CN102552044B - 一种多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法 - Google Patents
一种多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法，通过喷砂获得大尺度的起伏结构，然后通过预酸蚀来赋予种植体表面微米级复合结构，最后通过二次酸蚀来赋予种植体表面微纳复合的多尺度复合结构，该表面可以显著促进种植体骨整合的发生。经研究发现，喷砂和几次酸蚀获得多尺度复杂结构的同时可以赋予种植体表面以超亲水的效果，而这种超亲水性的表面可以进一步促进成骨细胞的分化和局部活性因子的产生，促进种植体的骨整合作用。
Description
技术领域
本发明属于医用材料制造技术领域，涉及一种具有超亲水、多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法。
背景技术
种植体与周围骨组织形成骨整合（osseointegration）是种植成功的关键。种植体表面性质在影响种植体周围细胞形态和细胞行为中发挥重要作用，是决定骨整合速度和程度的重要因素之一。一定的种植体表面形貌能诱导细胞形态和细胞活性，进而影响骨整合的发生。
种植体表面形貌可分为三个尺度：大尺度、微米尺度和纳米尺度。大尺度形貌通过种植体表面和在其上面的骨的机械嵌合，可促进种植体的初期稳定性和长期稳定性。微米形貌影响成骨细胞与种植体的粘附，进而影响细胞生长和分化。纳米尺度形貌具有特殊的促进材料和蛋白相互作用的特性，进而可调节细胞功能，促进种植体的稳定，利于骨整合的形成。体外研究表明，增加种植体表面的微米级、亚微米级和纳米级粗糙度，可促进成骨细胞的分化和局部活性因子的产生。构建仿天然骨多尺度结构的种植体表面可促进种植体骨整合作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法，通过以下步骤实现：
（1）喷砂：用20-80目的金钢砂、氧化铝、白色氧化铝、碳化硅、绿色碳化硅、粉红氧化铝、喷丸玻璃珠、铝珠、钢砂、钢珠、塑料砂、树脂砂、核桃砂、氧化铈、氧化锆等对光滑的钛板或者钛种植体表面进行喷砂处理，喷砂压力为4-8bar，最佳压力为4-6bar，其中40-60目砂为最佳，喷砂时间为10-600秒，其中最佳喷砂时间为30-150秒。喷砂后的钛板或者钛种植体依次用丙酮、乙醇和水分别进行超声处理15min，然后，用大量纯净水冲洗，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
（2）预酸蚀：喷砂处理后的钛板或者钛种植体在氢氟酸（HF）和硝酸（HNO3）的混合溶液室温下处理1-20分钟，其中最佳处理时间为3-10分钟，混合溶液中HF的摩尔浓度为0.06-0.15M，最佳浓度为0.11-0.13M，HNO3摩尔浓度为0.07-0.15M，最佳浓度为0.08-0.12M。处理后的钛板或者钛种植体直接用大量水冲洗，干燥；再用盐酸（HCl）和硫酸（H2SO4）混合液65-95℃处理15-45分钟，最佳处理温度为75-90℃，最佳处理时间为20-35分钟，混合溶液中HCl的摩尔浓度为1.8-4mol/L(M)，H2SO4的摩尔浓度为3.5-5M，其中HCl的最佳浓度为2.4-3.5M，H2SO4的最佳浓度为4.2-4.6M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
（3）二次酸蚀：一次酸蚀后的钛板或者钛种植体用质量浓度为98%的H2SO4溶液和质量浓度为30%的H2O2的混合酸溶液处理，其中混合溶液中浓度为98%的H2SO4溶液和质量为30%的H2O2溶液的体积比为7:3-3:7，其中最佳比例为6:4-4:6；混合溶液温度为1-40℃，最佳温度为20-30℃；钛板或者钛种植体表面处理时间为5-60min，其中最佳时间为10-40min。这样处理后，在钛板或者钛种植体表面微米级结构上又覆盖了一层纳米级的颗粒结构，形成超亲水的多尺度复杂结构的种植体表面。
本发明提供的一种具有超亲水、多尺度复杂结构种植体表面的制备方法，该方法通过喷砂获得大尺度的起伏结构，然后通过预酸蚀来赋予种植体表面微米级复合结构，最后通过二次酸蚀来赋予种植体表面微纳复合的多尺度复合结构，该表面可以显著促进种植体骨整合的发生。经研究发现，喷砂和几次酸蚀获得多尺度复杂结构的同时可以赋予种植体表面以超亲水的效果，而这种超亲水性的表面可以进一步促进种植体的骨整合作用。
附图说明
图1是两组钛片的特征表面结构。
图2是两组钛片上成骨前体细胞（MC3T3）的粘附增殖行为。
图3是两组钛片上成骨前体细胞（MC3T3）的骨钙素分泌的量。
图4是两组钛片上成骨前体细胞（MC3T3）的碱性磷酸酶分泌的量。
具体实施方式
本发明结合实施例作进一步的说明，由于本发明可以在所有体内永久性植入的多尺度种植体表面进行构建，从而可以实现植入体和硬组织间的快速骨整合，并提高远期的种植成功率，因此，其他体内永久性植入种植体表面上用本发明所构建的这种表面都在本发明的保护范围之内。本发明的实施例只是为了更好说明本发明的特征，并不完全包含本专利的所保护内容。在本发明所列出的喷砂处理后，预酸蚀的处理方法前，添加其他的预处理方法，如添加额外的酸处理或者碱处理等等，而其他的处理方法与本发明相同，获得特征表面都是超亲水的微纳复合的种植体表面的方法，均应视为本发明的保护范围之内。
实施例一
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液10分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.11 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理20分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为2.9M，H2SO4摩尔浓度为4.5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例二
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液10分钟，其中HF摩尔浓度为0.11 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理20分钟，其中混合溶液中HCl摩尔2.9M，H2SO4摩尔浓度为4.5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放入体积比为6:4的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得多尺度复杂结构种植体表面。
实施例三
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液1分钟，其中HF摩尔浓度为0.11 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理35分钟，其中混合溶液中HCl摩尔2.5M，H2SO4摩尔浓度为3.5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放入体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理20分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得多尺度复杂结构种植体表面。
实施例四
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液1分钟，其中HF摩尔浓度为0.11M，HNO3的摩尔浓度为0.12M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理20分钟，其中HCl摩尔2.5M，H2SO4摩尔浓度为4.8 M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放体积比为4:6的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得多尺度复杂结构种植体表面。
实施例五
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在6bar压力下，均匀喷涂50秒，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液10分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.11 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理30分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为2.9M，H2SO4摩尔浓度为4.5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例六
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在4bar压力下，均匀喷涂2分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液16分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.11 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理15分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为3M，H2SO4摩尔浓度为5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例七
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液6分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.09 M，HNO3的摩尔浓度为0.11M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液90℃处理40分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为2.5M，H2SO4摩尔浓度为4M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例八
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在6bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液15分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.11 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液75℃处理25分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为2.5M，H2SO4摩尔浓度为4.5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例九
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液5分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.1 M，HNO3的摩尔浓度为0.15M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理20分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为2.9M，H2SO4摩尔浓度为5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例十
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液15分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.07 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液85℃处理20分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为3M，H2SO4摩尔浓度为4.5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例十一
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液10分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.11 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理40分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为2.4M，H2SO4摩尔浓度为3.5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例十二
表面光滑的种植体用40-60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂1分钟，喷涂后的种植体分别用丙酮、乙醇和纯水在超声情况下，清洗15min，然后大量纯水洗净，氮气吹干。获得几十到十几微米的大起伏。
吹干后的种植体直接放入冷却至室温的HF和HNO3混合溶液10分钟，混合溶液中HF摩尔浓度为0.11 M，HNO3的摩尔浓度为0.09M，迅速用大量纯水清洗干净。再用HCl和H2SO4混合液80℃处理15分钟，其中混合溶液中HCl摩尔浓度为4M，H2SO4摩尔浓度为5M。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得亚微米级的结构。
将处理好的种植体放到体积比为1:1的H2SO4（98%）和H2O2（30%）的混合溶液中，室温下处理30分钟。处理完后直接用大量水洗，在原来的微米孔洞结构上获得纳米级的起伏结构，从而获得超亲水的多尺度复杂结构种植体表面。
实施例十三
对上面的十二个实施例中得到的种植体表面都进行接触角表征，每组5个样品，每个样品上去独立的五个测试位置进行静态接触角测试，结果取几组数据的平均值，研究发现，他们的接触角都为0。显示，这十二种表面都具有超亲水性。
实施例十四
对实施例一中的表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图1。与喷砂+预酸蚀组相比，喷砂+预酸蚀+二次酸蚀组高倍特征表面上，出现了大量细小的纳米颗粒。图1中A：喷砂+预酸蚀组，B为图A的局部放大图；C：喷砂+预酸蚀+二次酸蚀组，D为图C的局部放大图。
实施例十五
实施例一中所得到的微纳复合表面对MC3T3细胞粘附、增殖行为的影响。与喷砂+预酸蚀组相比，喷砂+预酸蚀+二次酸蚀组显著促进了细胞的粘附和增殖行为。结果参见图2。
实施例十六
实施例一中所得到的微纳复合表面对MC3T3细胞骨钙素表达的影响。与喷砂+预酸蚀组相比，喷砂+预酸蚀+二次酸蚀组显著促进了骨钙素的分泌。结果参见图3。
实施例十七
实施例一中所得到的微纳复合表面对MC3T3细胞碱性磷酸酶表达的影响。与喷砂+预酸蚀组相比，喷砂+预酸蚀+二次酸蚀组显著促进了骨钙素的分泌。结果参见图4。
Claims (4)
1.一种多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
（1）喷砂：用20-80目的金钢砂、氧化铝、喷丸玻璃珠、铝珠、钢砂、钢珠、塑料砂、树脂砂、核桃砂、氧化铈或氧化锆对光滑的钛板或者钛种植体表面进行喷砂处理，喷砂压力为4-8bar，喷砂时间为10-600秒，喷砂后的钛板或者钛种植体依次用丙酮、乙醇和水分别进行超声处理15分钟，然后，用大量纯净水冲洗，氮气吹干；
（2）预酸蚀：喷砂处理后的钛板或者钛种植体在氢氟酸和硝酸的混合溶液室温下处理1-20分钟，混合溶液中氢氟酸的摩尔浓度为0.06-0.15M，硝酸的摩尔浓度为0.07-0.15M，处理后的直接用大量水冲洗，干燥，再用盐酸和硫酸混合液65-95℃处理15-45分钟，混合溶液中盐酸的摩尔浓度为1.8-4 M，硫酸的摩尔浓度为3.5-5M；
（3）二次酸蚀：将一次酸蚀后的钛板或者钛种植体用质量浓度为98%的H2SO4溶液和质量浓度为30%的H2O2溶液的混合酸溶液处理，混合溶液中H2SO4溶液和H2O2溶液的体积比为7:3-3:7，混合溶液温度为1-40℃，钛板或者钛种植体表面处理时间为5-60分钟。
2.根据权利要求1所述的一种多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法，其特征在于，步骤（1）中用40-60目的金钢砂、氧化铝、喷丸玻璃珠、铝珠、钢砂、钢珠、塑料砂、树脂砂、核桃砂、氧化铈或氧化锆喷砂，喷砂压力为4-6bar，喷砂时间为30-150秒。
3.根据权利要求1所述的一种多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法，其特征在于，步骤（2）中室温下处理时间为3-10分钟，混合溶液中氢氟酸的摩尔浓度为0.11-0.13M，硝酸的摩尔浓度为0.08-0.12M，再用盐酸和硫酸混合液75-90℃处理20-35分钟，混合溶液中HCl的摩尔浓度为2.4-3.5M，H2SO4的摩尔浓度为4.2-4.6M。
4.根据权利要求1所述的一种多尺度复杂结构的牙种植体表面的制备方法，其特征在于，步骤（3）中混合溶液中H2SO4溶液和H2O2溶液的体积比为6:4-4:6，混合溶液温度为20-30℃，钛板或者钛种植体表面处理时间为10-40分钟。
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| Ludovic Richert et al..Surface nanopatterning to control cell growth.《Advanced Materials》.2008,第20卷 |
| Surface nanopatterning to control cell growth;Ludovic Richert et al.;《Advanced Materials》;20080401;第20卷;第1488页右栏-1492页左栏 * |
| 何福明等.纯钛种植体表面多孔结构的制备与分析.《上海口腔医学》.2005,第14卷(第6期), |
| 刘安.医用钛表面纳米羟基磷灰石涂层的自组装制备方法研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库 医药卫生科技辑》.2005, |
| 医用钛表面纳米羟基磷灰石涂层的自组装制备方法研究;刘安;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 医药卫生科技辑》;20051015;第18-29页，摘要 * |
| 纯钛种植体表面多孔结构的制备与分析;何福明等;《上海口腔医学》;20051231;第14卷(第6期);第639-644页 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2538736A (en) * | 2015-05-26 | 2016-11-30 | Straumann Holding Ag | Process for the preparation of a topography for improved blood coagulation and/or cell attachment on a body made of titanium or a titanium alloy |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102552044A (zh) | 2012-07-11 |
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