CN101411894B - 逐层自组装修饰的钛或钛合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逐层自组装修饰的钛或钛合金材料，在材料表面自组装有由至少5层的壳聚糖-明胶双层组成的生物活性涂层，该材料具有良好的成骨细胞相容性，可促进成骨细胞的增殖和骨架重塑，显示了进一步开发成为新型医用硬组织植入材料的潜力，具有良好的临床应用前景；本发明的表面修饰的钛或钛合金材料采用逐层自组装方法制备，通过静电吸附作用将聚阳离子电解质壳聚糖和聚阴离子电解质明胶交替层叠组装在钛或钛合金材料的表面，制备方法简单，涂层厚度可控，不受材料大小和形状的影响，适用于复杂形貌的材料，且制备条件温和，无需特殊设备，生产成本低，实用性强，具有较好的推广应用价值。

Description

逐层自组装修饰的钛或钛合金材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种逐层自组装修饰的钛或钛合金材料，还涉及该修饰的钛或钛合金材料的制备方法和应用。
背景技术
目前，由创伤、骨折及骨质疏松症等疾病引起的骨缺损是临床面临的普遍问题，每年全球有数以百万计的硬组织植入体用于骨固定或功能性组织全置换。钛及钛合金因其优良的生物相容性和综合力学性能成为目前临床应用最广泛的硬组织植入材料，用于制作人工关节、骨内固定器材及骨重建材料等。但是，钛及钛合金材料本身缺乏生物活性，无诱导骨整合性能，用其制成的植入体植入体内后不能与周围骨组织形成牢固的、长期稳定的结合，常发生松动和脱位现象。因此，钛及钛合金植入体与骨组织间的整合性及长期稳定性是目前临床面临的重大挑战。理想的骨组织植入体应具有“主动”而非“被动”地与宿主周边组织作用的能力，如促进成骨细胞的增殖和分化等。
针对钛及钛合金材料存在的不足，采用表面工程的方法对其进行表面改性，有望大幅度提高其综合性能，从而更适合于医学应用的要求。近年来，国内外学者就钛及钛合金材料的表面改性开展了大量的工作，其总体思路是在钛及钛合金表面生成有机(如蛋白质、酶等)或无机(如羟基磷灰石、二氧化钛等)生物活性涂层。表面改性方法大致分为三大类：物理改性法、化学改性法以及生物化学方法。物理改性法如等离子喷涂法等生产成本高，制得的羟基磷灰石涂层与钛及钛合金材料之间为物理结合，存在结合力较弱、稳定性较差的缺点，且绝大部分喷涂为直线喷涂，对复杂形貌的钛及钛合金材料容易造成涂层厚度不均匀等问题。化学改性法如酸碱处理法等对钛及钛合金材料的腐蚀性大，而且制得的二氧化钛涂层结构疏松，结合牢固性有待提高。生物化学方法是将蛋白质或酶等有机高分子物质通过物理吸附、化学键合以及载体附着等方法结合到钛及钛合金材料表面，其优势在于能够直接、有效地提高钛及钛合金材料的生物活性，但在如何保证反应后蛋白质或酶等的生物活性方面还需要进行大量的研究。迄今为止，还没有一种表面改性的钛及钛合金材料成功应用于临床。
发明内容
有鉴于此，为克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种逐层自组装修饰的钛或钛合金材料，具有良好的成骨细胞相容性，可促进成骨细胞的增殖和骨架重塑。
为达到此目的，本发明的逐层自组装修饰的钛或钛合金材料，在钛或钛合金材料的表面自组装有生物活性涂层，所述生物活性涂层由至少5层的壳聚糖-明胶双层组成。
进一步，所述生物活性涂层由5～10层的壳聚糖-明胶双层组成；
进一步，所述生物活性涂层由6层的壳聚糖-明胶双层组成。
本发明的目的之二在于提供一种制备所述逐层自组装修饰的钛或钛合金材料的方法，不受材料大小和形状的影响，操作简单，条件温和，无需特殊设备，生产成本低。
为达到此目的，本发明的制备所述逐层自组装修饰的钛或钛合金材料的方法，包括以下步骤：
a、称取壳聚糖，加入浓度为10～30mL/L的乙酸溶液，搅拌使溶解，制成质量百分浓度为1％～4％的壳聚糖溶液；
b、称取明胶，加入去离子水，调节pH值至10～12，加热使溶解，制成质量百分浓度为2％～10％的明胶溶液；
c、将钛或钛合金材料置步骤a制得的壳聚糖溶液中，浸泡10～20分钟，取出；
d、将经过步骤c处理的钛或钛合金材料用去离子水充分洗涤；
e、将经过步骤d清洗的钛或钛合金材料置步骤b制得的明胶溶液中，浸泡10～20分钟，取出；
f、将经过步骤e处理的钛或钛合金材料用去离子水充分洗涤；
g、重复步骤c至f至少4次，使钛或钛合金材料的表面逐层自组装上至少5层的壳聚糖-明胶双层，即制得逐层自组装修饰的钛或钛合金材料。
进一步，所述步骤a中壳聚糖溶液的质量百分浓度为2％，所述步骤c中浸泡时间为20分钟；
进一步，所述步骤b中明胶溶液的质量百分浓度为8％，所述步骤e中浸泡时间为10分钟；
进一步，所述步骤g为重复步骤c至f4～9次，使钛或钛合金材料的表面逐层自组装上5～10层的壳聚糖-明胶双层；
进一步，所述步骤g为重复步骤c至f5次，使钛或钛合金材料的表面逐层自组装上6层的壳聚糖-明胶双层。
本发明的目的之三在于提供所述逐层自组装修饰的钛或钛合金材料在制备医用硬组织植入材料中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种逐层自组装修饰的钛或钛合金材料，在材料表面自组装有由至少5层的壳聚糖-明胶双层组成的生物活性涂层，该材料具有良好的成骨细胞相容性，可促进成骨细胞的增殖和骨架重塑，显示了进一步开发成为新型医用硬组织植入材料的潜力，具有良好的临床应用前景；本发明的表面修饰的钛或钛合金材料采用逐层自组装方法制备，通过静电吸附作用将聚阳离子电解质壳聚糖和聚阴离子电解质明胶交替层叠组装在钛或钛合金材料的表面，制备方法简单，涂层厚度可控，不受材料大小和形状的影响，适用于复杂形貌的材料，且制备条件温和，无需特殊设备，生产成本低，实用性强，具有较好的推广应用价值。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为壳聚糖-明胶-壳聚糖逐层自组装修饰的钛膜的原子力显微镜(AFM)图；
图2为壳聚糖-明胶-壳聚糖-明胶逐层自组装修饰的钛膜的AFM图；
图3为成骨细胞在本发明的逐层自组装修饰的钛膜上随时间的增殖示意图。
具体实施方式
壳聚糖为甲壳类动物、昆虫和其它无脊椎动物外壳中的甲壳素脱乙酰化后的产物，是一种天然聚阳离子多糖(pKa＝6.3)，具有良好的成膜性、生物相容性和生物可降解性，以及多种生物活性如广谱抑菌、促进上皮细胞增长、抑制平滑肌增生等，广泛应用于组织工程、药物释放等领域。明胶是动物皮、骨、腱与韧带中的胶原部分水解后的产物，是一种无脂肪的高分子蛋白质，含有18种氨基酸，其中7种为人体必需氨基酸，具有优良的物理性质、生物相容性和生物可降解性，在医药领域应用广泛。本发明选择壳聚糖和明胶分别作为聚阳离子和聚阴离子电解质，利用聚阳/阴离子间的静电相互作用，采用逐层自组装的方法进行钛或钛合金材料的表面修饰，并对制得的表面修饰的钛或钛合金材料进行了形貌结构和生物活性鉴定。
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
原料：壳聚糖(脱乙酰度95％，分子量20万，青岛海汇生物制品有限公司)，明胶(A型，pI＝7.8，美国Sigma公司)，平整钛膜(通过电子束蒸发沉积，表面粗糙度约2.5nm)和Ti-6Al-4V钛合金(西北有色金属研究院)。
实施例一
本实施例为逐层自组装修饰的钛膜，其制备方法包括以下步骤：
a、称取壳聚糖0.5g，加入浓度为10mL/L的乙酸溶液50mL，磁力搅拌20分钟使溶解，制成质量百分浓度为1％的壳聚糖溶液；
b、称取明胶0.5g，加入用氢氧化钠调节pH值至10的去离子水25mL，在温度40℃条件下使溶解，制成质量百分浓度为2％的明胶溶液；
c、将钛膜置步骤a制得的壳聚糖溶液中，浸泡10分钟，取出；
d、将经过步骤c处理的钛膜用去离子水清洗2次，每次浸泡2分钟；
e、将经过步骤d清洗的钛膜置步骤b制得的明胶溶液中，浸泡20分钟，取出；
f、将经过步骤e处理的钛膜用去离子水清洗2次，每次浸泡2分钟；
g、重复步骤c至f4次，使钛膜表面逐层自组装上5层的壳聚糖-明胶双层，即制得逐层自组装修饰的钛膜。
实施例二
本实施例为逐层自组装修饰的钛膜，其制备方法包括以下步骤：
a、称取壳聚糖1.0g，加入浓度为10mL/L的乙酸溶液50mL，磁力搅拌20分钟使溶解，制成质量百分浓度为2％的壳聚糖溶液；
b、称取明胶2.0g，加入用氢氧化钠调节pH值至11的去离子水25mL，在温度45℃条件下使溶解，制成质量百分浓度为8％的明胶溶液；
c、将钛膜置步骤a制得的壳聚糖溶液中，浸泡20分钟，取出；
d、将经过步骤c处理的钛膜用去离子水清洗3次，每次浸泡1分钟；
e、将经过步骤d清洗的钛膜置步骤b制得的明胶溶液中，浸泡10分钟，取出；
f、将经过步骤e处理的钛膜用去离子水清洗3次，每次浸泡1分钟；
g、重复步骤c至f5次，使钛膜表面逐层自组装上6层的壳聚糖-明胶双层，即制得逐层自组装修饰的钛膜。
实施例三
本实施例为逐层自组装修饰的Ti-6Al-4V钛合金，其制备方法包括以下步骤：
a、称取壳聚糖1.5g，加入浓度为20mL/L的乙酸溶液50mL，磁力搅拌20分钟使溶解，制成质量百分浓度为3％的壳聚糖溶液；
b、称取明胶1.5g，加入用氢氧化钠调节pH值至11的去离子水25mL，在温度45℃条件下使溶解，制成质量百分浓度为6％的明胶溶液；
c、将钛合金置步骤a制得的壳聚糖溶液中，浸泡15分钟，取出；
d、将经过步骤c处理的钛合金用去离子水清洗3次，每次浸泡1分钟；
e、将经过步骤d清洗的钛合金置步骤b制得的明胶溶液中，浸泡15分钟，取出；
f、将经过步骤e处理的钛合金用去离子水清洗3次，每次浸泡1分钟；
g、重复步骤c至f7次，使钛合金的表面逐层自组装上8层的壳聚糖-明胶双层，即制得逐层自组装修饰的Ti-6Al-4V钛合金。
实施例四
本实施例为逐层自组装修饰的Ti-6Al-4V钛合金，其制备方法包括以下步骤：
a、称取壳聚糖2.0g，加入浓度为30mL/L的乙酸溶液50mL，磁力搅拌20分钟使溶解，制成质量百分浓度为4％的壳聚糖溶液；
b、称取明胶2.5g，加入用氢氧化钠调节pH值至12的去离子水25mL，在温度50℃条件下使溶解，制成质量百分浓度为10％的明胶溶液；
c、将钛合金置步骤a制得的壳聚糖溶液中，浸泡20分钟，取出；
d、将经过步骤c处理的钛合金用去离子水清洗4次，每次浸泡1分钟；
e、将经过步骤d清洗的钛合金置步骤b制得的明胶溶液中，浸泡20分钟，取出；
f、将经过步骤e处理的钛合金用去离子水清洗4次，每次浸泡1分钟；
g、重复步骤c至f9次，使钛合金的表面逐层自组装上10层的壳聚糖-明胶双层，即制得逐层自组装修饰的Ti-6Al-4V钛合金。
本发明的逐层自组装修饰的钛或钛合金材料的鉴定
1、形貌结构鉴定
方法：将具有不同自组装修饰涂层的钛膜在室温下干燥后，采用Dimension3100型原子力显微镜(美国Digital Instruments公司)，在室温下以轻拍模式(tapping mode)进行检测；
结果：如图1所示，壳聚糖-明胶-壳聚糖逐层自组装修饰的钛膜的表面粗糙度为50±4.8nm，粒子间有清晰可见的界面；如图2所示，壳聚糖-明胶-壳聚糖-明胶逐层自组装修饰的钛膜的表面粗糙度为82±7.6nm，粒子间无明显界面。
2、生物活性鉴定
方法：将人成骨肉瘤细胞株CAL-72分别接种于未修饰的钛膜表面、本发明的逐层自组装修饰的钛膜表面和聚苯乙烯细胞培养孔板(tissue culturepolystyrenes，TCPS)内，细胞密度为5000/cm2，用含有浓度为100mL/L的胎牛血清的DMEM培养液，在温度37℃、CO2气体浓度为50mL/m3的条件下培养，每3天更换培养液；分别于培养第1、4、7天，将细胞用浓度为2.5mg/mL的胰酶溶液消化后，用Z1型库尔特计数器(Coulter Counter，德国BeckmanCoulter GmbH公司)进行细胞计数，检测细胞增殖能力；
结果：如图3所示，与未修饰的钛膜和TCPS相比，本发明的逐层自组装修饰的钛膜具有良好的成骨细胞相容性，可促进成骨细胞的增殖和骨架重塑。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.制备逐层自组装修饰的钛或钛合金材料的方法，所述逐层自组装修饰的钛或钛合金材料是在钛或钛合金材料的表面自组装有由至少5层的壳聚糖-明胶双层组成的生物活性涂层，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a、称取壳聚糖，加入浓度为10～30mL/L的乙酸溶液，搅拌使溶解，制成质量百分浓度为1％～4％的壳聚糖溶液；
b、称取明胶，加入去离子水，调节pH值至10～12，加热使溶解，制成质量百分浓度为2％～10％的明胶溶液；
c、将钛或钛合金材料置步骤a制得的壳聚糖溶液中，浸泡10～20分钟，取出；
d、将经过步骤c处理的钛或钛合金材料用去离子水充分洗涤；
e、将经过步骤d清洗的钛或钛合金材料置步骤b制得的明胶溶液中，浸泡10～20分钟，取出；
f、将经步骤e处理的钛或钛合金材料用去离子水充分洗涤；
g、重复步骤c至f至少4次，使钛或钛合金材料的表面逐层自组装上至少5层的壳聚糖-明胶双层，即制得逐层自组装修饰的钛或钛合金材料。
2.根据权利要求1所述的制备逐层自组装修饰的钛或钛合金材料的方法，其特征在于：所述步骤a中壳聚糖溶液的质量百分浓度为2％，所述步骤c中浸泡时间为20分钟。
3.根据权利要求1所述的制备逐层自组装修饰的钛或钛合金材料的方法，其特征在于：所述步骤b中明胶溶液的质量百分浓度为8％，所述步骤e中浸泡时间为10分钟。
4.根据权利要求1所述的制备逐层自组装修饰的钛或钛合金材料的方法，其特征在于：所述步骤g为重复步骤c至f4～9次，使钛或钛合金材料的表面逐层自组装上5～10层的壳聚糖-明胶双层。
5.根据权利要求4所述的制备逐层自组装修饰的钛或钛合金材料的方法，其特征在于：所述步骤g为重复步骤c至f5次，使钛或钛合金材料的表面逐层自组装上6层的壳聚糖-明胶双层。
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