CN101347634A - 一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法 - Google Patents

一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法，它是通过羟基化溶液和胺基化溶液处理在医用钛合金表面引入活性羟基、胺基和羧基，其过程为：将生物医用钛合金试样首先在含有少量Fe2+的双氧水和盐酸溶液中处理，再将其在氮气气氛下放入聚丙烯酰胺溶液中，并加入适量亚铈盐溶液，反应一段时间后再加入次氯酸盐溶液，继续反应，冷却后将试样依次在NaOH溶液和热水中漂洗晾干。与未处理的钛合金相比，本发明处理后的钛合金既保持了基体出色的力学性能和生物相容性，同时在合金表面引入了活性功能基团，因而具有较好的生物活性，并可利用该活性官能团共价键接生物功能大分子，进一步改善植入、介入材料的组织相容性和血液相容性。

Description

一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法
技术领域
本发明涉及一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法，该方法通过羟基化溶液和胺基化溶液处理，在医用钛合金表面引入活性羟基、胺基和羧基，用于带药血管内支架和牙种植体等人体植入、介入医疗器械的表面改性处理。
背景技术
通常情况下，用于植入人体的医用钛及钛合金材料在空气中或与氧气接触就会迅速在其表面原位生长一层TiO2薄膜，该薄膜一般厚度为几十个纳米，这是钛及钛合金材料具有良好生物相容性的一个主要原因。但是同时TiO2薄膜是一种惰性材料，细胞黏附性较差，不容易与人体组织快速形成生物结合，即是说未经处理的医用钛合金表面不具有生物活性，难以满足目前医疗器械临床使用功能化的要求。
对材料与生物体相互作用机制的大量研究表明：生物材料表面的成分、结构、表面形貌、表面的能量状态、亲(疏)水性、表面电荷、表面的导电特征等表面化学、物理及力学特性均会影响材料与生物体之间的相互作用。因此通过物理、化学、生物等各种技术手段对植入、介入等血液接触类医疗器械进行表面改性，可以大幅度改善它们与人体的生物相容性和血液相容性，使之更满足临床使用的要求。
更重要的是，长期临床实验表明，通过在植入、介入医疗器械表面物理吸附或者化学键接一些具有特殊功效的生物大分子(比如具有优异抗凝血性能的肝素和能诱导成骨细胞快速增值的辛伐他汀酸类药物)可显著提高医疗器械的手术成功率，这一点在血管内支架和牙种植体等器械方面表现得非常明显，带药支架已占据临床使用的大部分。大分子药物目前一般是通过物理吸附或者化学键接在材料表面来实现的，但物理吸附的药物和基体结合较差，植入人体后很快会丧失药效，所以一般通过化学法来键接大分子。化学法根据大分子药物与基体的结合方式又可分为离子法和共价法，其中离子法容易改变大分子的空间构象，使其降低甚至失去药效，所以共价法更具实际意义。但正如上所述，钛及钛合金材料由于表面TiO2薄膜的存在是生物惰性的，缺少活性官能团，大分子药物很难结合在材料表面。
目前，在金属材料表面引入一定数量的功能基团(如羟基、胺基基团等)，利用功能基团直接固定具有特殊作用的生物大分子如肝素、白蛋白、血栓改性蛋白、辛伐他汀酸等，提高材料的生物相容性性，并使其在植入人体后具备某项特殊功能。借助表面微区生物活化的方法，构建功能化表面是改善金属材料生物相容性和提高植入手术成功率的有效途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种能在生物医用钛及钛合金表面引入活性官能团时，不改变基体材料的物理、生物性能，不仅使医用钛及钛合金表面具有活性，还能有效产生活性反应位点以键接生物大分子的生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法，包括(1)医用钛合金表面羟基化处理，(2)医用钛合金表面胺基化及羧基化处理，其特征在于处理过程为：
(1)医用钛合金表面羟基化处理：
a.取双氧水溶液和盐酸溶液按体积百分比1∶1混合，并加入适量Fe2+盐，制得羟基化混合溶液；所述羟基化混合溶液中Fe2+的物质的量浓度为0.002mol/L-0.008 mol/L，所述盐酸溶液的物质的量浓度为12mol/L，双氧水溶液的体积百分比浓度为30％；
b.将医用钛合金试样在上述羟基化混合溶液中处理20分钟，然后取出用热水漂洗，晾干；羟基化溶液处理时温度控制在70℃-90℃；
(2)医用钛合金表面胺基化及羧基化处理：
a.配制黏度适中的聚丙烯酰胺溶液：将步骤(1)中经羟基化处理后的医用钛合金在氮气气氛下放入带搅拌器的反应釜中，然后在反应釜内加入去离子水，开动搅拌器，将相对分子量为800～1000万的非离子型聚丙烯酰胺缓慢加入，使聚丙烯酰胺溶液质量百分比浓度为1-3％，反应釜升温至55℃，使聚丙烯酰胺完全溶解，粘度在2-4Pa·s；
b.聚丙烯酰胺的官能化改性：待聚丙烯酰胺完全溶解后，向上述聚丙烯酰胺溶液中加入NaOH调节pH值为10-11，再加入0.002mol/L的亚铈盐溶液，反应6个小时，然后加入0.08mol/L的次氯酸盐，并保持pH值为10-11，在温度55℃下继续反应12h-24h，加酸调节pH至7，冷却后将经上述处理后的医用钛合金试样先在0.05mol/L的NaOH溶液中清洗，再在热水中漂洗干净，室温晾干。
上述钛合金为纯钛、Ti-6Al-4V、TiNi或其它生物医用钛合金。
上述步骤(1)中所述Fe2+盐为FeSO4、FeCl2或其它水溶性亚铁盐。
上述步骤(2)中所述亚铈盐为硝酸亚铈或其它水溶性亚铈盐。
上述步骤(2)中所述次氯酸盐为次氯酸钠或其它水溶性次氯酸盐。
本发明的主要特点为，首先将生物医用纯钛试样首先在70℃的双氧水和盐酸溶液中处理，同时向溶液加入加入少量Fe2+，物质的量浓度为0.002mol/l-0.008mol/l，在试样表面引入羟基；在钛合金的表面羟基化处理中，把通过Fe2+催化H2O2分解生成具有强氧化能力·OH的反应称为Fenton反应，目前Fenton法及基于Fenton反应的相关高级氧化技术已在污水处理行业中得到了广泛应用。该方法具有操作简单，反应快速的特点，即含Fe2+的溶液倒入H2O2水溶液中便可快速产生·OH，其反应机理为：
Fe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-。
非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)的分子链上有若干官能基团-CONH2，通过对-CONH2进行改性可制得表面带有不同活性官能团的离子型聚丙烯酰胺。首先采用碱性水解反应，使聚丙烯酰胺分子链上的-CONH2部分变为-COOH，得到阴离子型聚丙烯酰胺，再通过霍夫曼反应，将部分-CONH2变为-NH2，最终得到分子链上既有-COOH又有-NH2的两性型聚丙烯酰胺。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明工艺简单，能在生物医用钛及钛合金表面引入活性官能团时，不改变基体材料的物理、生物性能，不仅使医用钛及钛合金表面具有活性，还能有效产生活性反应位点以键接生物大分子；与未经处理的钛合金相比，本发明表面官能化处理后的钛合金保持了基体出色的力学性能和生物相容性，同时在合金表面引入了活性功能基团，因而具有较好的生物活性，并可利用该活性官能团共价键接生物功能大分子，进一步改善植入、介入材料的组织相容性和血液相容性。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
将生物医用纯钛试样首先在70℃的体积百分比为1∶1的双氧水和盐酸混合溶液中处理，盐酸溶液的物质的量浓度(mol/L)为：12mol/L，双氧水溶液的体积浓度为30％，同时向混合溶液加入加入少量FeCl2亚铁盐，Fe2+的物质的量浓度为0.002mol/L～0.008mol/L，在生物医用纯钛试样表面引入羟基；再将生物医用纯钛在氮气气氛下放入带搅拌器的反应釜中，然后在反应釜内加一定量的去离子水，开动搅拌器，将相对分子量为800～1000万的非离子型聚丙烯酰胺缓慢加入，使聚丙烯酰胺溶液质量百分比浓度在2％左右，粘度在3Pa·s左右，通气升温至55℃，待聚丙烯酰胺溶解后，加入一定量的NaOH使pH值达到10-11，反应6h，再加入0.002mol/L的硝酸亚铈溶液和0.08mol/L的次氯酸钠，并保持pH在10左右，保持温度在55℃下反应12～24h。加酸调节pH至7，冷却后将试样先在0.05mol/L的NaOH溶液中清洗，再在热水中漂洗干净，室温晾干。
实施例2
将生物医用钛合金试样首先在70℃的体积百分比为1∶1的双氧水和盐酸溶液中处理，盐酸溶液的物质的量浓度(mol/L)为：12mol/L，双氧水溶液的体积浓度为：30％，同时向溶液加入加入少量FeSO4，Fe2+的物质的量浓度为0.006mol/L，在试样表面引入羟基；再将钛合金试样在氮气气氛下放入带搅拌器的反应釜中。然后在反应釜内加一定量的去离子水，开动搅拌器，将相对分子量800～1000万的非离子型聚丙烯酰胺缓慢加入，使聚丙烯酰胺溶液质量百分比浓度在2％左右，粘度在3Pa·s左右，通气升温至55℃，待聚丙烯酰胺溶解后，加入一定量的NaOH使pH值达到10-11，反应6h。再加入0.002mol/L的亚铈盐溶液和0.08mol/L的次氯酸盐，并保持pH在10左右，保持温度在55℃下反应12～24h。加酸调节pH至7，冷却后将试样先在0.05mol/L的NaOH溶液中清洗，再在热水中漂洗干净，室温晾干。
实施例3
将生物医用纯钛试样首先在70℃的体积百分比为1∶1的双氧水和盐酸溶液中处理，盐酸溶液的物质的量浓度(mol/L)为：12mol/L，双氧水溶液的体积浓度为30％，同时向溶液加入加入少量Fe2+，Fe2+的物质的量为0.002mol/L～0.008mol/L，在试样表面引入羟基；再将钛合金试样在氮气气氛下放入带搅拌器的反应釜中，然后在反应釜内加一定量的去离子水，开动搅拌器，将相对分子量900万的非离子型聚丙烯酰胺缓慢加入，使聚丙烯酰胺溶液质量百分比浓度为2％，粘度在3Pa·s。通气升温至55℃，待聚丙烯酰胺溶解后，加入一定量的NaOH使pH值达到10-11，反应6h，再加入0.002mol/L的亚铈盐溶液和0.08mol/L的次氯酸盐，并保持pH在10左右，保持温度在55℃下反应12～24h，加酸调节pH至7，冷却后将试样先在0.05mol/L的NaOH溶液中清洗，再在热水中漂洗干净，室温晾干。
实施例4
将生物医用纯钛试样首先在70℃的体积百分比为1∶1的双氧水和盐酸溶液中处理，盐酸溶液的物质的量浓度(mol/L)为：12mol/L，双氧水溶液的体积浓度为30％，同时向溶液加入加入少量Fe2+，Fe2+的物质的量浓度为0.002mol/L～0.008mol/L，在试样表面引入羟基；再将生物医用纯钛试样在氮气气氛下放入带搅拌器的反应釜中，然后在反应釜内加一定量的去离子水，开动搅拌器，将相对分子量800～1000万的非离子型聚丙烯酰胺缓慢加入，使聚丙烯酰胺溶液质量百分比浓度在2％左右，粘度在3Pa·s左右，通气升温至55℃，待聚丙烯酰胺溶解后，加入一定量的NaOH使pH值达到11，反应6h，再加入0.002mol/L的亚铈盐溶液和0.08mol/L的次氯酸盐，并保持pH在10左右，保持温度在55℃下反应12～24h。加酸调节pH至7，冷却后将试样先在0.05mol/L的NaOH溶液中清洗，再在热水中漂洗干净，室温晾干。
实施例5
将生物医用纯钛试样首先在70℃的体积百分比为1∶1的双氧水和盐酸溶液中处理，盐酸溶液的物质的量浓度(mol/L)为：12mol/L，双氧水溶液的体积浓度为30％，同时向溶液加入加入少量Fe2+，Fe2+的物质的量浓度为0.002mol/L～0.008mol/L，在试样表面引入羟基；再将生物医用纯钛试样在氮气气氛下放入反应釜中。然后在带搅拌器的反应釜内加一定量的去离子水，开动搅拌器，将相对分子量800～1000万的非离子型聚丙烯酰胺缓慢加入，使聚丙烯酰胺溶液质量百分比浓度在2％左右，粘度在3Pa·s左右。通气升温至55℃，待聚丙烯酰胺溶解后，加入一定量的NaOH使pH值达到10-11，反应6h，再加入0.002mol/L硝酸亚铈溶液和0.08mol/L的次氯酸钠，并保持pH在10左右，保持温度在55℃下反应20h。加酸调节pH至7，冷却后将试样先在0.05mol/L的NaOH溶液中清洗，再在热水中漂洗干净，室温晾干。

Claims (5)

1.一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法，包括(1)医用钛合金表面羟基化处理，(2)医用钛合金表面胺基化及羧基化处理，其特征在于处理过程为：
(1)医用钛合金表面羟基化处理：
a.取双氧水溶液和盐酸溶液按体积百分比1∶1混合，并加入适量Fe2+盐，制得羟基化混合溶液；所述羟基化混合溶液中Fe2+的物质的量浓度为0.002mol/L-0.008mol/L，所述盐酸溶液的物质的量浓度为12mol/L，双氧水溶液的体积百分比浓度为30％；
b.将医用钛合金试样在上述羟基化混合溶液中处理20分钟，然后取出用热水漂洗，晾干；羟基化溶液处理时温度控制在70℃-90℃；
(2)医用钛合金表面胺基化及羧基化处理：
a.配制黏度适中的聚丙烯酰胺溶液：将步骤(1)中经羟基化处理后的医用钛合金在氮气气氛下放入带搅拌器的反应釜中，然后在反应釜内加入去离子水，开动搅拌器，将相对分子量为800～1000万的非离子型聚丙烯酰胺缓慢加入，使聚丙烯酰胺溶液质量百分比浓度为1-3％，反应釜升温至55℃，使聚丙烯酰胺完全溶解，粘度在2-4Pa·s；
b.聚丙烯酰胺的官能化改性：待聚丙烯酰胺完全溶解后，向上述聚丙烯酰胺溶液中加入NaOH调节pH值为10-11，再加入0.002mol/L的亚铈盐溶液，反应6个小时，然后加入0.08mol/L的次氯酸盐，并保持pH值为10-11，在温度55℃下继续反应12h-24h，加酸调节pH至7，冷却后将经上述处理后的医用钛合金试样先在0.05mol/L的NaOH溶液中清洗，再在热水中漂洗干净，室温晾干。
2.按照权利要求1所述的一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法，其特征在于：所述钛合金为纯钛、Ti-6Al-4V、TiNi或其它生物医用钛合金。
3.按照权利要求1所述的一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法，其特征在于：步骤(1)中所述Fe2+盐为FeSO4、FeCl2或其它水溶性亚铁盐。
4.按照权利要求1所述的一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法，其特征在于：步骤(2)中所述亚铈盐为硝酸亚铈或其它水溶性亚铈盐。
5.按照权利要求1所述的一种生物医用钛合金表面官能化改性的处理方法，其特征在于：步骤(2)中所述次氯酸盐为次氯酸钠或其它水溶性次氯酸盐。
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