專利名稱：具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)用材料領(lǐng)域，涉及一種功能化鈦材的制備方法。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金具有與人骨近似的彈性模量、優(yōu)良的耐蝕性、良好的生物相容性和加工性能，自70年代開始就作為植入材料被廣泛應(yīng)用于牙科植入體、人工關(guān)節(jié)及牙齒植入支架等。細(xì)菌感染是生物材料植入失敗最常見的原因之一。如果受到嚴(yán)重感染，就需要取出植入體并重新手術(shù)。因此，理想的植入體不僅需要良好的生物相容性，而且需要持久的抗菌性能。既往研究結(jié)果顯示，合適的納米管管徑和管長(zhǎng)可以促進(jìn)細(xì)胞功能；二氧化鈦納米管在加載抗生素后具有良好的抗菌性能，但由于抗生素的快速釋放，不能達(dá)到持久的抗菌效果；二氧化鈦納米管在加載銀納米顆粒后具有比較持久的抗菌能力，但對(duì)細(xì)胞有一定毒性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材及其制備方法，操作過程簡(jiǎn)單，無需特殊設(shè)備，制備成本低，所得產(chǎn)品具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好的生物相容性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案
1.具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，包括以下步驟
a.將鈦材清洗得到潔凈的金屬表面；
b.采用陽極氧化法在步驟a得到的鈦材表面形成規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列；
c.用銀鹽溶液通過旋涂的方式處理步驟b得到的鈦材，使銀鹽進(jìn)入二氧化鈦納米管內(nèi)，再通過高溫加熱使進(jìn)入二氧化鈦納米管內(nèi)的銀鹽分解形成銀納米顆粒；
d.將步驟C得到的鈦材表面用紫外光照射廣3小時(shí)，再在鈦材表面滴加二甲基十八烷基[3_(三甲氧基硅基)丙基]氯化銨(QAS)溶液，加熱處理形成QAS修飾層，即得具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材。優(yōu)選的，所述步驟a是將鈦材依次用丙酮、異丙醇和甲醇超聲清洗1(Γ20分鐘，再用水清洗2、次，干燥備用。優(yōu)選的，所述步驟b是以步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，用濃度為 0.25、.30 mol/L、以體積比為1 1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液， 在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)3(Γ60分鐘；處理后的鈦材清洗、干燥備用。更優(yōu)選的，所述步驟b是用濃度為0. 27mol/L、以體積比為1 1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)30分鐘。優(yōu)選的，所述步驟c是用飽和濃度的銀鹽溶液通過旋涂的方式處理步驟b得到的鈦材，旋涂次數(shù)為10 30次，每次先以450 550轉(zhuǎn)/分鐘旋涂15 30秒，再以1000 2000轉(zhuǎn)/分鐘旋涂1(Γ20秒；處理后的鈦材清洗、干燥，再在47(T550°C、惰性氣體保護(hù)條件下加熱 2、小時(shí)，冷卻備用。更優(yōu)選的，所述步驟c是用濃度為lmol/L的硝酸銀溶液進(jìn)行旋涂，旋涂次數(shù)為30 次，每次先以450轉(zhuǎn)/分鐘旋涂18秒，再以1500轉(zhuǎn)/分鐘旋涂12秒；處理后的鈦材清洗、 干燥后，在500°C、氬氣保護(hù)條件下加熱3小時(shí)。優(yōu)選的，所述步驟d是將步驟c得到的鈦材表面用紫外光照射廣3小時(shí)，再在鈦材表面滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. Γ0. 6%的QAS溶液，80°C加熱16-M小時(shí)，即得具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材。更優(yōu)選的，所述步驟d是將步驟c得到的鈦材表面用紫外光照射2小時(shí)，再在鈦材表面滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%的QAS溶液，80°C加熱20小時(shí)。2.采用上述制備方法制得的產(chǎn)品即為具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材。上述制備方法中，步驟b采用陽極氧化法制備二氧化鈦納米管陣列。在陽極氧化過程中，諸多因素可以影響納米管陣列的形成，例如電解液體系、氧化電壓等，不同制備條件可能得到具有不同形貌特征的納米管陣列。本發(fā)明對(duì)電解液體系進(jìn)行了考察，包括氟化銨丙三醇體系，氫氟酸水體系和氟化銨丙三醇/水(體積比為1:1)體系。結(jié)果顯示，用氟化銨丙三醇體系制備相同管徑管長(zhǎng)的二氧化鈦納米管陣列，需要較長(zhǎng)時(shí)間和較高電壓；用氫氟酸水體系制備二氧化鈦納米管陣列，納米管陣列的形貌難以控制；而用氟化銨丙三醇 /水(體積比為1:1)體系制備二氧化鈦納米管陣列，通過改變氧化電壓等途徑可以較容易地控制納米管的管徑管長(zhǎng)；因此，本發(fā)明的電解液體系優(yōu)選氟化銨丙三醇/水(體積比為1:1)體系。氟化銨的濃度會(huì)影響所生成的二氧化鈦納米管的形態(tài)，研究表明，采用濃度為0. 25、. 30特別是0. 27 mol/L的氟化銨電解液，所制得的二氧化鈦納米管具有良好的形態(tài)。本發(fā)明還對(duì)氧化電壓進(jìn)行了考察，分別為5、10、15、20、25、30、40V。結(jié)果顯示，氧化電壓小則生成的二氧化鈦納米管的管徑小，不利于銀納米顆粒的加載，隨著氧化電壓的升高，二氧化鈦納米管的管徑增大，當(dāng)氧化電壓大于40V時(shí)，二氧化鈦納米管被破壞，因此，本發(fā)明優(yōu)選氧化電壓為30V。步驟c通過旋涂法將銀鹽溶液添加到二氧化鈦納米管內(nèi)。旋涂法可依靠納米管本身多孔管狀結(jié)構(gòu)的毛細(xì)現(xiàn)象和銀鹽溶液本身的重力作用，使銀鹽進(jìn)入納米管內(nèi)部，并且利用旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力使銀鹽在管體中分布均勻。影響銀鹽在管體中分布的主要因素有銀鹽溶液濃度、旋涂次數(shù)和旋涂速度等。為了能夠有效地加載銀納米顆粒到二氧化鈦納米管內(nèi)，本發(fā)明的銀鹽溶液濃度優(yōu)選為飽和濃度。在一定數(shù)值范圍內(nèi)，旋涂次數(shù)越多，進(jìn)入管體內(nèi)部的銀鹽越多。旋涂速度太慢產(chǎn)生的離心力不夠，如果剛開始時(shí)旋涂速度很快，銀鹽會(huì)被甩出而不能很好的加載到納米管內(nèi)。本發(fā)明的研究結(jié)果顯示，采用高濃度銀鹽溶液，先用較低速度再用較高速度旋涂，旋涂較多次數(shù)，才能有效加載銀鹽到二氧化鈦納米管內(nèi)(圖1)。步驟d先通過紫外燈照射增加鈦材表面的化學(xué)活性基團(tuán)，再滴加QAS溶液，使其在加熱處理?xiàng)l件下與鈦材表面的化學(xué)活性基團(tuán)反應(yīng)，最終在鈦材表面形成QAS修飾層。QAS溶液濃度太低，會(huì)使鈦材表面不能被QAS完全覆蓋，進(jìn)而影響抗菌效果；QAS溶液濃度過高，則 QAS除部分接枝到鈦材表面外，QAS分子間還會(huì)發(fā)生自身反應(yīng)，形成不必要的浪費(fèi)。本發(fā)明研究顯示，QAS溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為0. 4^0. 6%，更優(yōu)選為0. 5%。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明首先通過陽極氧化法在鈦材表面生成高度規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列，然后通過旋涂法將銀鹽溶液添加到二氧化鈦納米管內(nèi)，高溫加熱使銀鹽在納米管內(nèi)分解形成銀納米顆粒，最后用季銨鹽QAS修飾材料表面，制得了一種同時(shí)具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材，制備方法簡(jiǎn)單，無需特殊設(shè)備，制備成本低。


圖1為不同條件下二氧化鈦納米管內(nèi)銀加載的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖，其中A為低濃度銀鹽、低速-高速旋涂，B為高濃度銀鹽、較少旋涂次數(shù)，C為高濃度銀鹽、高速旋涂，D為高濃度銀鹽、低速-高速旋涂。圖2為經(jīng)過不同處理的鈦材表面的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖，其中A為未處理鈦材，B為 “二氧化鈦納米管”俯視圖，C為“二氧化鈦納米管”截面圖，D為“二氧化鈦納米管@銀”俯視圖，E為“二氧化鈦納米管@銀”截面圖(箭頭指示了在二氧化鈦納米管內(nèi)的銀納米顆粒)， F為“二氧化鈦納米管@銀ms，，俯視圖。圖3為經(jīng)過不同處理的鈦材表面的能譜分析圖，其中A為“二氧化鈦納米管”，B為 “二氧化鈦納米管@銀”，C為“二氧化鈦納米管@銀0QAS”。圖4為大鼠成骨細(xì)胞在經(jīng)過不同處理的鈦材表面的活性，其中*表示與未處理鈦材比較p<0. 05，**表示與未處理鈦材比較p<0. 01，#表示與“二氧化鈦納米管”比較p<0. 05， &表示與“二氧化鈦納米管@銀”比較P<0. 05，&&表示與“二氧化鈦納米管@銀”比較p<0. 01。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例1.具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備
a.鈦材的預(yù)處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C干燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構(gòu)建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合溶液溶解，制成濃度為0. 27mol/L的氟化銨溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)30分鐘；處理后的鈦材用水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管”；
c.銀納米顆粒的加載將步驟b得到的鈦材固定在旋涂機(jī)(spin-coater)上，在鈦材表面滴加濃度為lmol/L的硝酸銀溶液，每次20 μ L，先以450轉(zhuǎn)/分鐘旋涂18秒，再以1500 轉(zhuǎn)/分鐘旋涂12秒，重復(fù)旋涂30次；處理后的鈦材用水清洗5次，室溫干燥，再在500°C、 氬氣保護(hù)條件下加熱3小時(shí)，冷卻備用；所得鈦材簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管@銀”；
d.季銨鹽的修飾將步驟c得到的鈦材表面用紫外光照射2小時(shí)，再在鈦材表面滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%的QAS溶液20 μ L，80°C加熱20小時(shí)，即得具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材，簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管@銀0QAS”。上述各步驟處理后所得鈦材表面的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖如圖2所示，可見經(jīng)步驟b 處理后，在鈦材表面形成了豎直排列、規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列，其中二氧化鈦納米管的管徑約llOnm，管長(zhǎng)約900nm ；經(jīng)步驟c處理后，加載的銀納米顆粒有小部分存在于納米管的表面和管與管之間，大部分存在于二氧化鈦納米管內(nèi)部；經(jīng)步驟d處理后，二氧化鈦納米管被QAS部分覆蓋。上述各步驟處理后所得鈦材表面的能譜分析圖如圖3所示，可見與步驟b處理后的鈦材相比，步驟c處理后的鈦材含有約5%的銀元素，說明步驟c在二氧化鈦納米管內(nèi)部有效地加載了銀納米顆粒，而步驟d處理后的鈦材中硅、氮和氯元素的含量明顯增加，說明在“二氧化鈦納米管@銀”材料表面成功修飾了 QAS。實(shí)施例2.具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備
a.鈦材的預(yù)處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C干燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構(gòu)建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合溶液溶解，制成濃度為0. 25mol/L的氟化銨溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)45分鐘；處理后的鈦材用水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管”；
c.銀納米顆粒的加載將步驟b得到的鈦材固定在旋涂機(jī)(spin-coater)上，在鈦材表面滴加濃度為lmol/L的硝酸銀溶液，每次20 μ L，先以500轉(zhuǎn)/分鐘旋涂30秒，再以1000 轉(zhuǎn)/分鐘旋涂20秒，重復(fù)旋涂20次；處理后的鈦材用水清洗5次，室溫干燥，再在500°C、 氬氣保護(hù)條件下加熱3小時(shí)，冷卻備用；所得鈦材簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管@銀”；
d.季銨鹽的修飾將步驟c得到的鈦材表面用紫外光照射3小時(shí)，再在鈦材表面滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 6%的QAS溶液20 μ L，80°C加熱M小時(shí)，即得具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材，簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管@銀0QAS”。實(shí)施例3.具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備
a.鈦材的預(yù)處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C干燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構(gòu)建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合溶液溶解，制成濃度為0. 30mol/L的氟化銨溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)60分鐘；處理后的鈦材用水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管”；
c.銀納米顆粒的加載將步驟b得到的鈦材固定在旋涂機(jī)(spin-coater)上，在鈦材表面滴加濃度為lmol/L的硝酸銀溶液，每次20 μ L，先以550轉(zhuǎn)/分鐘旋涂15秒，再以2000 轉(zhuǎn)/分鐘旋涂10秒，重復(fù)旋涂10次；處理后的鈦材用水清洗5次，室溫干燥，再在500°C、 氬氣保護(hù)條件下加熱3小時(shí)，冷卻備用；所得鈦材簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管@銀”；
d.季銨鹽的修飾將步驟c得到的鈦材表面用紫外光照射1小時(shí)，再在鈦材表面滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4%的QAS溶液20 μ L，80°C加熱16小時(shí)，即得具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材，簡(jiǎn)稱為“二氧化鈦納米管@銀0QAS”。實(shí)驗(yàn)例1.具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材對(duì)大腸桿菌的抑制能力
取實(shí)施例1經(jīng)過不同處理后得到的“二氧化鈦納米管”、“二氧化鈦納米管@銀”和“二氧化鈦納米管@銀0QAS”以及按照實(shí)施例1步驟a、b、d處理得到的“二氧化鈦納米管0QAS”材料，用紫外光照射2小時(shí)殺菌，在材料表面滴加大腸桿菌懸液40 μ L，分別于37°C培養(yǎng)1、 7、21和30天，然后用無菌水4mL強(qiáng)烈振蕩洗滌5分鐘，洗下粘附在材料表面的細(xì)菌，取洗滌液100 μ L涂抹平板，37°C培養(yǎng)M小時(shí)，計(jì)數(shù)菌落并計(jì)算抗菌效率。結(jié)果見表1，“二氧化鈦納米管@銀”和“二氧化鈦納米管@銀ms，，這兩種材料都具有長(zhǎng)效抗菌性能，而隨著銀的釋放消耗殆盡，“二氧化鈦納米管ms，，材料仍然具有良好的抗菌能力。
表1經(jīng)過不同處理的鈦材對(duì)大腸桿菌的抑制能力
權(quán)利要求
1.具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a.將鈦材清洗得到潔凈的金屬表面；b.采用陽極氧化法在步驟a得到的鈦材表面形成規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列；c.用銀鹽溶液通過旋涂的方式處理步驟b得到的鈦材，使銀鹽進(jìn)入二氧化鈦納米管內(nèi)，再通過高溫加熱使進(jìn)入二氧化鈦納米管內(nèi)的銀鹽分解形成銀納米顆粒；d.將步驟C得到的鈦材表面用紫外光照射廣3小時(shí)，再在鈦材表面滴加二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化銨即QAS溶液，加熱處理形成QAS修飾層，即得具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟a是將鈦材依次用丙酮、異丙醇和甲醇超聲清洗1(Γ20分鐘，再用水清洗2、次，干燥備用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟b是以步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，用濃度為 0. 25、. 30mol/L、以體積比為1:1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)3(Γ60分鐘；處理后的鈦材清洗、干燥備用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟b是用濃度為0. 27mol/L、以體積比為1:1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)30分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟c是用飽和濃度的銀鹽溶液通過旋涂的方式處理步驟b得到的鈦材，旋涂次數(shù)為10 30次，每次先以450 550轉(zhuǎn)/分鐘旋涂15 30秒，再以1000 2000轉(zhuǎn)/分鐘旋涂1(Γ20秒；處理后的鈦材清洗、干燥，再在47(T550°C、惰性氣體保護(hù)條件下加熱2、 小時(shí)，冷卻備用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟c是用濃度為lmol/L的硝酸銀溶液進(jìn)行旋涂，旋涂次數(shù)為30次， 每次先以450轉(zhuǎn)/分鐘旋涂18秒，再以1500轉(zhuǎn)/分鐘旋涂12秒；處理后的鈦材清洗、干燥后，在500°C、氬氣保護(hù)條件下加熱3小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟d是將步驟c得到的鈦材表面用紫外光照射廣3小時(shí)，再在鈦材表面滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. Γ0. 6%的QAS溶液，80°C加熱16-M小時(shí)，即得具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟d是將步驟c得到的鈦材表面用紫外光照射2小時(shí)，再在鈦材表面滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%的QAS溶液，80°C加熱20小時(shí)。
9.采用權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述制備方法制得的具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材。
全文摘要
本發(fā)明首先通過陽極氧化法在鈦材表面生成高度規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列，然后通過旋涂法將銀鹽溶液添加到二氧化鈦納米管內(nèi)，高溫加熱使銀鹽在納米管內(nèi)分解形成銀納米顆粒，最后用季銨鹽QAS修飾材料表面，制得了一種同時(shí)具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的醫(yī)用鈦材，制備方法簡(jiǎn)單，無需特殊設(shè)備，制備成本低。
文檔編號(hào)B05D3/00GK102525827SQ201210015428
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者方佳佳, 來敏, 蔡開勇, 陳秀勇 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)