CN102743789B - 具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根及其制备方法 - Google Patents

Abstract

具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根及其制备方法，该人工牙根由纯钛或钛合金基体、微弧氧化方法制备的多孔二氧化钛表面层及其表面孔壁上沉积生长的氧化锌纳米棒或纳米锥复合而成，即首先在人工牙根钛基体表面通过调节微弧氧化参数获得孔径可调控的多孔二氧化钛生物活性表面层，进一步通过调节电沉积参数，在二氧化钛生物活性表面层上沉积制备氧化锌纳米棒/锥，形成具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根。该人工牙根可利用表面丰富的二氧化钛微米孔结构及其孔壁上沉积生长的氧化锌纳米拓扑结构，增强表面成骨细胞的粘附、生长、增殖等生物学效应，实现元素锌的缓释，大大提高了植入初期表面的抑菌能力、生物活性、生物相容性、细胞调控能力。

Description

具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根及其制备方法，该人工牙根由纯钛或钛合金基体、微弧氧化方法制备的多孔二氧化钛表面层及其表面孔壁上沉积生长的氧化锌纳米棒或纳米锥复合而成，属于人体硬组织替代材料领域。

背景技术

人工种植牙可恢复缺失天然牙组织的功能，这就使得用传统方法无法修复的牙组织损坏患者可得到根本的治疗，提高生活质量。通常使用的人工牙根替代材料是金属材料，因其是生物惰性材料，与牙床骨组织之间不能形成牢固的生理结合，在植入后，常常会发生松动，导致置换失败。此外，植入硬组织的失效会导致骨吸收等并发症，严重影响人工替代组织的远期疗效。采用表面改性技术在人工硬组织替代金属基体表面制备功能性生物涂层（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，并增强植入体功能。

钛合金表面的二氧化钛陶瓷层无生物毒性，耐磨耐蚀性良好，具有其他传统材料无法达到的良好生物相容性和生物活性。其表面如果形成可控多孔、岛状、沟槽等微纳米结构，能进一步增加了陶瓷层的粗糙度，可以促进细胞组织与材料表面的附着结合，优先黏附成骨细胞，对细胞生长有诱导作用，能有效提高骨组织与植入物的界面结合强度，促进骨愈合。不同孔径、不同形貌的微纳米表面拓扑结构能显著影响细胞在种植体表面的生长形态和功能，同时，表面膜层的多孔拓扑结构还可为药物负载和缓释提供场所。

纳米棒锥状氧化锌晶体也是理想的生物材料，在生物传感器、光动力疗法等方面有广泛的医学应用前景。同时，在生理环境中纳米氧化锌具有低速率可溶解性特点，而锌元素是各种酶和蛋白的重要组成部分，具有生物学调节器的功能。

通过微弧氧化方法配合阴极电沉积技术在纯钛或钛合金表面制备具有生物活性的多孔二氧化钛陶瓷膜/氧化锌纳米拓扑结构的复合涂层，所形成的具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根显示出巨大的生物医学应用潜力。然而，相关研究至今未见报道。鉴于此，引出本发明。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根及其制备方法，拟首先在人工牙根钛基体表面通过调节微弧氧化参数获得孔径可调控的多孔二氧化钛生物活性表面层，进一步通过调节电沉积参数，在二氧化钛生物活性表面层上沉积制备氧化锌纳米棒/锥，形成具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根。该人工牙根可利用表面丰富的二氧化钛微米孔结构及其孔壁上沉积生长的氧化锌纳米拓扑结构，增强表面成骨细胞的粘附、生长、增殖等生物学效应，实现元素锌的缓释，大大提高了植入初期表面的抑菌能力、生物活性、生物相容性、细胞调控能力。

技术方案:该具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根是由微弧氧化技术和对电沉积技术在纯钛或钛合金基体表面制备的生物相容性良好的多孔二氧化钛表面层和氧化锌纳米棒/锥复合而成。微弧氧化技术制备的二氧化钛表面层具有多孔、沟槽等结构，提高种植牙表面粗糙度，为细胞增殖生长和药物缓释提供有益场所，良好的耐磨耐蚀性有利于延长种植牙使用寿命；纳米棒/锥状氧化锌与二氧化钛微米孔组成的微纳米分级拓扑结构，可实现元素锌的缓释，抑制人工牙根植入过程中的细菌感染，调节生物学性能。

本发明具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根是由纯钛或钛合金为基体，微弧氧化方法制备的多孔二氧化钛表面层及其表面孔壁上沉积生长的氧化锌纳米棒或纳米锥复合而成；其中，多孔二氧化钛表面层通过微弧氧化方法在钛金属表面原位氧化生成，二氧化钛表面层中弥散分布有孔径为的微米孔；氧化锌纳米棒或纳米锥通过电沉积方法沉积生长在多孔二氧化钛层表面孔壁上，氧化锌纳米棒或纳米锥直径在之间、长度在之间。

所述及钛合金是医用Ti6Al4V合金，或是含有Nb、Sn、Mo或Zr中一种或多种元素的医用低弹性模量β型钛合金。

本发明具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根的制备方法具体通过如下的步骤实现：

1）首先选用纯钛或者钛合金加工好人工牙根的模型；

2）微弧氧化电解液配制：采用碳酸盐体系电解质水溶液，包含有2~50g/L的Na₂CO₃、0.5~5g/L的KOH；

3）把人工牙根的模型表面打磨抛光，在上述碳酸盐体系特定电解质溶液中以人工牙根模型为阳极，不锈钢为阴极，采用双极脉冲微弧氧化设备对人工牙根模型进行微弧氧化处理，在钛基体表面构建多孔二氧化钛生物活性表面层；

4）配制电沉积电解液：配置包含0.5～10mM的Zn²⁺以及与Zn²⁺等摩尔量的六次甲基四胺(HMT)的电沉积电解质水溶液，置于恒温水浴锅中，调节温度固定在65～95℃之间；

5）将上述微弧氧化处理过的人工牙根模型用酒精淋洗后，真空干燥，再作为阴极，石墨电极为阳极，采用二电极阴极电沉积体系，在上述电沉积电解液中进行氧化锌纳米棒或纳米锥的沉积生长，采用沉积电压为1.0～100V，沉积时间10~100min。

6）将上述人工牙根模型取出，用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根。

采用双极脉冲微弧氧化设备对人工牙根模型进行微弧氧化处理时，采用正向电压200~1000V、负向电压0~300V，脉冲频率调节范围：正向脉冲50Hz~3000Hz、负向脉冲频率1Hz~3000Hz，占空比：正向4%~80%、负向0%~50%，微弧氧化反应时间为0.5~120min。

有益效果：

（1）本发明在人工牙根钛基体表面通过调节微弧氧化参数获得孔径可调控的多孔二氧化钛生物活性表面层，进一步通过调节电沉积参数，在二氧化钛生物活性表面层上沉积制备氧化锌纳米棒/锥，形成具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根，是一种具有生物活性、细胞调控能力、抑菌抗癌和生物相容性的理想人工牙根替代材料。

（2）微弧氧化技术制备的二氧化钛生物活性多孔陶瓷涂层与金属基体结合强度高，并具有孔径在500nm到之间变化可调控孔结构，可促进磷灰石层的沉积生长；微/纳米孔结构有利于微量元素和药物的负载，增加植入体周围骨组织和细胞的接触面积，同时又是细胞黏附、增殖及生长的理想场所。

（3）在二氧化钛多孔陶瓷膜层上电沉积锥状、棒状等不同形态纳米氧化锌可改善植入材料周围细胞的新陈代谢功能、促进骨细胞的粘附、生长、增殖，并且对骨吸收有抑制作用；氧化锌晶体不仅是优良的抗菌剂，提高材料抗菌性能，而且还可以作为药物载体，加快人工牙根手术后的恢复进程。

该人工牙根材料可与骨组织形成牢固的生理结合，促进骨细胞和骨组织的粘附、增殖、生长、发育等，还能载药缓释、抑菌抗癌，是兼具优良生物活性和生物相容性的硬组织替代材料。

具体实例方式

本发明微弧氧化和电沉积制备方法按如下步骤进行：

1）首先将纯钛或钛合金加工成人工牙根模型，再将表面依次经过机械抛光、超声清洗、化学抛光、去离子水淋洗、干燥等步骤，置于干燥皿中备用；

2）配置碳酸盐体系的特定电解质溶液；

3）在上述碳酸盐体系特定电解质溶液中以纯钛或钛合金人工牙根模型为阳极，不锈钢为阴极，采用双极脉冲微弧氧化技术对样品表面进行处理，在基体表面构建多孔二氧化钛生物活性表面层，改变微弧氧化处理参数以调节孔径大小和孔结构，依次用酒精和去离子水淋洗，干燥，备用；

4）配置包含0.5～10mM的Zn²⁺，与Zn²⁺等摩尔量的HMT沉积液，置于恒温水浴锅中，调节温度固定在65～95℃之间；

5）将3）中的样品为阴极，石墨电极为阳极，采用二电极阴极电沉积体系制备棒/锥状氧化锌；

6）将上述材料取出，去离子水淋洗，消毒后无菌保存，备用，即可得具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根。

所述及的碳酸盐体系特定电解质水溶液，包含有2~50g/L的Na₂CO₃、0.5~5g/L的KOH。

所述及的微弧氧化处理工作电压调节范围：正向电压200~1000V、负向电压0~300V，脉冲频率调节范围：正向脉冲50~3000Hz、负向脉冲频率1~3000Hz，占空比：正向4%~80%、负向0%~50%，微弧氧化反应时间为0.5~120min。

所述及的电沉积处理方式工艺参数调节范围：辅助电压1.0～100V、沉积液中Zn²⁺的浓度0.5~10mM，HMT的浓度与Zn²⁺相等，沉积时间10~100min。

实施例1

（1）首先选用医用纯Ti加工好人工牙根模型；

（2）人工牙根预处理：将人工牙根使用标号依次为600#、800#、1000#、1200#的金相砂纸由粗砂到细砂逐级打磨抛光，然后用丙酮、酒精、蒸馏水超声清洗，干燥待用。

（3）电解液的配置：采用碳酸钠溶液体系，配置10L含有浓度为25g/L的碳酸钠溶液和1g/L的氢氧化钾溶液，40℃恒温搅拌溶解，待用；

（4）人工牙根模型的微弧氧化：将人工牙根置于双极脉冲微弧氧化设备的电解槽中并加入配置好的电解液，以人工牙根为阳极，不锈钢电解槽为阴极，调节工艺参数对人工牙根进行微弧氧化。工艺参数为：恒压模式，工作电压调节范围正向电压300~600V，负向电压0~30V，脉冲频率调节范围正向脉冲100~800Hz，占空比正向12%，负向12%，反应时间10~15min；

（5）ZnO纳米棒的负载：将上述取出人工牙根用酒精、蒸馏水淋洗后，将其置于电沉积设备电解槽的沉积液中，以人工牙根为阴极，石墨电极为阳极，调节工艺参数在人工牙根表面沉积生长ZnO纳米结构。工艺参数为：恒压模式，沉积电压1.0~25V，Zn²⁺浓度为0.5~10mM，添加剂HMT的浓度与Zn²⁺浓度等摩尔量，沉积时间10~100min；

（6）将上述取出人工牙根用酒精、蒸馏水淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明具有微纳米分级拓扑表面结构的种植牙，能增强细胞的粘附、生长、增殖等生物学效应的同时，还可实现元素锌的缓释，提高植入初期表面的抑菌能力、生物活性、生物相容性和细胞调控能力。

实施例2

（1）首先选用纯Ti加工好人工牙根模型；

（2）人工牙根预处理：将人工牙根使用标号依次为600#、800#、1000#、1200#的金相砂纸由粗砂到细砂逐级打磨抛光，然后用丙酮、酒精、蒸馏水超声清洗，干燥待用。

（3）电解液的配置：采用碳酸钠溶液体系，配置10L含有浓度为25g/L的碳酸钠溶液和1g/L的氢氧化钾溶液，40℃恒温搅拌溶解，待用；

（4）人工牙根的微弧氧化：将人工牙根置于双极脉冲微弧氧化设备的电解槽中并加入配置好的电解液，以人工牙根为阳极，不锈钢电解槽为阴极，调节工艺参数对人工牙根进行微弧氧化。工艺参数为：恒压模式，工作电压调节范围正向电压400V，负向电压0V，脉冲频率调节范围正向脉冲300Hz，占空比正向12%，负向0%，反应时间15min；

（5）ZnO纳米棒的负载：将上述取出人工牙根用酒精、蒸馏水淋洗后，将其置于电沉积设备电解槽的沉积液中，以人工牙根为阴极，石墨电极为阳极，调节工艺参数在人工牙根表面沉积生长ZnO纳米结构。工艺参数为：恒压模式，沉积电压2.0V，Zn²⁺浓度为5mM，添加剂HMT的浓度与Zn²⁺浓度等摩尔量，沉积时间30min；

（6）将上述取出人工牙根用酒精、蒸馏水淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明孔径10-500μm二氧化钛多孔生物活性基底与长度为1-10μm的纳米棒状氧化锌的微纳米分级拓扑表面结构的种植牙。

实施例3

（1）首先选用医用纯Ti加工好人工牙根；

（2）人工牙根预处理：将人工牙根使用标号依次为600#、800#、1000#、1200#的金相砂纸由粗砂到细砂逐级打磨抛光，然后用丙酮、酒精、蒸馏水超声清洗，干燥待用。

（3）电解液的配置：采用碳酸钠溶液体系，配置10L含有浓度为25g/L的碳酸钠溶液和1g/L的氢氧化钾溶液，40℃恒温搅拌溶解，待用；

（4）人工牙根的微弧氧化：将人工牙根置于双极脉冲微弧氧化设备的电解槽中并加入配置好的电解液，以人工牙根为阳极，不锈钢电解槽为阴极，调节工艺参数对人工牙根进行微弧氧化。工艺参数为：恒压模式，工作电压调节范围正向电压350V，负向电压0V，脉冲频率调节范围正向脉冲600Hz，占空比正向12%，负向0%，反应时间15min；

（5）ZnO纳米棒的负载：将上述取出人工牙根用酒精、蒸馏水淋洗后，将其置于电沉积设备电解槽的沉积液中，以人工牙根为阴极，石墨电极为阳极，调节工艺参数在人工牙根表面沉积生长ZnO纳米结构。工艺参数为：恒压模式，沉积电压1.5V，Zn²⁺浓度为1.5mM，添加剂HMT的浓度与Zn²⁺浓度等摩尔量，沉积时间15min；

（6）将上述取出人工牙根用酒精、蒸馏水淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明孔径0.5-500μm二氧化钛沟槽状生物活性基底与长度为0.1-2μm的纳米锥状氧化锌的微纳米分级拓扑表面结构的种植牙。

实施例4

（1）首先选用纯钛加工好人工牙根；

（2）人工牙根预处理：将人工牙根使用标号依次为600#、800#、1000#、1200#的金相砂纸由粗砂到细砂逐级打磨抛光，然后用丙酮、酒精、蒸馏水超声清洗，干燥待用。

（3）电解液的配置：采用碳酸钠溶液体系，配置10L含有浓度为25g/L的碳酸钠溶液和1g/L的氢氧化钾溶液，40℃恒温搅拌溶解，待用；

（4）人工牙根的微弧氧化：将人工牙根置于双极脉冲微弧氧化设备的电解槽中并加入配置好的电解液，以人工牙根为阳极，不锈钢电解槽为阴极，调节工艺参数对人工牙根进行微弧氧化。工艺参数为：恒压模式，工作电压调节范围正向电压400V，负向电压0V，脉冲频率调节范围正向脉冲50Hz，占空比正向12%，负向0%，反应时间15min；

（5）ZnO纳米棒的负载：将上述取出人工牙根用酒精、蒸馏水淋洗后，将其置于电沉积设备电解槽的沉积液中，以人工牙根为阴极，石墨电极为阳极，调节工艺参数在人工牙根表面沉积生长ZnO纳米结构。工艺参数为：恒压模式，沉积电压2.0V，Zn²⁺浓度为2.5mM，添加剂HMT的浓度与Zn²⁺浓度等摩尔量，沉积时间30min；

（6）将上述取出人工牙根用酒精、蒸馏水淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明孔径0.5-50μm二氧化钛多孔生物活性基底与长度为0.1-10μm纳米棒状氧化锌的微纳米分级拓扑表面结构的种植牙。

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 (2)

1.一种具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根，其特征在于它是由纯钛或钛合金为基体，微弧氧化方法制备的多孔二氧化钛表面层及其表面孔壁上沉积生长的氧化锌纳米棒或纳米锥复合而成；其中，多孔二氧化钛表面层通过微弧氧化方法在钛金属表面原位氧化生成，二氧化钛表面层中弥散分布有孔径为0.5μm-500μm的微米孔；氧化锌纳米棒或纳米锥通过电沉积方法沉积生长在多孔二氧化钛层表面孔壁上，氧化锌纳米棒或纳米锥直径在0.05μm～1.5μm之间、长度在0.1μm～10μm之间；

所述钛合金是医用Ti6Al4V合金，或是含有Nb、Sn、Mo或Zr中一种或多种元素的医用低弹性模量β型钛合金。

2.一种如权利要求1所述的具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根的制备方法，其特征在于该方法具体通过如下的步骤实现：

1）首先选用纯钛或者钛合金加工好人工牙根的模型；

2）微弧氧化电解液配制：采用碳酸盐体系电解质水溶液，包含有2～50g/L的Na₂CO₃、0.5～5g/L的KOH；

3）把人工牙根的模型表面打磨抛光，在上述碳酸盐体系特定电解质溶液中以人工牙根模型为阳极，不锈钢为阴极，采用双极脉冲微弧氧化设备对人工牙根模型进行微弧氧化处理，在钛基体表面构建多孔二氧化钛生物活性表面层；

4）配制电沉积电解液：配置包含0.5～10mM的Zn²⁺以及与Zn²⁺等摩尔量的六次甲基四胺(HMT)的电沉积电解质水溶液，置于恒温水浴锅中，调节温度固定在65～95℃之间；

5）将上述微弧氧化处理过的人工牙根模型用酒精淋洗后，真空干燥，再作为阴极，石墨电极为阳极，采用二电极阴极电沉积体系，在上述电沉积电解液中进行氧化锌纳米棒或纳米锥的沉积生长，采用沉积电压为1.0～100V，沉积时间10～100min；

6）将上述人工牙根模型取出，用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得具有微纳米分级拓扑表面结构的人工牙根；

采用双极脉冲微弧氧化设备对人工牙根模型进行微弧氧化处理时，采用正向电压200～1000V、负向电压0～300V，脉冲频率调节范围：正向脉冲50Hz～3000Hz、负向脉冲频率1Hz～3000Hz，占空比：正向4%～80%、负向0%～50%，微弧氧化反应时间为0.5～120min。