CN101862269A - 再生活性与抗菌性的纳米涂层微孔表面种植体的制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及再生活性与抗菌性的纳米涂层微孔表面种植体的制备，其特征在于：所述的种植体，是以纯钛或钛合金为基体的牙种植体及人工关节医用硬组织植入材料；基体材料表面经微粗化处理、改良仿生液处理、纳米银粒涂层技术处理，形成具再生活性和抗菌性的纳米仿生涂层结构；其中纳米银粒，是一种附着于种植体表面的具有抗菌性和组织修复功能的金属银单质，其粒径为6-50nm；所述的种植体表面经处理诱发形成的纳米涂层晶粒，是富含钙、磷的类骨羟基磷灰石物质；该微纳米仿生涂层种植体具备促骨再生活性和高亲和性，与无涂层材料比，其与骨结合力增加数倍，有效防止种植体松动和脱落现象，是一种既具抗菌性又具再生活性的新型医用植入材料。

Description

再生活性与抗菌性的纳米涂层微孔表面种植体的制备

技术领域

本发明涉及一种具有再生生物活性与抗菌性的纳米仿生涂层微孔表面人工种植体(如牙种植体、人工骨关节种植体)医用材料的制备的技术。

背景技术

生物医用材料(Biomedical Materials)和器械(Biomedical Instruments)是近20年来发展起来的一类高技术新材料，是用于植入人体代替或修复人体组织、器官，增进其生理功能的一类特殊的人工材料和生物器械，并且生物医学材料与产品已经普遍用于健康、治疗和预防等领域。

长久以来，临床上广泛使用各种以金属(如钴、不锈钢、纯钛金属等)，陶瓷或高分子制造的种植体代替材料，但因这些材料在生物活性、生物相容性、生物引导性及与原有活骨的力学匹配性等方面存在各自的缺点，常导致种植体植入后期出现自脱落和松弛现象，现已少用或被淘汰。近年来，国内外对骨(或牙)人工种植体硬组织长期性的替换材料提出了新的要求：植入人体内的生物材料必须长期安全可靠(无炎症反应，不致毒、致癌及致畸)，生物行为及性能与硬组织相近或一致(与骨牙的组成成分及机械性能相匹配)，具有生物活性及骨传导性能(能促骨组织再生、愈合及成骨细胞表达)；材料稳定精确(材料表面特性不被制作和灭菌消毒而影响，易于操作)等等。因此，当今医学材料科学已从短期的潜换和填充发展成为永久性牢固种植，从无生命的填补材料发展进入有活性的再生材料。

最近，学者们一直致力于研究一些生物活性的物质，如蛋白质、多肽、酶和细胞生长因子等固定在纯钛种植体表面，充当临近细胞、机制的配基或受体，使人工种植体表面形成一个能与生物活性相适应的过渡层，力图使种植体材料兼具骨传导和骨诱导双重作用。为研制出新型的生物活性材料，各种方式的材料表面处理技术应运而生。在骨科和口腔科目前最常用的表面改性材料是用羟基磷灰石(Hydroxyapatite HA)，通过物理方法涂层在力学机械性能优异的金属材料上(如钛或钛合金)，使不活性的惰性金属材料表面改性为具有良好的生物活性。

现代假体表面涂层的处理方法很多，金属基体表面涂层生物陶瓷的研究已开展20多年，目前常用认可的方法是等离子喷(plasmaspray)，这种表面处理技术已普遍用在人工关节及牙根种植体上。其中钛基表面制备羟基磷灰石涂层是最常见的一种，与牙和骨组织中无机质结构相似，能与宿主组织直接产生化学作用而致骨性结合，是一种优良的牙和骨缺损替代材料。但单独作为硬组织材料植入人体，存在力学相容性差的缺点，钛及其合金在生物学上是惰性的，强度好，但作为种植体时，其表面会发生侵蚀而导致植入松解。80年代中期自相对独立地利用等离子喷涂技术将羟基磷灰石涂覆于钛表面，制成复合种植体，它结合了两种材料的优点，不仅具备一定的机械强度，而且有良好的生物相容性，植人人体后短期内即可与软硬组织结合，在当时的生物材料学领域被认为是一种具有广阔发展前途的种植体。羟基磷灰石涂层(HA-Coating)的功能作用虽然已在大量的动物实验和临床应用中得到肯定，但是，这种材料的长期应用中逐渐暴露出不少的问题，最近越来越多的报道指出：随着在体内负重的时间延长，这种钛合金表面上HA涂层会引起分离碎裂，微小颗粒从金属上脱落，导致细胞介导的骨质溶解和关节的疏松。研究结果表明，等离子喷涂法所形成的涂层很难均匀，制备工艺过程中温度要求过高，一层薄层的生物活性HA易发生相变脆裂，在冷却过程中，涂层与金属材料之间还会存在较高的残余应力，种植体内后会在体液中产生一定的溶解性，影响涂层的稳定性及寿命。因此，用物理方法制备的涂层材料面临着难以克服的问题，就是喷涂材料和金属材料，以及涂层与宿主组织之间的材料的界面溶合问题。人工关节及牙根种植体的应用中还有许多问题要解决，最突出的问题是解决远期松动，延长人工假体的寿命。

发明内容

本发明的目的是：提出一种具有再生生物活性与抗菌性的纳米仿生涂层微孔表面的复合型种植体(如牙种植体、人工骨关节)医用材料的制备方法，以避免上述的不足。

为实现本发明目的，拟采用以下技术：

本发明涉及一种具有再生生物活性与抗菌性的微纳米仿生涂层微孔表面种植体的制备，其特征在于：所述的种植体，是以纯钛或钛合金为基体的牙种植体及人工骨关节医用硬组织植入材料；基体材料表面经系列的微粗化处理、改良仿生液处理、纳米银粒处理以及诱导蛋白自组装处理，形成具有再生活性和抗菌性的纳米仿生涂层结构；其中纳米银粒，是一种附着于种植体表面的具有广谱抗菌效果和组织细胞修复再生功能的金属银单质，其粒径为6-50nm；所述的种植体表面的纳米涂层晶粒(尺寸＜100nm)，是富含钙、磷的类骨羟基磷灰石物质；该微纳米仿生涂层种植体具备促骨再生活性和高亲和性，与无涂层材料比，其与骨结合力显著增加，有效防止种植体松动和脱落现象，是一种既具抗菌性又具再生活性的新型医用植入材料。

上述的纳米仿生涂层微孔表面种植体的制备方法，其具体步骤如下：

(1)基体表面粗化处理：纯钛板或钛合金板表面打磨微粗化处理，经丙酮、无水乙醇超声清洗(20min左右)，蒸馏水冲洗，干燥，备用；

(2)电解液/仿生液制备：配制碱性钙/磷电解液，其中电解液pH值为10～11，钙/磷离子的摩尔比为3；配制硝酸钙及五氧化二磷仿生液，按照Ca/P比为1.60-1.70之间的任一比值将二者混匀陈化36-48h，备用；

(3)将经上述第(1)步骤处理的纯钛或钛金属试件在配制好的电解液中处理；处理过程中，可在试件的表面观察到无数微小的、明亮的、游动的放电弧光，直到处理结束，电解液温度呈上升趋势，预处理完成后用去离子水清洗；

(4)真空条件下，将经上述第(3)步骤处理后的纯钛或钛金属试件在事先加有纳米银粒(其含量占仿生液总量的2-15％)的仿生液中浸泡处理，诱导钛金属表面蛋白自组装处理，使金属基体表面形成具有再生活性和抗菌性的微纳米涂层结构，取出金属试件，采用紫外辐射对其进行活化和稳定处理；

经过上述系列反应处理：基体表面微粗化处理、碱热处理、纳米银粒结合动态仿生液处理、诱导蛋白自组装处理以及紫外辐射活化和稳定处理等步骤，钛基体表面即可被诱导出富含钙磷(Ga-P)的纳米涂层活性物质，即获得所述的具再生活性与抗菌性的纳米仿生涂层微孔表面种植体。

本发明与现有技术比较的特点：

1.生物活性高，能与体内骨形成生物和化学的紧密结合，在体内生物相融性及稳定性好，与无涂层钛合金相比，该种植体的能促进骨组织再生和早期形成骨性界面，与骨的结合力增加数倍，在形态学和力学上均表现出其优越性；

2.由于采用的是钛或钛合金为基体材料，该惰性材料负载强度高，抗韧性、抗磨损强，机械性能好；

4.与当今的金属材料表面HA物理喷涂技术相比，工艺简化环保，可以在低温下获得仿生涂层材料，微观结构和涂层厚薄易于控制，表面生物活性更加稳定，移植体内可形成特殊的骨-GaP-材料结合界面，发挥“骨传导”作用，该工艺条件优化后的成本比同类产品较大下降，价格定位更加合理；

5.由于经过紫外辐照进行活化和稳定处理，制备过程中无需过高温度和急剧冷却过程，涂层与材料之间无残余应力，种植体内后不影响涂层的稳定性和寿命，无微小颗粒从金属表面脱落的现象，克服了等离子喷涂法面临的难以解决的两种材料界面问题，大大减低植入后的并发症，使体内负重的时间和寿命延长。

6.由于本发明的金属基体在改良仿生液浸泡处理过程中加入了纳米银粒作为有效抗菌剂和促进组织细胞修复因子，因此其制备的产品还具有抗菌效果和组织修复功能，较之现在广泛使用的钛和羟基磷灰石喷涂技术下制备的复合种植体材料比其生物性能更优，避免了植入后周围组织发生炎症的现象。

附图说明

图1为微粗化处理种植体的表面微孔结构扫描电镜图；

图2为加入纳米银粒后的种植体表面仿生纳米涂层结构电镜图。

具体实施方式

本发明涉及一种具有再生活性与抗菌性的纳米仿生涂层微孔表面种植体的制备，其特征在于：所述的种植体，是以纯钛或钛合金为基体的牙种植体、人工骨关节医用硬组织植入材料；基体材料表面经系列的微粗化处理、改良仿生液(内加2-15％的纳米银粒)处理、诱导蛋白自组装处理以及紫外辐射活化与稳定处理，形成具有再生活性和抗菌性的微纳米仿生涂层结构；其中纳米银粒，是一种附着于种植体表面的具有广谱抗菌效果和组织细胞修复再生功能的金属银单质，其粒径为6-25nm；所述的种植体表面的微纳米仿生涂层，是富含钙、磷的类骨羟基磷灰石物质。通过表面粗化的过渡层将钛基体与微纳米涂层有效结合，通过再生生物活性微纳米涂层的促骨再生活性和与组织的高亲和性达到种植体与周边组织紧密整合，与无涂层材料比，其与骨结合力增加数倍，有效防止种植体松动和脱落；此外，通过纳米银粒和仿生液的浸泡处理，该种植体还具有抗菌效果和组织细胞再生修复功能。

本发明涂层处理过程是经紫外照射对纳米仿生晶体膜进行活化和稳定处理的，由于经过紫外辐照进行活化稳定处理，制备过程中无需过高温度和急剧冷却过程，涂层与材料之间无残余应力，种植体内后不影响涂层的稳定性和寿命，无微小颗粒从金属表面脱落的现象，也无等离子喷涂法面临的难以克服的两种材料界面问题。大大减低植入后的并发症，是体内负重的时间和寿命延长。

其具体制备步骤如下：

(1)基体表面粗化处理：纯钛板或钛合金板表面糙化打磨后，丙酮、无水乙醇超声清洗(20min左右)，蒸馏水冲洗，干燥，备用；

(2)电解液/仿生液制备：配制碱性钙/磷电解液，其中电解液pH值为10～11，钙/磷离子的摩尔比为3；配制浓度为0.2mol/L的硝酸钙及五氧化二磷仿生液，并在仿生液中植入抗菌剂，如磷酸锆载银抗菌剂，按照Ca/P比为1.60-1.70之间的任一比值将二者混合，混匀陈化36-48h，备用；

(3)将经上述第(1)步骤处理的纯钛或钛金属试件在配制好的电解液中微弧氧化处理；处理过程中，可在试件的表面观察到无数微小的、明亮的、游动的放电弧光，直到处理结束，电解液温度呈上升趋势，预处理完成后用去离子水清洗；

其工艺要求如下：以钛试件为阳极，不锈钢片为阴极；电压设定为400-500V，频率为800-1000Hz，处理时间为5-10min；

(4)真空条件下，将经上述第(3)步骤处理后的纯钛或钛金属试件在事先加有纳米银粒的仿生液中浸泡处理，其中纳米银粒含量占仿生液总质量的2-15％(此实施例取4％)，浸泡过程中可以诱导钛金属表面蛋白自组装处理，形成金属基体表面的微纳米仿生涂层，然后从溶液中慢慢拉出试件，对微纳米仿生晶体膜涂层采用紫外辐射照射进行活化和稳定处理，因此无需经过高温度和急剧降温过程。

经过上述系列反应处理：基体表面微粗化、碱热处理、纳米银粒结合动态仿生液处理、诱导蛋白自组装处理以及紫外辐照活化和稳定处理等步骤，在钛基体表面即可被诱导出富含钙磷(Ga-P)的再生活性微纳米仿生涂层活性物质，即可获得所述的具有具再生活性与抗菌性的纳米仿生涂层微孔表面种植体。

以下通过具体阐述本发明所采用的纳米银粒在本发明中所体现的抗菌性、组织修复性和安全无毒性。

(1)纳米银粒的抗菌性

建立阳性对照样(无纳米银粒的HDPE培养板)和添加4％纳米银粒的HDPE培养板，分别对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌两种测试菌进行培养测试，培养24小时后检测菌落数，如表1所示。

表1：纳米银粒抗菌效果检测结果

由表1可以看出没有添加纳米银粒的培养基上细菌正常生长并快速繁衍，而添加有纳米银粒的培养基上细菌显著被抑制或杀伤，金黄色葡萄球菌的抗菌率达98.99％；大肠杆菌的抗菌率达99.00％，可见该发明提出的纳米银粒不但具有广谱抗菌效果，而且表现极强的抗菌率。

(2)纳米银粒的修复性

纳米银可促进伤口愈合，促进受损细胞的修复与再生，去腐生肌，抗菌消炎改善创伤周围组织的微循环，有效地激活并促进组织细胞的生长，加速伤口的愈合，减少疤痕的生成。

(3)纳米银粒的毒理性

银物质早在《本草纲目》中被记载：生银，无毒；美国公共卫生局1990年《关于银毒性的调查报告》中说明：银对人体无明显毒副作用；纳米银是局部用药，银含量少，是最安全的用药方式。经试验考察发现小鼠在口服最大耐受量925mg/kg，即相当于临床使用剂量的4625倍时，无任何毒性反应，在兔的皮肤刺激实验中，也没有发现任何刺激反应。因此，纳米银粒是安全无毒的抗菌药。

下面进一步通过对本发明制备的产品(即纳米涂层微孔表面种植体)的性能进行检测，以说明本发明产品所具备的生物优越性。

以扫描电镜(SEM)观察钛金属种植体涂层的表面形貌，以Rigaku D/max-3CX-射线衍射仪(X-ray diffraction，XRD)和X射线能谱分析仪(energydispersive X-rhy analysis，EDX)分析膜层的成分和元素分布。WS-2002涂层附着力自动划痕仪测量其结合力，TR240便携式表面粗糙度仪测量表面粗糙度。

检测结果：

1、钛金属种植体涂层表面形貌、能谱分析及涂层物相分析表明，涂层表面呈现粗糙多孔的结构(如图1所示)，均匀分布孔径大约为5μm微孔，部分微孔间相互交通成网状；纳米涂层中的晶粒尺寸为：＜100nm(如图2所示)；涡流测厚仪示：涂层厚度约为6μm，涂层表面均匀。

2、涂层表面活性观察：在仿生体液中有良好响应，微纳米涂层表面可见最初的涂层已被一层薄的羟基磷灰石覆盖，但该涂层较薄，不致密，仍可见底层钛金属表面的粗糙多孔网状结构，孔径被HA覆盖而变小。

3、微纳米涂层能谱分析，结果发现涂层中元素种类未发生变化，但Ga、P元素明显上升，Ti元素含量明显下降，Ga/P元素比约为1.63。

4、涂层的结合力和粗糙度：检测结果表明，涂层的力学性能与人骨相符，其结合强度适用于人体的承重和负载(＞20Mpa)，涂层表面粗糙度(Ra值)为0.981，涂层与基体的结合力为(32±2.5)N。

5、本发明经纳米银粒浸泡后所制备的种植体不但具有组织修复功能，还具有抗菌效果，其抗菌率达99.00％以上。

分析总结：

钛金属种植体已有50余年的历史，纯钛具有良好的生物相容性，并能在其表面自然形成5～10μm氧化膜。但自然形成的氧化膜与机体结合性能差，表现为生物惰性。因此，纯钛种植体表面改性成为目前植入材料研究的热点。本发明正是针对目前植入材料面临的基体材料与涂层，涂层与组织之间的界面问题进行研究设计，通过改良和优化制备种植体的工艺条件，制备出了具有生物活性和骨组织相容性的纳米涂层结构种植体材料，其与骨的结合力增加数倍，在形态学和力学上均表现出其优越性，并降低了制备的技术难度和成本。体内外实验证明，本发明制备技术下的种植体产品植入体内后，表现出良好的促成骨细胞生成和骨再生的生物活性能力；而且，由于本发明的金属基体浸泡处理过程中加入了纳米银粒作为有效抗菌剂和促组织细胞修复因子，因此其制备的种植体还具有抗菌效能与组织修复功能，较之现在广泛使用的羟基磷灰石喷涂技术下的涂层钛种植体更优，将是一种具有抗菌效果和再生活性的微纳米仿生涂层新型种植体材料。

Claims (4)

1.再生活性与抗菌性的纳米涂层微孔表面种植体的制备，其特征在于：所述的种植体，是以纯钛或钛合金为基体的牙种植体及人工关节医用硬组织植入材料；基体材料表面经系列的微粗化处理、改良仿生液处理、纳米银粒涂层技术处理，形成具有再生活性和抗菌性的微纳米仿生涂层结构。

2.根据权利要求1所述的再生活性与抗菌性的纳米涂层微孔表面种植体，其特征在于：所述的纳米银粒，是一种附着于种植体表面的具有广谱抗菌效果和组织细胞修复再生功能的金属银单质，其粒径为6-50nm。

3.根据权利要求1所述的具再生活性与抗菌性的纳米涂层微孔表面种植体，其特征在于：所述的种植体表面的微纳米涂层，是经处理后在金属种植体表面自然形成的一层均匀薄膜样物质，富含钙、磷的类骨羟基磷灰石，电镜下由多个针尖样、尺寸小于100nm的晶粒构成。

4.根据权利要求1或2或3所述的具再生活性与抗菌性的纳米涂层微孔表面种植体的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)基体表面粗化处理：纯钛板或钛合金板表面打磨微粗化处理，经丙酮、无水乙醇超声清洗，蒸馏水冲洗，干燥，备用；

(2)电解液和仿生液制备：配制碱性钙、磷电解液，其中电解液pH值为10～11，钙/磷离子的摩尔比为3；配制硝酸钙及五氧化二磷仿生液，按照Ca/P比为1.60-1.70之间的任一比值将二者混匀并陈化36-48h，备用；

(3)将经上述第(1)步骤处理的纯钛或钛金属试件在配制好的电解液中处理；处理过程中，在试件的表面观察到无数微小的、明亮的、游动的放电弧光，直到处理结束，电解液温度呈上升趋势，处理完成后用去离子水清洗；

(4)真空条件下，将经上述第(3)步骤处理后的纯钛或钛金属试件在事先加有纳米银粒的仿生液中浸泡处理，诱导钛金属表面蛋白自组装处理，使金属基体表面形成具有再生活性和抗菌性的微纳米仿生涂层结构，取出金属试件，采用紫外辐射对其进行活化和稳定处理；

经过上述系列反应处理：基体表面微粗化处理、碱热处理、纳米银粒结合动态仿生液处理、诱导蛋白自组装处理，以及紫外辐射活化和稳定处理等步骤，钛基体表面即可被诱导出富含钙、磷的微纳米涂层活性薄膜，即获得所述的具再生活性与抗菌性的纳米涂层微孔表面种植体。

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