CN101766839B - 载银抗菌型的人工关节及其制备方法 - Google Patents

载银抗菌型的人工关节及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种载银抗菌型的人工关节及其制备方法，这种人工关节由纯钛或钛合金人工关节基体以及负载有微量元素银和骨形态发生蛋白(BMP)的微孔钛酸钠生物活性层组成。所述及的具有微孔结构的钛酸钠层生物活性层与金属基体表面结合，由钛或者钛合金基体表面与氢氧化钠溶液水热反应生成的钛酸钠微孔结构相互交替堆叠而成，银元素与钠进行阳离子交换掺入涂层，BMP通过离心力与毛细管作用复合于微孔结构中。制备的方法为：首先选用纯钛或钛合金加工好人工关节；然后采用碱液水热合成技术在钛人工关节表面获得具有微孔结构的钛酸钠层；再通过溶液浸渍离子交换在微孔钛酸钠层内掺入微量元素银；最后采用离心负载技术在掺银的微孔钛酸钠层内负载骨形态发生蛋白。

Description

载银抗菌型的人工关节及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种载银抗菌型的人工关节及其制备方法，特别涉及一种选用纯钛或钛合金加工基体，采用碱液水热合成技术获得微孔钛酸钠生物活性涂层，通过溶液浸渍离子交换掺银，使用离心负载技术负载骨形态发生蛋白的人工关节及其制备方法，属于人工关节材料技术领域。
背景技术
目前，人工关节植入人体的病例数量每年可达120万例，是国内外骨科需求量最大的植入材料之一。通常使用的人工关节是金属材料，因其是生物惰性材料，与人体骨组织之间不能形成牢固的生理结合，在植入几年后，常常会发生松动、下沉，导致人工关节置换失败，二次手术不可避免。采用表面改性技术在人工关节金属基体表面制备生物涂层(膜)，可降低人体环境下有害金属离子的溶出，提高其生物相容性和生物活性，使得人工关节与人体骨组织之间形成牢固的生理结合。
据研究表明银具有广谱抗菌、杀菌效率高、不易产生抗药性等特点，它接触微生物并与菌体蛋白酶的-SH基结合，使微生物丧失活性而致细菌死亡。此外银可与致病菌DNA碱基结合并形成交叉链接，置换嘌呤和嘧啶中相邻氮之间的氢键，使DNA变性而不能复制，起到抑制或杀灭细菌的效果。进行外科移植的人工关节，在植入前后都或多或少的会与外部环境接触，从而发生污染。而掺入银元素的人工关节材料，能够极大的提高人工关节自身的抗菌消毒能力，增强其临床应用上的安全性。但是银离子易随人体血液循环排出体外，必须要寻找合适方法控制其缓慢释放。
骨形态发生蛋白(BMP)是广泛存在于骨基质中的一种低分子糖蛋白多肽，可以作用于间充质细胞表面受体，诱导血管周围的未分化间充质细胞和骨髓基质细胞转化为软骨和骨细胞，具有诱导骨形成的生物特性。在人工关节表面负载骨形态发生蛋白(BMP)，可以显著提高植入初期人工关节表面诱导成骨的能力。但是BMP易被较快吸收、降解，必须要有合适的载体起到提高其释放周期的作用。
人体硬组织的主要无机质是钙磷相，而钛酸钠盐在体液中可以转变为水合二氧化钛，使金属表面原位形成许多Ti-OH基团，从而诱导体液中的钙、磷沉积，形成磷灰石层(Ceramics International，1996，79(24)：1127-1129)。另外由于钛酸钠晶体的特殊结构，使得钠离子有着很强的交换能力，可以与多种阳离子进行置换，从而进行离子缓释，加强钛酸钠结构层的功能性。同时表面微孔的特殊形貌增大了比表面积，使得钛酸钠结构层在负载能力方面得到极大的增强。
制备具有生物活性的钛酸钠结构的常用方法是碱液水热合成技术。中国专利ZL02117866.6“一种制备水合钛酸钠盐以及系列钛酸盐纳米管的工艺方法”公开了一种基于碱液水热合成技术制备钛酸钠纳米结构的方法，即在密闭容器中使用二氧化钛粉体或者偏钛酸粉体与氢氧化钠溶液进行水热反应，最终制得具有管状结构的分散的钛酸钠盐。但该制备方法只能制备出分散的钛酸盐结构，并没有涉及金属基体表面的制备。而钛酸钠作为一种极具潜力的生物医用材料，还很少有应用于人工关节材料技术领域。因此寻找合适的工艺在人工关节金属基体表面制备具有特殊结构的钛酸钠生物活性涂层，并且增强其功能性和负载能力，将越来越受到人工关节材料技术领域的重视。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对人工关节材料上述不足，提出一种具有微量元素银缓释功能，并且可以显著提高植入初期人工关节表面诱导成骨能力的人工关节及其制备方法。
技术方案：这种载银抗菌型的人工关节在金属基体表面有一层采用碱液水热合成技术制备的具有微孔结构的钛酸钠生物活性层，其表面利用溶液浸渍离子交换进行掺银，并且使用离心负载技术复合有骨形态发生蛋白(BMP)。具有微孔结构的钛酸钠生物活性层与金属基体结合强度高，由于钛酸钠微孔结构交替堆叠生长于基体表面，具有很好的生物活性并且能促进磷灰石层的沉积生长，银元素掺入后在人工关节表面缓释，可有效的杀菌、消毒，提高其植入安全性，同时微孔结构也是BMP的理想载体。人工关节与BMP复合通常采用离心负载技术，BMP可通过离心效应与毛细管效应的双重作用深入渗透到微孔钛酸钠涂层中，使人工关节表面BMP的携带量大大提高。人工关节植入人体后，其表面BMP释放周期延长，有利于BMP诱导成骨作用的充分发挥。
本发明通过以下技术方案加以实现：
在这种载银抗菌型的人工关节金属基体表面有一层具有微孔结构的钛酸钠生物活性涂层，微孔涂层上进一步掺银，并且复合有骨形态发生蛋白(BMP)。
所述及的微孔结构的钛酸钠生物活性涂层与金属基体表面结合，由钛或者钛合金基体表面与氢氧化钠溶液进行水热反应生成的钛酸钠微孔结构相互交替堆叠而成；所述及的银元素通过溶液浸渍与钛酸钠的钠离子进行阳离子交换；所述及的BMP由离心负载技术复合于微孔结构涂层中。
其制备的步骤如下：
1)首先选用纯钛或者钛合金加工好人工关节；
2)把人工关节进行表面预处理，通过物理打磨抛光以及清洗，然后通过水热处理获得具有微孔结构的钛酸钠生物活性涂层；
3)将表面有微孔结构的生物活性涂层的人工关节浸泡在AgNO3溶液中，恒温水浴下搅拌浸泡，取出，清洗，干燥。
4)将掺银之后的人工关节置于由骨形态发生蛋白和磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液中，利用离心负载技术进行表面活化，取出。
5)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明载银抗菌型的人工关节。
所述的水热处理采用浓度为5～15mol/L的NaOH水溶液，处理时间为4～200小时，处理温度为60～180摄氏度；所述的浸渍掺银采用浓度为5×10-2～2×10-1mol/L的AgNO3水溶液，工作温度为60～100℃，浸泡时间为2～12小时；所述的离心负载技术，采用浓度为0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，工作转速2000～80000rpm，工作时间5～30min，工作温度4～40℃。
有益效果：
(1)银具有广谱抗菌、杀菌效率高、不易产生抗药性等特点。本发明载银抗菌型的人工关节在金属基体表面有一层采用碱液水热合成技术制备的具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层，其表面进一步通过溶液浸渍离子交换浸渍掺银，并且采用离心负载技术复合有骨形态发生蛋白(BMP)，该人工关节材料有很好的生物活性、杀菌消毒作用以及诱导成骨效应，可在短期内安全地与骨组织形成牢固的生理结合。
(2)人工关节表面钛酸钠生物活性涂层与金属基体结合强度高，并具有理想的微孔结构，可作为“晶核基面”促进磷灰石层的沉积生长，钛酸钠结构中的钠阳离子易于进行离子交换掺入各种元素；掺银之后的钛酸钠结构具有杀菌消毒作用，同时微孔也是BMP理想的载体，有利于BMP诱导成骨作用的充分发挥。
附图说明
图1为本发明人工关节表面具有微孔结构的钛酸钠表面层形态的扫描电镜(SEM)照片；
图2是本发明人工关节表面具有微孔结构的钛酸钠表面层的X射线衍射(XRD)谱。
具体实施方式
实施例1
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；
(2)人工关节表面水热处理：将人工关节打磨抛光，然后用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗，采用浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液进行水热反应，工作温度120摄氏度，处理时间为6小时，在人工关节表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层。
(3)浸渍法掺银处理：将表面水热处理过的人工关节浸入浓度为5×10-2mol/L的AgNO3溶液中，工作温度为60℃的AgNO3溶液中，采用水浴方法恒定。采用磁力搅拌器搅动，浸渍处理2～12小时后取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥。
(4)BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的掺银钛酸钠生物活性涂层的人工关节固定于离心筒内，倒入0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以6000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(5)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明载银抗菌型的人工关节。
实施例2
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；
(2)人工关节表面水热处理：将人工关节打磨抛光，然后用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗，采用浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液进行水热反应，工作温度120摄氏度，处理时间为6小时。
(3)浸渍法掺银处理：将表面水热处理过的人工关节浸入浓度为2×10-1mol/L的AgNO3溶液中，工作温度为60℃的AgNO3溶液中，采用水浴方法恒定。采用磁力搅拌器搅动，浸渍处理2～12小时后取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥。
(4)BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的掺银钛酸钠生物活性涂层的人工关节固定于离心筒内，倒入0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以8000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(5)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明载银抗菌型的人工关节。
实施例3
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；
(2)人工关节表面水热处理：将人工关节打磨抛光，然后用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗，采用浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液进行水热反应，工作温度150摄氏度，处理时间为72小时，在人工关节表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层，其SEM照片和XRD谱分别见图1和图2。
(3)浸渍法掺银处理：将表面水热处理过的人工关节浸入浓度为5×10-2mol/L的AgNO3溶液中，工作温度为60℃的AgNO3溶液中，采用水浴方法恒定。采用磁力搅拌器搅动，浸渍处理2～12小时后取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥。
(4)BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的掺银钛酸钠生物活性涂层的人工关节固定于离心筒内，倒入0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以6000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(5)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明载银抗菌型的人工关节。
实施例4
(1)首先选用Ti6Al4V合金加工好人工关节；
(2)人工关节表面水热处理：将人工关节打磨抛光，然后用丙酮、70％的酒精、蒸馏水超声清洗，采用浓度为10mol/L的氢氧化钠水溶液进行水热反应，工作温度150摄氏度，处理时间为72小时。
(3)浸渍法掺银处理：将表面水热处理过的人工关节浸入浓度为2×10-1mol/L的AgNO3溶液中，工作温度为60℃的AgNO3溶液中，采用水浴方法恒定。采用磁力搅拌器搅动，浸渍处理2～12小时后取出，蒸馏水超声清洗，室温干燥。
(4)BMP的离心负载处理：将表面具微孔结构的掺银钛酸钠生物活性涂层的人工关节固定于离心筒内，倒入0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以80000rpm的离心速度工作时间5～30min，保持工作温度4～40℃，取出；
(5)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明载银抗菌型的人工关节。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可在上述说明的基础上做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举，而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种载银抗菌型的人工关节的制备方法，其特征在于：所述的载银抗菌型的人工关节是由纯钛或钛合金人工关节基体以及负载有微量元素银和骨形态发生蛋白BMP的具有微孔结构的钛酸钠生物活性层组成，所述及的具有微孔结构的钛酸钠生物活性层与金属基体表面结合，由钛或者钛合金基体表面与氢氧化钠溶液水热反应生成的钛酸钠微孔结构相互交替堆叠而成，再通过溶液浸渍离子交换在微孔钛酸钠层内掺入微量元素银，最后采用离心负载技术在掺银的微孔钛酸钠层内负载骨形态发生蛋白BMP，所述及载银抗菌型的人工关节制备方法按如下步骤进行：
1)首先选用纯钛或者钛合金加工好人工关节；
2)把人工关节表面打磨抛光，然后采用碱液水热合成技术在其表面获得具微孔结构的钛酸钠生物活性涂层；
3)再通过溶液浸渍离子交换在微孔钛酸钠层内掺入微量元素银；
4)最后采用离心负载技术在掺银的微孔钛酸钠层内负载骨形态发生蛋白，
所述及的碱液水热合成技术，采用浓度为5～15mol/L的NaOH水溶液，处理时间为4～200小时，处理温度为60～180摄氏度。
2.根据权利要求1所述的载银抗菌型的人工关节的制备方法，其特征在于所述及的溶液浸渍离子交换，采用浓度为5×10-2～2×10-1mol/L的AgNO3溶液，恒温水浴温度为60～100℃，浸泡时间2～12小时。
3.根据权利要求1所述的载银抗菌型的人工关节的制备方法，其特征在于所述及的离心负载技术，具体操作为：将表面具有掺银微孔钛酸钠生物活性涂层的人工关节置于离心机中，倒入浓度为0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以2000～80000rpm的离心速度工作5～30min，其间保持工作温度为4～40℃。
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