、鍶源為(CH3COO) 2Sr、磷源為 β -C3H7Na2O6P ( β -GP)、含氟溶液為NH4F溶液。
[0017]在對鈦或鈦合金進行微弧氧化處理前先對其進行預(yù)處理，預(yù)處理包括拋光和清洗。
[0018]所述步驟2)在進行微弧氧化處理時，采用直流脈沖電源，正電壓為360?450V、負電壓為50?100V、頻率為100?3000Hz、占空比為15?50%、鈦或鈦合金與不銹鋼的間距為8?10cm，電解液的溫度為5?40°C，微弧氧化處理的時間為5?20min。
[0019]所述步驟3)的水熱反應(yīng)釜中含氟溶液的填充度為10?40%。
[0020]所述步驟4)中真空干燥時的溫度為4°C，壓力為0.0lPa，干燥時間為22?26h。
[0021]鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層的制備方法制得的鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層，該涂層以鈦或鈦合金為基體，由結(jié)合在基體表面的內(nèi)層和結(jié)合在內(nèi)層表面的表層組成，且內(nèi)層與基體之間為連續(xù)界面，其中內(nèi)層為含鈣、磷和鍶的多孔T1Jl，表層為負載有人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的三維納米纖維狀含鍶氟羥基磷灰石(SrF-HA)層。
[0022]該涂層整體為多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為I?4 μπι，其與基體的結(jié)合強度為32.46?36.25Ν。
[0023]所述表層中三維納米纖維狀含鍶氟羥基磷灰石的直徑為50?lOOnm，長度為0.9 ?1.2 μ m0
[0024]鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層作為醫(yī)用種植體表面多功能涂層的應(yīng)用；其中多功能涂層為具有生物活性、生物相容性、成骨功能及抑菌效果的涂層。
[0025]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0026]本發(fā)明提供了一種在鈦基醫(yī)用種植體表面制備具有雙層新型形態(tài)結(jié)構(gòu)的生物活性涂層的方法，該涂層即為本發(fā)明提供的鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層。本發(fā)明的制備方法是先要配制好含有鈣離子、鍶離子和磷酸根離子的電解液；然后以鈦或鈦合金為陽極，不銹鋼為陰極，采用微弧氧化技術(shù)，直接在鈦或鈦合金基體表面制備出含鈣、磷和鍶的多孔T12涂層，然后通過含氟溶液的水熱處理，得到T12/納米纖維狀含鍶氟羥基磷灰石雙層結(jié)構(gòu)涂層，再負載人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2，最終得到鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層。該方法步驟簡單、操作簡便、重復性高、原料易得、價格低廉，適于工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。而且本發(fā)明配制的用于微弧氧化處理的電解液和含氟溶液成分簡單、易于控制、不含易分解成分、工藝穩(wěn)定，有利于涂層的大規(guī)模批量化生產(chǎn)。另外本發(fā)明提供的制備方法對基體材料的形狀沒有特殊要求，可適用于形狀復雜的基體，有效擴大了本發(fā)明的使用范圍。
[0027]本發(fā)明提供的鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層，以鈦或鈦合金為基體，由結(jié)合在基體表面的內(nèi)層和結(jié)合在內(nèi)層表面的表層組成，其中內(nèi)層為含鈣、磷和鍶的多孔T1Jl，表層為負載有人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的三維納米纖維狀含鍶氟羥基磷灰石層。該涂層與基體之間無不連續(xù)界面，具有高的結(jié)合強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在植入使用過程中不易剝落，能夠與基體結(jié)合構(gòu)建出具有良好機械和生物學性能的人體硬組織修復或替換器件。而且該涂層具有良好的生物活性、生物相容性、成骨功能及抗菌性能。該涂層中的含鍶氟羥基磷灰石，與普通羥基磷灰石相比，在模擬體液中的溶解度較小，使磷灰石的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，能夠延長其植入服役年限，為鈦金屬廣泛應(yīng)用于硬組織修復或替代提供可能。且該涂層中的含鍶氟羥基磷灰石中的摻雜元素及其納米形態(tài)和尺寸，均可促進其生物活性，增強其與宿主骨的結(jié)合強度，促進細胞的黏附和生長，利于新骨形成，能夠改善鈦金屬骨的融合能力；氟離子不僅具有抗菌功能，而且沒有細胞毒性，能增強細胞功能，作為口腔植入材料時，氟元素還能減少細菌黏附，防止齲齒；含鍶氟羥基磷灰石的納米形態(tài)能顯著提高人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的負載量，從而使該涂層具備抗菌與骨組織再生誘導性功能。因此本發(fā)明提供的鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層能夠作為醫(yī)用種植體表面的多功能涂層進行廣泛應(yīng)用。
【附圖說明】
[0028]圖1是實施例1所得鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層的表面形貌SEM圖；其中a的放大倍數(shù)為5000倍，b的放大倍數(shù)為100000倍；
[0029]圖2是實施例1所得鈦基表面抗菌與骨組織再生誘導性功能涂層的斷面形貌SEM圖；其中a的放大倍數(shù)為5000倍，b的放大倍數(shù)為100000倍；
[0030]圖3是新西蘭大白兔骨間充質(zhì)干細胞在鈦和實施例1所得功能涂層表面培養(yǎng)不同時間后的MTT(3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2)檢測結(jié)果圖；
[0031]圖4是新西蘭大白兔骨間充質(zhì)干細胞在鈦和實施例1所得功能涂層表面培養(yǎng)不同時間后的胞內(nèi)堿性磷酸酶活性檢測結(jié)果圖；
[0032]圖5是金黃色葡萄球菌在鈦和實施例1所得功能涂層的表面培養(yǎng)24小時后的形貌圖；其中a為鈦，b為實施例1制得的涂層，放大倍數(shù)均為5000倍；
[0033]圖6是鈦和實施例1所得功能涂層植入新西蘭大白兔8周后骨結(jié)合的染色觀察圖，其中圖中間部分的灰色為骨組織，a為鈦，b為實施例1制得的涂層，放大倍數(shù)均為20倍。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述:
[0035]實施例1
[0036]I)預(yù)處理:
[0037]將鈦圓片(尺寸Φ14Χ2ι?πι)依次用 180#、360#、800#、1000#、1500# 砂紙打磨拋光，然后依次用99.5%丙酮、99.7%無水乙醇、去離子水各超聲20min ；
[0038]2)電解液配制:
[0039]將(CH3COO)2Ca、(CH3COO) 2Sr 和 β -C3H7Na2O6P ( β -GP)溶于水中，混合均勻，配制成電解液；電解液中(CH3COO)2Ca的濃度為0.2mol/L，(CH3COO)2Sr的濃度為0.lmol/L，β -GP的濃度為0.02mol/L ；
[0040]3)微弧氧化:
[0041]以鈦片為陽極、不銹鋼為陰極，采用直流脈沖電源，在正電壓380伏特、負電壓50伏特、頻率150赫茲、占空比25%、陰陽極板間距9厘米、電解液溫度10°C的條件下對鈦片進行5分鐘