一種對(duì)醫(yī)用鈦材料表面進(jìn)行改性的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種醫(yī)用鈦材料表面改性的方法以及具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，所述方法為于醫(yī)用鈦材料的表面制備石墨烯薄膜。本發(fā)明在醫(yī)用鈦材料的表面制備一層石墨烯薄膜，相比于未改性醫(yī)用鈦材料，表面生長(zhǎng)石墨烯薄膜能夠明顯提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性和誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化的能力（即成骨活性）。本發(fā)明方法步驟簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
【專利說(shuō)明】
一種對(duì)醫(yī)用鈦材料表面進(jìn)行改性的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種生物材料及其制備方法，特別是涉及一種具有表面改性的醫(yī)用鈦材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物材料是用于人體組織和器官的診斷、修復(fù)或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)材料，即用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料包括金屬材料、無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料三大類；主要用在人身上，對(duì)其要求十分嚴(yán)格。生物材料能執(zhí)行、增進(jìn)或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復(fù)缺陷部位。
[0003]自90年代后期以來(lái)，世界生物材料科學(xué)和技術(shù)迅速發(fā)展，即使在當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)低迷的大環(huán)境下，生物材料依然保持著高速的增長(zhǎng)，充分體現(xiàn)了其強(qiáng)大的生命力和廣闊的發(fā)展前景。
[0004]—般來(lái)說(shuō)，生物材料主要用在人身上，對(duì)其要求十分嚴(yán)格，必須具有四個(gè)特性:
[0005]第一、生物功能性。因各種生物材料的用途而異，如:作為緩釋藥物時(shí)，藥物的緩釋性能就是其生物功能性。
[0006]第二、生物相容性?？筛爬椴牧虾突铙w之間的相互關(guān)系，主要包括血液相容性和組織相容性(無(wú)毒性、無(wú)致癌性、無(wú)熱原反應(yīng)、無(wú)免疫排斥反應(yīng)等)。
[0007]第三、化學(xué)穩(wěn)定性。耐生物老化性(特別穩(wěn)定)或可生物降解性(可控降解)。
[0008]第四、可加工性。能夠成型、消毒(紫外滅菌、高壓煮沸、環(huán)氧乙烷氣體消毒、酒精消毒等)。
[0009]現(xiàn)代醫(yī)學(xué)正向再生和重建被損壞的人體組織和器官、恢復(fù)和增進(jìn)人體生理功能、個(gè)性化和微創(chuàng)治療等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的無(wú)生命的醫(yī)用金屬、高分子、生物陶瓷等常規(guī)材料已不能滿足醫(yī)學(xué)發(fā)展的要求，生物醫(yī)學(xué)材料科學(xué)與工程面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
[0010]醫(yī)用鈦材料是用于制造植入人體內(nèi)的醫(yī)療器件、假體或人工器官和輔助治療設(shè)備的材料。它們具有比強(qiáng)度高、力學(xué)性質(zhì)接近人骨，還具有耐疲勞、耐腐蝕。但是在生物相容性上需要改善。
[0011]鑒于以上所述，提供一種能提高醫(yī)用鈦材料的生物相容性的方法實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種具有表面改性的醫(yī)用鈦材料及制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中醫(yī)用鈦材料的生物相容性較低的問(wèn)題。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，所述方法為于醫(yī)用鈦材料的表面制備石墨烯薄膜。
[0014]作為本發(fā)明的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法的一種優(yōu)選方案，所述醫(yī)用鈦材料包括鈦金屬以及鈦合金的一種。
[0015]作為本發(fā)明的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法的一種優(yōu)選方案，所述石墨烯薄膜用于提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性及誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化的能力。
[0016]作為本發(fā)明的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法的一種優(yōu)選方案，包括步驟:
[0017]1)提供催化金屬-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，于石墨烯薄膜上旋凃光刻膠并進(jìn)行固化，形成催化金屬-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)；
[0018]2)采用腐蝕溶液腐蝕去除催化金屬-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)中的催化金屬；
[0019]3)催化金屬被腐蝕干凈后，使用醫(yī)用鈦材料將石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)從腐蝕溶液中撈出，形成醫(yī)用鈦材料-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)；
[0020]4)將醫(yī)用鈦材料-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)中的光刻膠去除。
[0021]進(jìn)一步地，步驟2)中，采用三氯化鐵溶液腐蝕去除所述催化金屬，步驟4)中，采用丙酮溶液除去所述光刻膠。
[0022]作為本發(fā)明的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法的一種優(yōu)選方案，采用化學(xué)氣相沉積法于醫(yī)用鈦材料表面制備石墨烯薄膜。
[0023]進(jìn)一步地，所述化學(xué)氣相沉積法的生長(zhǎng)溫度為900?1050°C，氬氣流量為1? lOOOsccm，碳源流量為2?50sccm，石墨稀薄膜的生長(zhǎng)時(shí)間為1?200min。
[0024]進(jìn)一步地，所述碳源包括014，(:2112，(:2114及0)氣體或者固態(tài)碳源中的一種或兩種以上組合。
[0025]本發(fā)明還提供一種具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，包括醫(yī)用鈦材料以及結(jié)合于所述醫(yī)用鈦材料表面的石墨烯薄膜。
[0026]作為本發(fā)明的具有表面改性的醫(yī)用鈦材料的一種優(yōu)選方案，所述醫(yī)用鈦材料包括鈦金屬以及鈦合金的一種。
[0027]進(jìn)一步地，所述鈦合金包括鈦鎳合金。
[0028]作為本發(fā)明的具有表面改性的醫(yī)用鈦材料的一種優(yōu)選方案，所述石墨烯薄膜用于提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性及誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化的能力。
[0029]如上所述，本發(fā)明提供一種醫(yī)用鈦材料表面改性的方法以及具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，所述方法為于醫(yī)用鈦材料的表面制備石墨烯薄膜。本發(fā)明在醫(yī)用鈦材料的表面制備一層石墨烯薄膜，相比于未改性醫(yī)用鈦材料，表面生長(zhǎng)石墨烯薄膜能夠明顯提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性和誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化的能力(即成骨活性)。本發(fā)明方法步驟簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1顯示為本發(fā)明的具有表面改性的醫(yī)用鈦材料(醫(yī)用鈦鎳合金-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu))的拉曼光譜曲線圖示意圖。
[0031]圖2顯示為本發(fā)明的醫(yī)用鈦鎳合金-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)以及沒(méi)通過(guò)表面改性的醫(yī)用鈦鎳合金的干細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間及骨鈣蛋白相對(duì)強(qiáng)度柱狀對(duì)比圖。
[0032]圖3顯示為沒(méi)通過(guò)表面改性的醫(yī)用鈦鎳合金培養(yǎng)7天后骨鈣蛋白表達(dá)的陽(yáng)性熒光染色區(qū)示意圖，圖4顯示為本發(fā)明的醫(yī)用鈦鎳合金-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)培養(yǎng)7天后骨鈣蛋白表達(dá)的陽(yáng)性熒光染色區(qū)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0034]請(qǐng)參閱圖1?圖4。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0035]實(shí)施例1
[0036]本實(shí)施例提供一種醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，所述方法為于醫(yī)用鈦材料的表面制備石墨烯薄膜。
[0037]作為示例，所述醫(yī)用鈦材料包括鈦金屬以及鈦合金的一種。
[0038]作為示例，所述石墨烯薄膜用于提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性及誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化的能力。
[0039]在本實(shí)施例中，以醫(yī)用鎳鈦合金為例，于醫(yī)用鎳鈦合金的表面制備石墨烯薄膜包括步驟:
[0040]首先進(jìn)行步驟I)，提供催化金屬-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，于石墨烯薄膜上旋凃光刻膠并進(jìn)行固化，形成催化金屬-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)。
[0041]具體地，包括步驟:
[0042]1-1)將催化金屬-石墨稀薄膜結(jié)構(gòu)放置于旋涂機(jī)，以轉(zhuǎn)速2500r/min旋凃光刻膠30s ；
[0043]1-2)將旋涂完光刻膠的結(jié)構(gòu)放置于熱臺(tái)，在180°C溫度下，固化光刻膠3min，形成催化金屬-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)
[0044]然后進(jìn)行步驟2)，采用腐蝕溶液腐蝕去除催化金屬-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)中的催化金屬。
[0045]具體地，將催化金屬-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)懸浮于三氯化鐵溶液表面，以腐蝕掉所述催化金屬。
[0046]接著進(jìn)行步驟3)，催化金屬被腐蝕干凈后，使用醫(yī)用鎳鈦合金將石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)從腐蝕溶液中撈出，形成醫(yī)用鎳鈦合金-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)。
[0047]具體地，催化金屬被腐蝕干凈后，使用醫(yī)用鎳鈦合金將懸浮于三氯化鐵溶液表面的-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)從三氯化鐵溶液中撈出，形成醫(yī)用鎳鈦合金-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)，然后用氣槍吹干。
[0048]最后進(jìn)行步驟4)，將形成醫(yī)用鎳鈦合金-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)中的光刻膠去除。
[0049]具體地，將醫(yī)用鎳鈦合金-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)置于丙酮溶液中，在80°C溫度下，水浴加熱12h，最后去除光刻膠，從而完成了石墨烯薄膜從催化金屬上轉(zhuǎn)移至醫(yī)用鎳鈦合金的過(guò)程。
[0050]本實(shí)施例還提供一種具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，包括醫(yī)用鈦材料以及結(jié)合于所述醫(yī)用鈦材料表面的石墨烯薄膜。
[0051]作為示例，所述醫(yī)用鈦材料包括鈦金屬以及鈦合金的一種。
[0052]進(jìn)一步地，所述鈦合金包括鈦鎳合金。
[0053]作為示例，所述石墨烯薄膜用于提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性及誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化的能力。
[0054]本實(shí)施例所形成的具有表面改性的醫(yī)用鈦材料的拉曼光譜曲線圖如圖1所示。
[0055]實(shí)施例2
[0056]本實(shí)施例提供一種的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，所述方法為采用化學(xué)氣相沉積法于醫(yī)用鈦材料表面制備石墨烯薄膜。
[0057]作為示例，所述化學(xué)氣相沉積法的生長(zhǎng)溫度為900?1050°C，氬氣流量為1? lOOOsccm，碳源流量為2?50sccm，石墨稀薄膜的生長(zhǎng)時(shí)間為1?200min。
[0058]作為示例，所述碳源包括CH4, C2H2,(:遲4及C0氣體或者固態(tài)碳源中的一種或兩種以上組合。
[0059]本實(shí)施例中，所述石墨烯薄膜的制備條件優(yōu)選為:生長(zhǎng)溫度為1050°C，甲烷流量 20sccm，石墨稀薄膜生長(zhǎng)時(shí)間50min，制備得到的醫(yī)用鎳鈦合金上石墨稀薄膜。
[0060]本實(shí)施例還提供一種具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，包括醫(yī)用鈦材料以及結(jié)合于所述醫(yī)用鈦材料表面的石墨烯薄膜。
[0061]作為示例，所述醫(yī)用鈦材料包括鈦金屬以及鈦合金的一種。
[0062]進(jìn)一步地，所述鈦合金包括鈦鎳合金。
[0063]作為示例，所述石墨烯薄膜用于提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性及誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化的能力。
[0064]實(shí)施例3
[0065]如圖2?圖4所示，本實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具有表面改性的醫(yī)用鈦材料進(jìn)行了生物實(shí)驗(yàn)，包括步驟:
[0066]1)接種細(xì)胞，密度 2.5x 104cell/ml ;
[0067]2)到各培養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)后，用PBS輕柔漂洗2遍，每遍lOmin ;
[0068]3)然后4%多聚甲醛固定；
[0069]4)再用PBS輕柔漂洗2遍，每遍lOmin ;
[0070]5)用溶解在飽和苦味酸中的0.1 %天狼星紅對(duì)細(xì)胞分泌的膠原進(jìn)行染色，染色過(guò)程持續(xù)20h ;
[0071]6)到時(shí)間點(diǎn)后用0.2M的乙酸反復(fù)漂洗試樣直至無(wú)紅顏色析出為止，體式顯微鏡照相；
[0072]7)為了進(jìn)行定量比較，每孔加入500ml的洗脫液(用0.5M氫氧化鈉和甲醇以1: 1的比例配制)，振蕩15min將試樣表面的染料洗脫下來(lái)，在540nm測(cè)其吸光度。
[0073]圖2顯示為本發(fā)明的醫(yī)用鈦鎳合金-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)以及沒(méi)通過(guò)表面改性的醫(yī)用鈦鎳合金的干細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間及骨鈣蛋白相對(duì)強(qiáng)度柱狀對(duì)比圖。
[0074]圖3顯示為沒(méi)通過(guò)表面改性的醫(yī)用鈦鎳合金培養(yǎng)7天后骨鈣蛋白表達(dá)的陽(yáng)性熒光染色區(qū)示意圖，圖4顯示為本發(fā)明的醫(yī)用鈦鎳合金-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)培養(yǎng)7天后骨鈣蛋白表達(dá)的陽(yáng)性熒光染色區(qū)示意圖。
[0075]有圖2?圖4可以看出，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分別接種在醫(yī)用鎳鈦合金表面和表面生長(zhǎng)有石墨烯薄膜的醫(yī)用鎳鈦合金表面3天、7天后發(fā)現(xiàn)，石墨烯薄膜的存在能夠明顯促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞分泌表達(dá)骨鈣蛋白。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，醫(yī)用鈦鎳合金-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)表面上的骨鈣蛋白表達(dá)數(shù)量和醫(yī)用鎳鈦合金表面上的骨鈣蛋白表達(dá)數(shù)量相比均有顯著性差異，如圖2所示；這也可以通過(guò)相應(yīng)的骨鈣蛋白表達(dá)的陽(yáng)性熒光染色區(qū)進(jìn)一步直觀地觀察到和證明，如圖3?圖4所示。
[0076]如上所述，本發(fā)明提供一種醫(yī)用鈦材料表面改性的方法以及具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，所述方法為于醫(yī)用鈦材料的表面制備石墨烯薄膜。本發(fā)明在醫(yī)用鈦材料的表面制備一層石墨烯薄膜，相比于未改性醫(yī)用鈦材料，表面生長(zhǎng)石墨烯薄膜能夠明顯提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性和誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分化的能力(即成骨活性)。本發(fā)明方法步驟簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0077]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，其特征在于，所述方法為于醫(yī)用鈦材料的表面制 備石墨烯薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，其特征在于:所述醫(yī)用鈦材料 包括鈦金屬以及鈦合金的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，其特征在于:所述石墨烯薄膜 用于提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性及誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分 化的能力。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，其特征在于，包括步驟:1)提供催化金屬-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，于石墨烯薄膜上旋凃光刻膠并進(jìn)行固化，形成催 化金屬-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)；2)采用腐蝕溶液腐蝕去除催化金屬-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)中的催化金屬；3)催化金屬被腐蝕干凈后，使用醫(yī)用鈦材料將石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)從腐蝕溶液中 撈出，形成醫(yī)用鈦材料-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)；4)將醫(yī)用鈦材料-石墨烯薄膜-光刻膠結(jié)構(gòu)中的光刻膠去除。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，其特征在于:步驟2)中，采用 三氯化鐵溶液腐蝕去除所述催化金屬，步驟4)中，采用丙酮溶液除去所述光刻膠。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，其特征在于:采用化學(xué)氣相沉 積法于醫(yī)用鈦材料表面制備石墨烯薄膜。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，其特征在于:所述化學(xué)氣相沉 積法的生長(zhǎng)溫度為900?1050°C，氬氣流量為1?lOOOsccm，碳源流量為2?50sccm，石墨 稀薄膜的生長(zhǎng)時(shí)間為1?200min。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的醫(yī)用鈦材料表面改性的方法，其特征在于:所述碳源包括 CH4, C2H2,(:遲4及C0氣體或者固態(tài)碳源中的一種或兩種以上組合。9.一種具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，其特征在于:包括醫(yī)用鈦材料以及結(jié)合于所述醫(yī) 用鈦材料表面的石墨烯薄膜。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，其特征在于:所述醫(yī)用鈦材料 包括鈦金屬以及鈦合金的一種。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，其特征在于:所述鈦合金包 括欽銀合金。12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有表面改性的醫(yī)用鈦材料，其特征在于:所述石墨烯薄膜 用于提高醫(yī)用鈦材料表面的細(xì)胞相容性、生物活性及誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨方向分 化的能力。
【文檔編號(hào)】A61L27/06GK105983132SQ201510064331
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月6日
【發(fā)明人】狄增峰, 王剛, 李金華, 劉宣勇, 陳達(dá), 郭慶磊, 馬駿, 薛忠營(yíng), 張苗
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所