CN101791433B

CN101791433B - 纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层及其制备方法

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Publication number: CN101791433B
Application number: CN2010101306571A
Authority: CN
Inventors: 王金成; 王卓鹏; 郭嵩; 张净宇; 宋旸; 李激扬; 于吉红
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: CN101791433A

Abstract

本发明涉及一种表面抗菌涂层及其制备方法，特别是涉及可用于骨科临床使用的纯钛或钛合金内固定、外固定板、人工关节假体表面的分子筛抗菌涂层及制备方法。该涂层的制备方法是首先在纯钛或钛合金表面生长一层分子筛薄膜，然后使用离子交换技术在分子筛层负载一定量的无机抗菌离子，从而获得具有抗菌性能的表面涂层。该涂层具有良好的生物相容性和生物力学性能，可缓慢释放无机抗菌离子，有效抑制材料周围和表面的细菌繁殖，可起到长效抗菌的作用。无机抗菌离子的负载量可通过简单地改变离子交换浓度、时间和温度等条件调控。本方法具有工艺简单、成本低廉等优点，可应用于任何形状、表面粗糙程度的纯钛或钛合金材料器械，便于大规模生产。

Description

纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种表面抗菌涂层及其制备方法，特别是涉及可用于骨科临床使用的纯钛或钛合金内固定板、人工关节假体表面的分子筛抗菌涂层及其制备方法。

技术背景

纯钛和钛合金具有良好的生物相容性、生物力学性能及抗腐蚀能力，已被广泛应用于骨科植入材料的制备。然而，包括纯钛和钛合金在内的任何非生物体的植入往往有术后感染的风险。由植入材料引起的术后感染一般不能通过常规的全身性抗生素治疗治愈，这是因为细菌在材料表面生长形成的菌膜可以耐受较高浓度的抗生素，而抗生素的全身给药不足以提供有效的局部杀菌浓度，最终取出植入物并重新手术往往是治疗术后感染的唯一途径。植入材料引起的术后感染可导致严重的后果，如骨髓炎、截肢甚至死亡。术后感染不仅加剧了患者的痛苦、加重患者的经济负担，而且大大增加了临床上防治的医疗投入。目前在临床上虽然有严格的无菌操作和全身的抗菌素的预防，在很大程度上降低了术后感染的风险，但植入物引起的术后感染仍然有3％的发生概率，鉴于术后感染的严重后果，人们一直在努力寻求进一步降低术后感染风险的方法。一个简单并且有效的方法是在材料表面负载或修饰抗菌剂，使植入材料表面具有抗菌性能。

常用的抗菌剂一般可分为有机抗菌剂(抗生素和非抗生素有机分子)和无机抗菌剂(银、铜、锌金属或金属离子等)。负载有机抗菌剂的一个典型例子是已广泛应用于临床的负载抗生素的骨水泥，自从上世纪七十年代初首次使用以来，在临床上取得了很好的效果，大大降低了术后感染的风险，然而其副作用是导致耐药菌的大量出现，而一旦出现耐药菌感染问题将更加棘手。美国专利US5756145报道了一种在植入材料表面负载抗生素的多层涂层。与有机抗菌剂相比，无机抗菌剂具有广谱抗菌、稳定、耐高温、长效、生物相容性好和耐药性低等优势，近年来引起人们广泛关注。目前，通过负载无机抗菌剂(特别是银或银离子)制备钛或钛合金表面抗菌涂层的方法有很多，例如国际专利WO2009100792报道了一种阳极氧化方法将银沉积在钛或钛合金表面，通过银的缓慢氧化达到缓释银离子长效杀菌的作用；Chen等人提出了一种磁控溅射共喷涂羟基磷灰石和银的方法(Biomaterials 2006；27(32)：5512-5517)；Ewald等提出了使用一种物理气相沉积(PVD)技术在钛合金表面沉积银的方法(Biomedical Engineering Online 2006Mar 24；5)。美国专利US6582715报道了一种将交换了银离子的分子筛颗粒嵌入树酯中黏附于植入材料表面或将分子筛粉末直接喷涂于材料表面的方法，当材料表面与人体组织或体液接触时，银离子可通过离子交换进入体内起到抗菌作用。

分子筛作为一种多孔材料以其优异的催化、吸附、分离性能在化工等传统领域有着极其广泛与重要的应用。近年来，随着分子筛膜制备、主客体组装等技术的发展，分子筛膜等器件材料不断拓展其在防腐蚀、传感器、材料表面功能化修饰等诸多方面的应用，并且逐渐扩展到生物医学领域，如抗菌、杀菌、药物缓释、快速止血等。国内外的多项研究表明，分子筛材料不仅具有良好的生物相容性，而且分子筛涂层具有优异的防腐蚀和抗菌能力，其力学强度大大优于羟基磷灰石，而其独特的规则孔结构可以负载具有特定功能的分子或离子，这更是其他材料无法比拟的优势。

目前尚无在纯钛或钛合金表面直接生长分子筛涂层并负载抗菌离子的报道。

发明内容：

本发明的目的是在纯钛或钛合金骨科内固定物、人工假体的表面制备一种新型的抗菌分子筛复合涂层，通过其缓释抗菌离子，起到预防及治疗骨科内植物感染的功效。

本发明所述的在纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层，其特征在于：在纯钛或钛合金表面制备分子筛抗菌涂层，所述分子筛为NaA、NaY、NaX、ZSM-5、LTL、SOD、NaP、ZSM-2或MOR，抗菌离子为银离子；抗菌离子通过与分子筛孔道中的碱金属离子交换后进入分子筛涂层，在分子筛抗菌涂层中银离子的含量是1～41wt％，分子筛抗菌涂层的厚度为1～4μm。

本发明所述的纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备步骤如下：

(1)纯钛或钛合金表面预处理：将纯钛或钛合金材料置入含2％(v/v)清洁剂(如白猫牌家用洗洁精)的去离子水中，在60～80℃下浸泡1～5h，然后用去离子水超声洗净，干燥，随后用紫外灯照射12～24h；

(2)纯钛或钛合金表面分子筛涂层的制备：将表面预处理的纯钛或钛合金放入装有分子筛合成液的反应釜中，在其表面制备分子筛膜，再将制备得到的分子筛膜复合钛片用去离子水洗净后干燥；

(3)分子筛膜复合钛片抗菌离子的交换：配制0.0005～0.05mol/L、pH＝5.0～8.0的硝酸银水溶液，将分子筛膜复合钛片置入配制的溶液中，在50～60℃、生物摇床下进行离子交换反应；然后取出分子筛膜复合钛片，洗净，干燥，即在纯钛或钛合金表面得到抗菌分子筛复合涂层。

进一步地，步骤(1)所述干燥是使用压缩空气吹干或放入干燥箱在80～110℃下烘干1～5h；

步骤(2)所述的分子筛为NaA、NaY、NaX、ZSM-5、LTL、SOD、NaP、ZSM-2或MOR；

步骤(2)所述的反应釜为有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜，反应釜的温度为80～180℃、压力为反应自生压力、反应时间为4～24h。

步骤(2)所述的将表面处理好的纯钛或钛合金放入装有分子筛合成液的反应釜中，纯钛或钛合金垂直放置于反应釜的分子筛合成液中。

步骤(3)所述的摇床转速为40～180r/min。

步骤(3)所述的离子交换反应的时间为10min～24h；

步骤(3)所述的银离子交换过程要求全程避光。

步骤(3)所述的洗净，可采用超声波下用大量去离子水洗10～20min，反复3～5次，直至用稀HCl检测清洗过的溶液没有白色沉淀生成。

由上述方法制造的抗菌分子筛复合涂层材料中，银离子的含量小于或等于分子筛膜涂层的离子交换容量。

纯钛或钛合金表面抗菌分子筛复合涂层的抗菌性能检测：

以耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)和耐药的铜绿假单胞菌(革兰氏阴性菌)为实验菌，采用稀释平板细菌计数法分别对材料周围的细菌数量和材料表面附着的细菌数量进行评估。

为了便于进行抗菌实验，将钛或钛合金材料加工成直径8mm、厚1mm的圆片(下文简称钛片)。抗菌实验步骤如下：将钛片分为两组，每组五个做平行实验，一组表面有本发明所述的分子筛抗菌涂层，另一组无任何涂层作为参照。将两组钛片分别放入盛有2mL肉汤的试管中，并加入100μL配制好的浓度为10⁷cells/mL的菌液，置于37℃并通有5％(v/v)CO₂的孵箱里培养。分别在培养0、1、2、4、8、12、24小时后从试管中取出10μL菌液，稀释适当的倍数后涂板。肉眼观察记录菌落数，并根据稀释倍率计算细菌数量。对于检测细菌在材料表面附着情况，可将钛片在培养一定时间之后取出，用生理盐水将表面未粘附的细菌冲掉，放入另一盛有3mL生理盐水的试管中，然后高速涡流1min使表面附着的细菌脱离钛片，再将菌液进行稀释涂板，在37℃下培养24h，肉眼观察记录菌落数，根据稀释倍率计算细菌数量。以实施例1为例，抗菌测试结果如下表：

表1：含银分子筛抗菌涂层对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗菌效果

表2：含银分子筛抗菌涂层对耐药铜绿假单胞菌的抗菌效果

表3：含银分子筛抗菌涂层表面附着细菌的存活情况

从以上结果可以看出，负载银离子的分子筛抗菌涂层具有很强的杀菌效果，既能杀死表面附着的细菌，又能有效地抑制材料周围的细菌繁殖。

本发明与现有技术相比具有如下优势：

1.本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层制备方法可应用于任何形状、任何表面粗糙程度的纯钛或钛合金表面。

2.由于分子筛直接生长于纯钛或钛合金表面，本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层具有与基体表面结合紧密、不易脱落的优点。

3.本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层为连续的、致密的薄膜。

4.本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层制备方法可通过简单地调变离子交换的浓度和时间来控制银离子的负载量。

5.由于银离子与分子筛涂层有较强的静电力作用，本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层可以通过离子交换反应缓慢释放银离子，从而达到长效抗菌的功效。

6.本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层具有很强的抗菌性和良好的生物相容性。可应用于骨科临床纯钛或钛合金内固定、外固定板、人工关节假体等表面抗菌涂层的制备。

7.本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层具有更接近人骨的弹性模量(30～40Gpa)，可防止发生由植入材料的力学性能与人骨不匹配导致的无菌性松动。

8.本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层稳定、耐高温高压便于术前的器械灭菌。

9.本发明提出的纯钛或钛合金表面抗菌分子筛涂层的制备方法简单、制造成本低，可以大规模地制备。

附图说明：

图1：实施例1中含银分子筛复合材料表面扫描电子显微镜照片；

图2：实施例1中含银分子筛复合材料的横断面扫描电子显微镜照片；

图3：实施例1中含银分子筛复合材料电子能谱(EDS)谱图；

图4：实施例2中含银分子筛复合材料电子能谱(EDS)谱图；

图5：实施例3中含银分子筛复合材料电子能谱(EDS)谱图；

图6：实施例4中含银分子筛复合材料电子能谱(EDS)谱图；

如图1所示，分子筛以多晶交错生长方式在钛合金表面形成连续、致密的薄膜。

如图2所示，分子筛膜与钛合金表面结合紧密，分子筛膜厚度为1-4μm；

如图3所示，实施例1的分子筛表面涂层的银离子含量约为41wt％；

如图4所示，实施例2的分子筛表面涂层的银离子含量约为18wt％；

如图5所示，实施例3的分子筛表面涂层的银离子含量约为9wt％；

如图6所示，实施例4的分子筛表面涂层的银离子含量约为2wt％。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

以NaA分子筛为表面涂层，银离子含量约占分子筛涂层质量的41％：

使用钛片尺寸为直径8mm、厚1mm。

钛片的表面预处理：将钛片置入含2％(v/v)白猫牌家用洗洁精的去离子水中，在80℃下浸泡1h，然后用去离子水超声洗净，干燥，随后用紫外灯照射18h；

将偏铝酸钠溶于氢氧化钠溶液中搅拌至澄清液制成铝源溶液；将九水硅酸钠溶于水中搅拌至澄清制成硅源溶液，然后缓慢将铝源溶液加入硅源溶液中，搅拌30min，制成比例为43Na₂O∶1Al₂O₃∶4.4SiO₂∶840H₂O的溶胶，然后静置1h，得到NaA分子筛合成液；再将经过表面预处理的钛片竖直悬浮于合成液中，放入反应釜，于80℃烘箱中反应4h。然后取出，自然冷却，用超纯水将钛片表面的离子和盐清洗掉避免影响离子交换，得到分子筛复合钛片，分子筛涂层厚度为1～4μm；然后配制浓度为0.05mol/L的硝酸银水溶液，pH＝6.8，量取20mL银离子溶液倒入锥形瓶里，再放入20个前面步骤制备的分子筛复合钛片，在50℃下生物摇床180r/min下进行离子交换10min，交换过程须避光。取出钛片，反复用超纯水超声清洗，直至用稀HCl检测清洗过的溶液没有白色沉淀生成，压缩空气吹干，即在钛片上得到分子筛抗菌离子复合涂层。电子能谱(EDS)测试结果显示银离子含量约占分子筛涂层质量的41％。抗菌效果见表1、表2、表3。

实施例2：

以NaA分子筛为表面涂层，银离子含量占分子筛涂层质量的18％：

钛片的表面预处理与实施例1相同。

将偏铝酸钠溶于氢氧化钠溶液中搅拌至澄清液制成铝源，九水硅酸钠溶于水中搅拌至澄清制成硅源，缓慢将铝源加入硅源中，搅拌30min，然后静置1h制成比例为45Na₂O∶1Al₂O₃∶4.4SiO₂∶900H₂O的溶胶，得到NaA分子筛合成液。将清洗过的钛片竖直悬浮于合成液中，放入80℃烘箱中反应4小时。然后取出，自然冷却。将制备得到的分子筛膜复合钛片用超纯水将表面离子清洗掉避免影响离子交换，得到分子筛复合钛片，分子筛涂层厚度为1～4μm；配制0.001mol/L浓度的硝酸银水溶液(pH约为7)，量取13.02mL倒入离心管中里，放入5个分子筛复合钛片，在50℃下生物摇床180r/min下进行离子交换20min，交换过程须避光。取出钛片，反复用超纯水超声清洗，直至用稀HCl检测清洗过的溶液没有白色沉淀生成，压缩空气吹干，即在钛片上得到分子筛抗菌离子复合涂层。电子能谱(EDS)测试结果显示银离子含量约占分子筛涂层质量的18％。抗菌实验结果表明抗菌性与实施例1没有明显差别，24h对耐甲氧西林金色葡萄球菌抑菌率为99.9％

实施例3：

以NaA分子筛为表面涂层，银离子含量占分子筛涂层质量的9％：

钛片的表面预处理与实施例1相同。分子筛涂层制备过程同实施例1。

配制0.001mol/L浓度的硝酸银水溶液(pH约为7)，量取6.51mL倒入离心管中，放入5个分子筛复合钛片，在50℃下生物摇床180r/min下进行离子交换20min，交换过程须避光。取出钛片，反复用超纯水超声清洗洗直至用稀HCl检测清洗过的溶液没有白色沉淀生成，压缩空气吹干。即在钛片上得到分子筛抗菌离子复合涂层。电子能谱(EDS)测试结果显示银离子含量约占分子筛涂层质量的9％。抗菌实验结果表明抗菌性与实施例1没有明显差别，24h对耐甲氧西林金色葡萄球菌抑菌率为98.7％

实施例4：

以NaA分子筛为表面涂层，银离子含量占分子筛涂层质量的2％：

配制0.0005mol/L浓度的硝酸银水溶液(pH约为7)，移取2.62mL左右倒入离心管中，放入5个分子筛复合钛片，在50℃下生物摇床180r/min下进行离子交换20min，交换过程须避光。取出钛片，反复用超纯水超声清洗洗直至用稀HCl检测清洗过的溶液没有白色沉淀生成，压缩空气吹干。即在钛片上得到分子筛抗菌离子复合涂层。电子能谱(EDS)测试结果显示银离子含量约占分子筛涂层质量的2％。抗菌实验结果表明抗菌性与实施例1没有明显差别，24h对耐甲氧西林金色葡萄球菌抑菌率为99.5％。

实施例5：

以NaX分子筛为表面涂层，银离子为抗菌功能离子：

钛片的表面预处理与实施例1相同。

将偏铝酸钠溶于氢氧化钠溶液中搅拌至澄清液制成铝源，九水硅酸钠溶于水中搅拌至澄清制成硅源，缓慢将铝源加入硅源中，制成比例为18Na₂O∶1Al₂O₃∶18SiO₂∶360H₂O的溶胶，搅拌30min，然后室温下静置24h。将清洗过的钛片竖直悬浮于合成液中，放入100℃烘箱中反应24小时。然后取出，自然冷却，超声清洗掉未成膜的产物。将制备得到的分子筛膜复合钛片用超纯水将表面离子和盐清洗掉避免影响离子交换，配制0.05mol/L浓度的硝酸银水溶液(pH＝6.8)，量取10mL左右倒入锥形瓶里，放入分子筛复合钛片，在50℃下生物摇床180r/min下进行离子交换10min。取出钛片，反复用超纯水超声清洗直至用稀HCl检测清洗过的溶液没有白色沉淀生成，压缩空气吹干。

抗菌实验结果表明抗菌性与实施例1相比没有明显差别。

实施例6：

以MOR分子筛为表面涂层，银离子为抗菌功能离子。

钛片的表面预处理与实施例1相同。

MOR分子筛合成液采用Chem.Mater.2001，13，1865-1873所述配比，将NaOH(95％)和NaAlO₂(32.6％Na₂O，35.7％Al₂O₃)溶于去离子水中制成铝源溶液，再将其缓慢加入硅溶胶(Ludox AS 40)中，最后组成为3.2Na₂O∶Al₂O₃∶12SiO₂∶210H₂O，搅拌30min。将清洗过的钛片竖直悬浮于合成液中，放入165℃烘箱中反应24h。然后取出，自然冷却，超声清洗掉未成膜的产物。将制备得到的分子筛膜复合钛片用超纯水将表面离子和盐清洗掉避免影响离子交换，配制0.05mol/L浓度的硝酸银水溶液(pH＝6.8)，量取10mL左右倒入锥形瓶里，放入分子筛复合钛片，在50℃下生物摇床180r/min下进行离子交换10min。取出钛片，反复用超纯水超声清洗直至用稀HCl检测清洗过的溶液没有白色沉淀生成，压缩空气吹干。

抗菌实验结果表明抗菌性与实施例1相比没有明显差别。

Claims

1.纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层，其特征在于：在纯钛或钛合金表面制备分子筛抗菌涂层，所述分子筛为NaA、NaY、NaX、ZSM-5、LTL、SOD、NaP、ZSM-2或MOR，抗菌离子为银离子；抗菌离子通过与分子筛孔道中的碱金属离子交换后进入分子筛涂层，在分子筛抗菌涂层中银离子的含量是1～41wt％，分子筛抗菌涂层的厚度为1～4μm。

2.一种纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备方法，其步骤如下：

a)纯钛或钛合金表面预处理：将纯钛或钛合金材料置入含2％体积清洁剂的去离子水中，在60～80℃下浸泡1～5h，然后用去离子水超声洗净，干燥，随后用紫外灯照射12～24h；

b)纯钛或钛合金表面分子筛涂层的制备：将表面预处理的纯钛或钛合金放入装有分子筛合成液的反应釜中，在其表面制备分子筛膜，再将制备得到的分子筛膜复合钛片用去离子水洗净后干燥；分子筛为NaA、NaY、NaX、ZSM-5、LTL、SOD、NaP、ZSM-2或MOR；

c)分子筛膜复合钛片抗菌离子的交换：配制0.0005～0.05mol/L、pH＝5.0～8.0的硝酸银水溶液，将分子筛膜复合钛片置入配制的溶液中，在50～60℃、生物摇床下进行离子交换反应；然后取出分子筛膜复合钛片，洗净，干燥，即在纯钛或钛合金表面得到抗菌分子筛复合涂层。

3.如权利要求2所述的一种纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤a)所述干燥是使用压缩空气吹干或放入干燥箱在80～110℃下烘干1～5h。

4.如权利要求2所述的一种纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤b)所述的反应釜为有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜，反应釜的温度为80～180℃、压力为反应自生压力、反应时间为4～24h。

5.如权利要求2所述的一种纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤b)所述的将表面预处理的纯钛或钛合金放入装有分子筛合成液的反应釜中，是将纯钛或钛合金垂直放置于反应釜的分子筛合成液中。

6.如权利要求2所述的一种纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤c)所述的摇床转速为40～180r/min。

7.如权利要求2所述的一种纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤c)所述的离子交换反应的时间为10min～24h。

8.如权利要求2所述的一种纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤c)所述的银离子交换过程全程避光。

9.如权利要求2所述的一种纯钛或钛合金表面分子筛抗菌涂层的制备方法，其特征在于：步骤c)所述的洗净，是在超声波下用大量去离子水洗10～20min，反复3～5次，直至用稀HCl检测清洗过的溶液没有白色沉淀生成。