CN101451261A - 抑菌性生物活性钛及钛合金植入材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抑菌性生物活性钛及钛合金植入材料及其制备方法和应用。该方法以生物医用级钛或钛合金为基底材料，将分析纯含氯离子的物质加入去离子水配制成电解质溶液，用阳极氧化表面改性处理技术，在材料阳极和阴极间施加直流电压1－100V，处理时间1－200秒；得到表面产生了抑菌性Ti－Cl基团和生物活性Ti－OH基团的生物活性钛或钛合金，这些Ti－Cl基团在生理环境下水解产生具有抑菌杀菌作用的－ClOx离子。将该材料植入人或动物股骨内大段骨缺损修复；或应用于人或动物的经皮器件；因植入材料具有生物活性，与组织间形成生物活性结合；植入材料具有抑菌性，能避免感染的发生，从而提高在体内植入的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及生物医用材料及其制备技术，特别是涉及一种用于硬组织修复用的抑菌性生物医用活性钛及钛合金植入材料及其制备方法和应用，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
生物医用钛及钛合金，因为其具有优良的生物相容性和抗生理腐蚀性能被广泛地应用于体内植入体。近年来，钛及钛合金通过应用表面改性技术，已经使典型的惰性医用钛及钛合金材料转变为生物活性和组织诱导性材料，在体内能够诱导组织再生和修复。在生物医用材料领域，钛及钛合金将具有更为广泛的应用前景。但是，植入体在体内发生细菌感染依然是引起植入体失效的主要原因之一。据报道，目前有3-5％的钛植入体因为细菌感染引起失效。为进一步提高生物活性钛植入体的临床成功率，有必要进一步研究开发具有抑菌作用的生物活性钛及钛合金植入材料。基于这种要求，本发明提出了具有抑菌性能的生物活性钛及钛合金植入材料及其制备技术和应用。
发明内容
本发明的目的是为硬组织修复提供一种具有抑菌性能的生物活性钛及钛合金植入材料及其制备方法和应用。该方法工艺简单，操作方便；使用该方法制备的生物活性钛及钛合金植入材料能有效地抑制细菌感染植入体；因此将该活性材料应用于人或者动物股骨内的大段骨缺损的修复；或者应用于人或者动物的经皮器件，能提高生物活性材料的临床成功率。
本发明的基本思想是：以满足生物医用级要求的钛或钛合金为基底材料，使用含氯离子的水溶液为电解质，通过阳极氧化表面改性处理技术，在赋予钛或钛合金基底材料以生物活性基团的同时，赋予其表面以具有抑菌功能的基团，从而在与体内组织形成生物活性的化学结合的同时，并具有抑菌性能，将该生物活性材料应用于人或者动物股骨内的大段骨缺损的修复，或者应用于人或者动物的经皮器件，可避免钛或钛合金植入材料在体内发生感染，进而提高生物医用钛或钛合金植入材料的临床成功率。
为实现本发明的目的，本发明是由以下措施构成的技术方案来实现的。
本发明抑菌性生物活性钛或钛合金植入材料的制备方法，包括以下工艺步骤：
(1)以生物医用级钛或钛合金为基底材料，用分析纯盐酸制备1-5M浓度的盐酸溶液，将钛或钛合金浸入盐酸溶液中浸泡3-8分钟清洗，除去其表面污染物；
(2)将分析纯含氯离子的物质加入去离子水配制成含0.1-10M浓度的氯离子电解质溶液，通过阳极氧化表面改性处理技术，在赋予钛或钛合金基底材料以生物活性基团的同时，赋予其表面以具有抑菌功能的基团；
(3)所述阳极氧化表面改性处理技术，是将上述清洗过的钛或者钛合金两端分别连接到一电压为0.1-120V的直流电源的阳极和阴极上，再将其浸入上述配制好的电解质溶液中；
(4)调节直流电源电压，使钛或钛合金基底在进行阳极氧化表面处理时阳极和阴极间施加的直流电压在1-100V之间，阳极氧化表面处理的时间在1-200秒之间，然后断开电源，取出钛或者钛合金，即制得具有生物活性基团以及抑菌性和生物活性的钛或者钛合金植入材料。
上述技术方案中，所述的分析纯含氯离子的物质为盐酸，或氯化钠，或氯化钾，或氯化钙，或氯化镁，或氯化铵。
上述技术方案中，所述阳极氧化表面处理时在阳极和阴极间施加的直流电压为60V。
上述技术方案中，所述阳极氧化表面处理的时间为30秒。
上述技术方案中，所述钛或钛合金浸入盐酸溶液中浸泡时间为5分钟。
本发明的制备方法获得的生物医用钛或钛合金植入材料，其表面含有抑菌性基团和生物活性基团，它们分别是Ti-Cl基团和Ti-OH基团，这些Ti-Cl基团在生理环境下水解产生具有抑菌杀菌作用的-ClOx离子；生物医用钛或者钛合金植入材料用于植入人或动物体内，可避免在植入部位发生因为细菌引起的感染；同时Ti-OH基团在生理环境下吸附钙磷离子产生类骨磷灰石界面层，能实现与骨组织、皮下软组织以及皮肤组织之间的生物活性结合。
本发明的生物医用钛或者钛合金植入材料在人或动物体内的应用，是将在含Cl-离子的电解质中进行阳极氧化处理过的、表面含有抑菌性基团和生物活性基团的生物医用钛或钛合金植入人或者动物体内进行的硬组织修复。因为经阳极氧化处理过的生物医用钛或者钛合金表面含有抑菌性基团Ti-Cl和生物活性基团Ti-OH，抑菌性基团可避免在植入部位发生因为细菌引起的感染；同时Ti-OH基团在生理环境下吸附钙磷离子产生类骨磷灰石界面层，能实现与骨组织、皮下软组织以及皮肤组织之间的生物活性结合。
上述技术方案中，所述生物医用钛或钛合金的应用是植入人或动物股骨内的大段骨缺损的修复。
上述技术方案中，所述生物医用钛或钛合金还应用于人或动物的经皮器件。
本发明的生物医用钛或者钛合金植入人或者动物股骨内的大段骨缺损，由于植入材料具有生物活性和抑菌杀菌作用，既提高了植入材料与体内的生物活性结合，又避免了细菌在植入材料周围发生的感染；生物医用钛或者钛合金应用于人或者动物的经皮器件，由于植入材料具有生物活性，从而提高了植入材料与组织间形成生物活性结合，由于植入材料具有抑菌杀菌作用，可避免了细菌在经皮部位发生感染，使植入材料与皮肤形成生物密封，进而提高植入材料在体内植入的成功率。
本发明具有以下的优点及积极效果：
1、本发明的制备方法操作简单，使用极其方便。
2、本发明所得的生物医用钛或者钛合金植入材料既具有生物活性，同时还能产生抑菌杀菌作用的-ClOx离子，植入体内可避免细菌引起的感染；以及吸附钙磷离子产生类骨磷灰石界面层，植入体内能实现与骨组织、皮下软组织以及皮肤组织之间的生物活性结合。
3、生物医用钛或者钛合金植入人或者动物股骨内的大段骨缺损，由于植入材料具有生物活性和抑菌杀菌作用，从而提高了植入材料与体内的生物活性结合，并避免了细菌在体内引起的感染。
4、生物医用钛或者钛合金应用于人或者动物的经皮器件，由于植入材料具有生物活性和抑菌杀菌作用，从而提高了植入材料与体内的生物活性结合，并避免了细菌在经皮部位发生感染。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的具体描述，但本发明的内容不仅限于所述实施例中所涉及的内容。
实施例1
以生物医用级钛为基底材料，以分析纯的盐酸为原料加入去离子水配制成1M浓度氯离子的电解质水溶液，将医用钛与阳极氧化处理所使用的直流电源的阳极连接，在电源的阴极上也接上医用钛作为阳极氧化处理过程的阴极；以分析纯的盐酸为原料加入去离子水配制成5M的水溶液，将钛置入5M盐酸水溶液中浸泡3分钟去除表面污染物后，将直流电源的电压调节为60V，即施加60V的电压，处理30秒，取出医用钛，再用去离子水清洗干净，获得表面富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的抑菌性生物活性钛。将这些富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的钛植入体内，由于材料兼具生物活性和抑菌性，该植入材料能与骨组织形成生物活性结合；能与皮下软组织形成生物活性结合；能与皮肤形成生物密封。
实施例2
以生物医用级钛合金为基底材料，以分析纯的氯化钠为原料加入去离子水配制成3M浓度氯离子的电解质水溶液，将医用钛合金与阳极氧化处理所使用的直流电源的阳极连接，在电源的阴极上也接上医用钛合金作为阳极氧化处理过程的阴极；以分析纯的盐酸为原料加入去离子水配制成2M的水溶液，将钛合金置入2M盐酸水溶液中浸泡6分钟去除其表面污染物后，将清洗后的钛合金放入氯化钠水溶液中施加45V的电压处理60秒，取出医用钛合金，用去离子水清洗干净，获得表面富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的抑菌性生物活性钛合金。将这些富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的钛合金植入体内，由于该植入材料兼具生物活性和抑菌性，材料能与骨组织形成生物活性结合；能与皮下软组织形成生物活性结合；能与皮肤形成生物密封。
实施例3
以生物医用级钛为基底材料，以分析纯的氯化钾为原料加入去离子水配制成5M浓度氯离子的电解质水溶液，将医用钛与阳极氧化所使用的直流电源的阳极连接，在电源的阴极上接上医用钛作为阳极氧化处理过程的阴极；以分析纯的盐酸为原料加入去离子水配制成1M浓度的水溶液，将钛置入1M盐酸水溶液中浸泡7分钟去除表面污染物后，将清洗后的钛放入氯化钾水溶液中施加15V的电压处理90秒，取出医用钛，用去离子水清洗干净，获得表面富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的抑菌性生物活性钛。将这些富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的钛植入体内，由于该植入材料兼具生物活性和抑菌性，材料能与骨组织形成生物活性结合；能与皮下软组织形成生物活性结合；能与皮肤形成生物密封。
实施例4
以生物医用级钛合金为基底材料，以分析纯的氯化镁为原料加入去离子水配制成含7M浓度氯离子的电解质水溶液，将医用钛合金与阳极氧化所使用的直流电源的阳极连接，在电源的阴极上接上医用钛合金作为阳极氧化处理过程的阴极；以分析纯的盐酸为原料加入去离子水配制成5M浓度的水溶液，将钛合金置入5M盐酸水溶液中浸泡4分钟去除表面污染物后，将清洗后的钛合金放入氯化镁水溶液中施加10V的电压处理120秒，取出医用钛合金，用去离子水清洗干净，获得表面富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的抑菌性生物活性钛合金。将这些富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的钛合金植入体内，由于材料兼具生物活性和抑菌性，该植入材料能与骨组织形成生物活性结合；能与皮下软组织形成生物活性结合；能与皮肤形成生物密封。
实施例5
以生物医用级钛为基底材料，以分析纯的氯化钙为原料加入去离子水配制成含10M浓度氯离子的电解质水溶液，将医用钛与阳极氧化所使用的直流电源的阳极连接，在电源的阴极上接上医用钛作为阳极氧化处理过程的阴极；以分析纯的盐酸为原料加入去离子水配制成5M浓度的水溶液，将钛置入5M盐酸水溶液中浸泡5分钟去除表面污染物后，将清洗后的钛放入氯化钙水溶液中施加5V的电压处理120秒，取出医用钛，用去离子水清洗干净，获得表面富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的抑菌性生物活性钛。将这些富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的钛植入体内，由于该植入材料兼具生物活性和抑菌性，材料能与骨组织形成生物活性结合；能与皮下软组织形成生物活性结合；能与皮肤形成生物密封。
实施例6
以生物医用级钛合金为基底材料，以分析纯的氯化铵为原料加入去离子水配制成含0.1M浓度氯离子的电解质水溶液，将医用钛合金与阳极氧化所使用的直流电源的阳极连接，在电源的阴极上接上医用钛合金作为阳极氧化处理过程的阴极；以分析纯的盐酸为原料加入去离子水配制成5M浓度的水溶液，将钛合金置入5M盐酸水溶液中浸泡8分钟去除表面污染物后，将清洗后的钛合金放入氯化铵水溶液中施加100V的电压处理15秒，取出医用钛合金，用去离子水清洗干净，获得表面富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的抑菌性生物活性钛合金。将这些富含Ti-Cl基团以及Ti-OH基团的钛合金植入体内，由于该植入材料兼具生物活性和抑菌性，材料能与骨组织形成生物活性结合；能与皮下软组织形成生物活性结合；能与皮肤形成生物密封。
本发明制得的生物医用钛及钛合金植入材料用于植入人或者动物体内，特别植入人或者动物股骨内的大段骨缺损，由于该植入材料具有Ti-OH基团，表现出生物活性，其与股骨间形成生物活性结合；同时植入材料还富含Ti-Cl基团，能产生具有抑菌杀菌作用的-ClOx离子，植入体内其周围可避免细菌引起的感染，从而提高在体内植入的成功率；将该植入材料应用于人或者动物的经皮器件时，由于植入材料具有Ti-OH基团，表现出生物活性，其与皮下组织间形成生物活性结合；同时植入材料还富含Ti-Cl基团，产生具有抑菌杀菌作用的-ClOx离子，可避免在经皮部位产生细菌引起的感染，使植入材料与皮肤形成生物密封，从而提高在经皮植入时的成功率。
Claims (9)
1.一种用于硬组织修复用的抑菌性生物医用活性钛或钛合金植入材料的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
(1)以生物医用级钛或钛合金为基底材料，用分析纯盐酸制备1-5M浓度的盐酸溶液，将钛或钛合金浸入盐酸溶液中浸泡3-8分钟清洗，除去其表面污染物；
(2)将分析纯含氯离子的物质加入去离子水配制成含0.1-10M浓度的氯离子电解质溶液，采用阳极氧化表面改性处理技术，在赋予钛或钛合金基底材料以生物活性基团的同时，赋予其表面以具有抑菌功能的基团；
(3)所述阳极氧化表面改性处理技术，是将上述清洗过的钛或钛合金两端分别连接到一电压为0.1-120V的直流电源的阳极和阴极上，再将其浸入上述配制好的电解质溶液中；
(4)调节直流电源电压，使钛或钛合金基底在进行阳极氧化表面处理时阳极和阴极间施加的直流电压在1-100V之间，阳极氧化表面处理的时间在1-200秒之间，然后断开电源，取出钛或钛合金，即制得具有生物活性基团以及抑菌性和生物活性的钛或钛合金植入材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的分析纯含氯离子的物质为盐酸，或氯化钠，或氯化钾，或氯化钙，或氯化镁，或氯化铵。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述阳极氧化表面处理在阳极和阴极间施加的直流电压为60V。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于所述阳极氧化表面处理的处理时间为30秒。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述钛或钛合金浸入盐酸溶液中浸泡时间为5分钟。
6.一种权利要求1-5中任一所述制备方法制备的生物医用钛或钛合金植入材料，其特征在于该植入材料表面含有抑菌性基团Ti-Cl和生物活性基团Ti-OH，这些Ti-Cl基团在生理环境下水解产生具有抑菌杀菌作用的-ClOx离子。
7.一种权利要求6所述的生物医用钛或钛合金植入材料的应用，其特征在于将表面含有抑菌性基团和生物活性基团Ti-Cl和Ti-OH的生物医用钛或钛合金植入人或者动物体内进行的硬组织修复。
8.根据权利要求7所述的生物医用钛或钛合金植入材料的应用，其特征在于该生物医用钛或钛合金植入人或者动物股骨内进行的大段骨缺损的修复。
9.根据权利要求7所述的生物医用钛或钛合金植入材料的应用，其特征在于该生物医用钛或钛合金还应用于人或动物的经皮器件。
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