CN105803428A - 在多孔纯钛表面制备具有抑菌作用掺锌纳米结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在纯钛表面制备具有抑菌作用的生物活性纳米结构的方法，包括以下步骤：喷砂酸蚀纯钛表面、水热反应处理。所制备的喷砂酸蚀钛表面通过水热处理之后，在原有微米级表面结构的基础上生成了一层掺锌纳米颗粒，形成微纳复合结构。同时，该掺锌纳米结构形貌可通过改变水热反应的时间和浓度来进行调控，该表面具有更好的生物活性，可用于骨科及口腔科骨钉和种植体的使用。

Description

在多孔纯钛表面制备具有抑菌作用掺锌纳米结构的方法
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，尤其涉及一种在多孔纯钛表面制备具有抑菌作用掺锌纳米结构的方法。
背景技术
金属钛由于其较低的弹性模量，较好的抗腐蚀性及良好的生物相容性，而作为骨内植入体被广泛应用于骨科、口腔科等领域。与上个世纪中期相比，现代口腔种植的成功率已经有了大幅度的提高。然而，对于吸烟、牙周病和糖尿病患者，种植体的失败率仍然较高。其中失败的原因，很大程度上归因于骨整合的失败。种植体的设计被认为是获得成功骨整合的决定性因素之一，增加种植体表面直接接触的骨量也是学者们致力研究的方向。目前，临床应用较广泛种植体都是粗糙表面具螺纹的钛基种植体，其中最有代表性的就是经过喷砂酸蚀而形成的具微米结构粗糙表面种植体。具有微米结构的钛表面不仅可以提高种植体与骨组织之间的结合强度,而且能促进成骨前体细胞分化、成熟。然而，与其他生物材料相比，微米结构钛表面在促进骨结合方面仍有一些限制。伴随着细胞分化的促进，细胞增殖能力受到了一定程度的抑制。最新的研究显示，纳米结构可以改变材料表面的化学能和亲水性，从而影响表面蛋白的吸附、细胞的黏附等生物学行为，影响细胞与材料的交互作用，最终影响骨整合。因此，在种植体表面制备一定的纳米结构，可促进骨整合。然而，与微米结构相比，单纯的纳米结构在骨-种植体接触面积、界面应力分布方面存在不足。因此，相比与单纯的微米或纳米结构，研究发现微纳复合结构钛表面能进一步促进成骨细胞的增殖、分化,从而提高早期骨整合。
除了对种植体表面进行改性处理以提高种植体的骨整合，研究种植体表面的抑菌性能也十分重要。Anitua等人认为，骨整合的失败可能与细菌的感染有关。临床研究表明种植失败的主要原因之一便是种植体周围炎，而种植体周围炎与细菌的感染密不可分。由于种植体周围炎治疗方法的损伤性和局限性，预防才是首选。因此，如何较好地抑制细菌的感染从而预防种植体周围炎症的发生成为关键。
目前种植体表面的改性研究大部分为提高种植体-骨的结合，表面抗菌性能的研究较少，而将两者结合起来的更少。锌是人体必需的微量元素之一。研究表明，适当剂量的锌离子对细胞的生长具有积极的作用。Liu等人发现掺锌种植体通过锌离子来刺激骨生长方面具有巨大潜力。此外，锌还具有抑菌作用。Kumar等人开发了壳聚糖水凝胶/纳米氧化锌复合材料，发现其具有良好抗菌性能。因此，制备一个可以稳定释放锌元素，促进种植体-骨的结合并能获得一定的抑菌作用的种植体表面是研究的关键所在。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种在多孔纯钛表面制备具有抑菌作用掺锌纳米结构的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种在多孔纯钛表面制备具有抑菌作用掺锌纳米结构的方法，包括以下步骤：
(1)对纯钛表面进行喷砂酸蚀处理；
(2)将步骤(1)处理后的纯钛进行含锌溶液水热反应处理，含锌溶液反应浓度为0.1-0.5mol/L，时间10分钟-2小时；
(3)将步骤(2)浸泡后的纯钛用蒸馏水清洗，氮气吹干，在纯钛表面得到具有抑菌作用的纳米结构。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、本发明所得到微纳复合结构钛表面通过低温水热反应获得，节能环保，操作简单；
2、本发明所制备的纳米结构在电镜下呈现出约10-50nm直径大小的纳米结构，大大提高了钛片的比表面积，纳米结构的存在有利于钛表面与细胞间的早期反应；
3、本发明通过改变水热反应的时间和浓度可以调控钛片纳米结构形貌。
附图说明
图1是本发明实施例1、2、3所制得微纳复合结构及传统喷砂酸蚀钛片的低倍扫描电镜图；
图2是本发明实施例1、2、3所制得微纳复合结构及传统喷砂酸蚀钛片的高倍扫描电镜图；
图3是MC3T3-E1细胞在不同纯钛上培养4h后的荧光显微镜图；
图4是MC3T3-E1细胞在不同纯钛上培养1天、4天和7天后的细胞增殖情况对比图；
图5是金黄色葡萄球菌在不同纯钛上培养1天、3天、7天和14天后的细菌生长情况对比图；
图6是牙龈卟啉单胞菌在不同纯钛上培养1天、3天、7天和14天后的细菌生长情况对比图。
具体实施方式
本发明在传统喷砂酸蚀钛表面基础上，通过水热处理的方式，在其原有微米级孔洞表面制备出了掺锌纳米结构。具体步骤如下：
(1)对纯钛表面进行喷砂酸蚀处理，形成微米级的孔洞结构；
(2)将步骤(1)处理后的纯钛进行含锌溶液水热反应处理，含锌溶液反应浓度为0.1-0.5mol/L，时间10分钟-2小时；
(3)将步骤(2)浸泡后的纯钛用蒸馏水清洗，氮气吹干，在纯钛表面得到具有抑菌作用的纳米结构。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种纯钛表面制备具有抑菌作用生物活性纳米结构的方法，包括以下步骤：
(1)对纯钛表面进行喷砂酸蚀处理：钛表面经喷砂后放入0.11mol/LHF和0.09mol/LHNO3混合溶液中室温处理10分钟，超声清洗，60℃干燥10分钟后放入5.80mol/LHCl和8.96mol/LH2SO4混合液中，80℃环境下酸蚀30分钟，然后用蒸馏水超声洗净，在纯钛表面形成微米级的孔洞结构，如图1、2所示，图1D是放大1×104的扫描电镜图，图2D是放大1×105的扫描电镜图；
(2)将步骤(1)处理后的纯钛进行含锌溶液水热反应处理，含锌溶液反应浓度为0.1mol/L，时间10分钟；
(3)将步骤(2)浸泡后的纯钛用蒸馏水清洗，氮气吹干，在纯钛表面得到具有生物活性的纳米结构。其构成成分为ZnO，如图1、2所示，图1A是放大1×104的扫描电镜图，图2A是放大1×105的扫描电镜图。
实施例2：
一种纯钛表面制备具有抑菌作用生物活性纳米结构的方法，包括以下步骤：
(1)对纯钛表面进行喷砂酸蚀处理：钛表面经喷砂后放入0.11mol/LHF和0.09mol/LHNO3混合溶液中室温处理10分钟，超声清洗，60℃干燥10分钟后放入5.80mol/LHCl和8.96mol/LH2SO4混合液中，80℃环境下酸蚀30分钟，然后用蒸馏水超声洗净，在纯钛表面形成微米级的孔洞结构，如图1、2所示，图1D是放大1×104的扫描电镜图，图2D是放大1×105的扫描电镜图；
(2)将步骤(1)处理后的纯钛进行含锌溶液水热反应处理，含锌溶液反应浓度为0.1mol/L，时间2小时；
(3)将步骤(2)浸泡后的纯钛用蒸馏水清洗，氮气吹干，在纯钛表面得到具有生物活性的纳米结构。其构成成分为ZnO，如图1、2所示，图1B是放大1×104的扫描电镜图，图2B是放大1×105的扫描电镜图。
实施例3：
一种纯钛表面制备具有生物活性纳米结构的方法，包括以下步骤：
(1)对纯钛表面进行喷砂酸蚀处理：钛表面经喷砂后放入0.11mol/LHF和0.09mol/LHNO3混合溶液中室温处理10分钟，超声清洗，60℃干燥10分钟后放入5.80mol/LHCl和8.96mol/LH2SO4混合液中，80℃环境下酸蚀30分钟，然后用蒸馏水超声洗净，在纯钛表面形成微米级的孔洞结构，如图1、2所示，图1D是放大1×104的扫描电镜图，图2D是放大1×105的扫描电镜图；
(2)将步骤(1)处理后的纯钛进行含锌溶液水热反应处理，含锌溶液反应浓度为0.5mol/L，时间2小时；
(3)将步骤(2)浸泡后的纯钛用蒸馏水清洗，氮气吹干，在纯钛表面得到具有生物活性的纳米结构。其构成成分为ZnO，如图1、2所示，图1C是放大1×104的扫描电镜图，图2C是放大1×105的扫描电镜图。
将MC3T3-E1细胞在实施例1-3制备得到的钛表面以及传统喷砂酸蚀后的钛表面进行培养，培养4h后各组钛表面细胞形态的荧光显微镜图如图3所示，其中图3A为MC3T3-E1细胞在实施例1制备得到的钛表面上培养4h后的荧光显微镜图；图3B为MC3T3-E1细胞在实施例2制备得到的钛表面上培养4h后的荧光显微镜图；图3C为MC3T3-E1细胞在实施例3制备得到的钛表面上培养4h后的荧光显微镜图；图3D为MC3T3-E1细胞在传统喷砂酸蚀后的钛表面上培养4h后的荧光显微镜图；由图3可知，本发明所得的具有生物活性纳米结构的纯钛表面更利于细胞的早期粘附。
将MC3T3-E1细胞在实施例1-3制备得到的钛表面以及传统喷砂酸蚀后的钛表面进行培养，分别培养1天、4天和7天，用AlarmaBlue细胞增殖检测法检测各组钛表面的细胞增殖情况，如图4所示；由图4可知，本发明所得的具有生物活性纳米结构的纯钛表面更利于细胞的增殖，表现出更好的生物活性。
将金黄色葡萄球菌在实施例1-3制备得到的钛表面以及传统喷砂酸蚀后的钛表面进行培养，分别培养1天、3天、7天和14天，观察细菌在不同钛片表面的生长情况，如图5所示；由图5可知，本发明所得的具有生物活性纳米结构的纯钛表面可抑制金黄色葡萄球菌的生长，表现出抑菌作用。
将牙龈卟啉单胞菌在实施例1-3制备得到的钛表面以及传统喷砂酸蚀后的钛表面进行培养，分别培养1天、3天、7天和14天，观察细菌在不同钛片表面的生长情况，如图6所示；由图6可知，本发明所得的具有生物活性纳米结构的纯钛表面可抑制牙龈卟啉单胞菌的生长，表现出抑菌作用。

Claims (1)

1.一种在纯钛表面制备具有抑菌作用掺锌纳米结构的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对纯钛表面进行喷砂酸蚀处理；
(2)将步骤1处理后的纯钛进行含锌溶液水热反应处理，含锌溶液反应浓度约为0.1-0.5mol/L，时间约为10分钟-2小时；
(3)将步骤2浸泡后的纯钛用蒸馏水清洗，氮气吹干，在纯钛表面得到具有生物活性的纳米结构。
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