CN111233521A - 一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法及应用 - Google Patents

一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于氮化硅陶瓷技术领域，具体涉及一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法及应用。该方法创造性的采用碱性的氢氧化钠对氮化硅陶瓷进行改性处理，可以显著增加氮化硅陶瓷表面的粗糙程度，改变氮化硅陶瓷表面的形貌特征，有利于抑制细菌黏附，显著减小样品表面生物被膜，达到增强氮化硅陶瓷抑菌性的效果，可作为医用植入材料或替代物应用。

Description

一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法及应用
技术领域
本发明属于氮化硅陶瓷技术领域。更具体地，涉及一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法及应用。
背景技术
非氧化物氮化硅(Si3N4)陶瓷是一种具有特殊性能的无机合成材料，具有强度高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等优点，在工业上被大量应用，具有广阔的发展前景。另一方面，Si3N4也逐渐开始应用于生物医用技术领域，以Si3N4为基础的植入物因无细胞毒性，有助于细胞吸附、增值和分化，而且在骨置换中具有抑菌、促进新骨形成和增加蛋白质吸附等特性，还能提供优异的生物相容性和优良的机械性能，在医用材料技术领域得到广泛关注。
作为生物植入体材料，除了需要满足一定的生物相容性和机械强度以外， Si3N4的表面化学性质、微观形貌，特别是抑菌性能也非常重要。现有技术常通过物理化学方法对Si3N4进行表面改性，但是涉及抑菌性能的研究仅有少数几篇。如中国专利申请CN110461378A公开了一种抗菌生物医学植入物，可以将包含氮化硅陶瓷材料的医学植入物添加一层涂层，再对涂层进行表面粗糙化处理过程或者别的表面粗糙化处理，来提高其生物活性和抑菌性能，但是涂层存在与Si3N4界面结合强度低，体内稳定性差的缺点，较难广泛应用。如中国专利申请CN 105565819A公开了一种调节氮化硅陶瓷生物活性和抑菌性能的方法，该方法采用金属离子辅助酸性氧化电解质溶液对Si3N4进行表面处理，可以增加Si3N4陶瓷表面抗菌功能，但是需要采用具有较强腐蚀性的氢氟酸，操作复杂，较难控制，而且使用的金属离子也会在生物体内溶解释放，具有一定的安全隐患，还会影响材料植入后的效果。
因此，迫切需要提供一种操作简单、安全性高、可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术涂层与基体结合强度低，稳定性差；添加金属离子易在机体中释放，辅助酸性氧化电解液不易调控，具有安全隐患的缺陷和不足，提供一种操作简单、安全性高、可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法。
本发明另一目的是提供所述方法制备的氮化硅陶瓷。
本发明另一目的是提供所述氮化硅陶瓷作为医用植入材料或替代物的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法，用熔融氢氧化钠对氮化硅陶瓷进行腐蚀。
进一步地，包括以下步骤：
将氢氧化钠粉末熔融，再将氮化硅陶瓷浸没于熔融氢氧化钠中，在氢氧化钠熔融状态下反应3～60min，取出、洗净、干燥，即得。
进一步地，所述氢氧化钠粉末熔融的温度为318～500℃。
优选地，所述氢氧化钠粉末熔融的温度为350～400℃。实践中发现，在此温度条件下，即可以使氢氧化钠粉末成为熔融状态，又能较好的节约能源。
更进一步地，所述反应的时间为10～40min。实践中发现，在此条件下制备得到的氮化硅陶瓷抑菌性能较强。
进一步地，所述氮化硅陶瓷先在乙醇中超声清洗10～30min。
另外的，本发明还提供了一种经过所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法制备的氮化硅陶瓷。
另外的，本发明还提供了所述氮化硅陶瓷作为医用植入材料或替代物的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法，创造性的采用碱性的氢氧化钠对氮化硅陶瓷进行改性处理，经腐蚀去除氮化硅陶瓷表面杂质、氧化物和晶界相，不但可以显著增加氮化硅陶瓷表面的粗糙程度，改变氮化硅陶瓷表面的形貌特征，而且电镜图可见显露出各向异性呈针尖状的β相，使表面具有微纳结构，有利于抑制细菌黏附，显著减小样品表面生物被膜，达到增强氮化硅陶瓷抑菌性的效果，可作为医用植入材料或替代物应用。
附图说明
图1为本发明实施例1中清洗后未经腐蚀处理的氮化硅陶瓷的电子显微镜形貌图。
图2为本发明实施例1制备得到的氮化硅陶瓷样品1的电子显微镜形貌图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法
所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法包括以下步骤：
S1、取9.3g氢氧化钠粉末于坩埚中，加热至400℃条件下融化，得熔融氢氧化钠；
S2、将氮化硅陶瓷置于乙醇中，超声清洗10min后，取出干燥后置于步骤 S1所得熔融氢氧化钠中，400℃反应20min，取出，用大量去离子水洗净，60℃干燥，得到氮化硅陶瓷样品1。
实施例2一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法
所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法包括以下步骤：
S1、取20g氢氧化钠粉末于坩埚中，加热至325℃条件下融化，得熔融氢氧化钠；
S2、将氮化硅陶瓷置于乙醇中，超声清洗3min后，取出干燥后置于步骤S1 所得熔融氢氧化钠中，325℃反应3min，取出，用大量去离子水洗净，60℃干燥，得到氮化硅陶瓷样品2。
实施例3一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法
所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法包括以下步骤：
S1、取15g氢氧化钠粉末于坩埚中，加热至350℃条件下融化，得熔融氢氧化钠；
S2、将氮化硅陶瓷置于乙醇中，超声清洗10min后，取出干燥后置于步骤 S1所得熔融氢氧化钠中，350℃反应60min，取出，用大量去离子水洗净，60℃干燥，得到氮化硅陶瓷样品3。
以实施例1为例，对清洗后未经腐蚀处理的氮化硅陶瓷和实施例1制备得到的氮化硅陶瓷样品1进行描电子显微镜形貌观察，结果参见图1～2。
由图1～2可见，图2实施例1制备得到的氮化硅陶瓷样品1与未经腐蚀处理的氮化硅陶瓷相比，表面更加粗糙，可见显露出各向异性呈针尖状的β相，实施例2～3样品形貌与实施例1类似。
对比例1一种氮化硅陶瓷的改性方法
与实施例1不同之处在于，对比例1清洗后的氮化硅陶瓷置于熔融氢氧化钠中反应1min，其余操作及参数参考实施例1。
对比例2一种氮化硅陶瓷的改性方法
与实施例1不同之处在于，对比例2清洗后的氮化硅陶瓷置于熔融氢氧化钠中反应70min，其余操作及参数参考实施例1。
对比例3一种氮化硅陶瓷的改性方法
与实施例1不同之处在于，对比例3清洗后的氮化硅陶瓷置于熔融氢氧化钠中反应65min，其余操作及参数参考实施例1。
实验例1抑菌性能检测
将清洗后未经腐蚀处理的氮化硅陶瓷、实施例1～3和对比例1～3制备的氮化硅陶瓷样品放入孔板，在紫外灯下用75vol.％乙醇灭菌2h，再用PBS冲洗3次，然后在样品表面接种350μl细菌浓度为3×109CFU/ml的金黄色葡萄球菌，培养2 天后，对细菌进行染色后用激光共聚焦测量样品表面生物被膜的厚度，用酶标仪测定吸光值大小，实验结果参见表1。
表1抑菌性能检测结果
组别 生物被膜厚度(μm) 吸光值大小
未经腐蚀处理的氮化硅陶瓷 78.07 1.9436
实施例1 14.35 0.8829
实施例2 25.10 1.4068
实施例3 19.49 1.2229
对比例1 80.70 2.1184
对比例2 70.81 1.9106
对比例3 64.38 1.8746
由表1可见，本申请实施例1～3制备的氮化硅陶瓷样品与清洗后未经腐蚀处理的氮化硅陶瓷相比，生物被膜厚度和吸光值显著减小，抑菌性能显著增强；而对比例1～3改变腐蚀时间，氮化硅表面腐蚀不完全或者腐蚀过度都会破坏针尖结构，造成抑菌性能显著降低。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法，其特征在于，用熔融氢氧化钠对氮化硅陶瓷进行腐蚀。
2.根据权利要求1所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将氢氧化钠粉末熔融，再将氮化硅陶瓷浸没于熔融氢氧化钠中，在氢氧化钠熔融状态下反应3～60min，取出、洗净、干燥，即得。
3.根据权利要求2所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法，其特征在于，所述氢氧化钠粉末熔融的温度为318～500℃。
4.根据权利要求3所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法，其特征在于，所述氢氧化钠粉末熔融的温度为350～400℃。
5.根据权利要求4所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法，其特征在于，所述反应的时间为10～40min。
6.根据权利要求5所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法，其特征在于，所述氮化硅陶瓷先在乙醇中超声清洗10～30min。
7.一种经过权利要求1～6任一所述可增强氮化硅陶瓷抑菌性能的方法制备的氮化硅陶瓷。
8.权利要求7所述氮化硅陶瓷作为医用植入材料或替代物的应用。
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