CN102912349A - 一种微纳复合结构的钛种植体表面制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有微纳复合结构的钛种植体表面制备方法，通过（1）对光滑的种植体表面进行喷砂处理，然后超声处理，再用水冲洗、吹干；（2）在浓度为30%至饱和的草酸溶液处理30~240分钟，再用水冲洗干净、吹干；（3）用98%的H₂SO₄和30%的H₂O₂的混合酸溶液处理，再用水洗，即得。本发明在喷砂、草酸处理的微米结构表面上，二次刻蚀获得了具有微纳复合结构的种植体表面，与微米结构表面相比，具有更多层级的微结构可以为细胞生长和组织的再生重建提供更全面的环境信号，同时该微纳复合表面具有超亲水性，显著提高了蛋白吸附能力，对于进一步提高种植体的表面生物活性具有极大意义。

Description

一种微纳复合结构的钛种植体表面制备方法

技术领域

本发明属于医用材料制造技术领域，描述具有微纳复合结构的钛种植体表面制备方法。

技术背景

自20世纪中期骨结合理论被提出以后，种植体的研究应用取得了显著进展；种植修复因其以人工牙根作支撑，不需磨除健康邻牙，咀嚼效率高、异物感小、不损及邻牙，坚固耐用，并在常规固定修复无法实现的游离端缺失、全口缺失的情况下都能达到良好的美学和功能修复效果等优点而受到广大缺牙患者的青睐，被誉为“人类的第三副牙齿”。种植技术已经成为治疗牙列缺损/缺失的常规治疗方法，被越来越多的患者和口腔医生接受。种植体与周围骨组织形成骨整合（osseointegration），是种植成功的标志。种植体表面特性可以影响种植体植入后的生物学反应，是决定骨整合速度和程度的重要因素之一。表面形貌特性在种植体骨整合中发挥重要作用。构建理想的种植体表面，使其具有高生物活性，缩短种植修复的疗程，扩大适应症，远期效果可靠，是目前口腔种植科研工作者的奋斗目标之一。

种植体表面形貌从尺寸上可分为大尺度、微米尺度和纳米尺度。不同尺度的形貌可以从不同方面影响种植体的生物学性能。大尺度形貌可增加种植体的机械嵌合，促进初期稳定性。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。研究发现，微纳复合表面有利于成骨细胞的生物行为。

分别赋予种植体表面微米尺度结构和纳米尺度结构的方法有很多，但在微米尺度的结构上构建纳米尺度结构的方法却不多。我们的研究发现，喷砂、草酸处理的种植体再用硫酸和双氧水的混合物处理，可以获得微纳复合的表面，该表面具有超亲水性，蛋白吸附能力强。

本发明公布一种具有高生物活性的微纳复合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，然后通过草酸酸蚀在大尺度起伏上获得微米尺度的凹坑，最后通硫酸和双氧水的混合物处理进一步在微米尺度凹坑上获得纳米尺度结构。该表面比表面积大，表面能高，具有很强的蛋白吸附能力，有望获得良好的体内效果。该发明可用于各种钛植入体表面处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有微纳复合结构的钛种植体表面制备方法，通过以下步骤实现：

（1）喷砂：用20~100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、氧化锆等材料对光滑的种植体表面进行喷砂处理，喷砂压力为3~10bar，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。喷砂后的钛种植体，分别用丙酮、乙醇和纯水超声处理15min，然后，用大量纯净水冲洗，氮气吹干。获得几十微米到十几微米的大起伏。

（2）草酸酸蚀：喷砂处理后的种植体在草酸溶液处理30~240分钟，其中最佳处理时间为45~90分钟，草酸的质量浓度为30%至饱和，最佳质量浓度为37.5%，处理温度为60℃到沸水浴，最佳温度为80℃至沸水浴。处理后的钛种植体用大量水冲洗干净，氮气吹干。这样可以在喷砂几十个微米级的起伏上获得微米至亚微米级的结构。

（3）二次酸蚀： 草酸处理后的种植体用质量浓度98%为H₂SO₄和质量浓度30%H₂O₂的混合酸溶液处理，其中H₂SO₄和H₂O₂的体积比为7:3~3:7，最佳比例为1:1，混合溶液温度为1~50℃，最佳温度为20~30℃，处理时间为30~240分钟，其中最佳时间为60~90分钟。经过H₂SO₄/H₂O₂处理，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的具有微纳复合结构的钛种植体表面。该微纳复合结构的表面具有超亲水性。

本发明的有益之处是，在喷砂、草酸处理的微米结构表面上，二次刻蚀获得了具有微纳复合结构的种植体表面，与微米结构表面相比，该表面具有更多层级的微结构可以为细胞生长和组织的再生重建提供更全面的环境信号，同时该微纳复合表面具有超亲水性，显著提高了蛋白吸附能力，这二者对于进一步提高种植体的表面生物活性具有极大意义。

附图说明

图1是喷砂+草酸处理钛片的电镜图，其中图1A ×5000，图1B ×30000。

图2是喷砂+草酸处理+H₂SO₄/H₂O₂处理钛片的电镜图，其中图2A ×5000，图2B ×30000。

图3是草酸及H₂SO₄/H₂O₂处理前后钛表面XRD图。

图4是蛋白吸附实验结果。

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，从而可以实现促进植入体和骨组织间的骨整合，并提高植入体的远期成功率，因此，其他体内永久性钛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。所有主要经过本发明的处理程序获得的超亲水的微纳复合表面都在本专利的保护范围以内。

实施例一： 

（1）喷砂：表面光滑的钛种植体用40~60目金刚砂，在5 bar压力下，均匀喷涂60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，然后大量纯净水洗净，氮气吹干。获得十几微米到几十微米的大起伏。

（2）草酸酸蚀：喷砂处理后的种植体直接放入已充分溶解的质量浓度为37.5%的草酸溶液中沸水浴60分钟，然后用大量水清洗干净，氮气吹干。 

（3）二次酸蚀：将上述草酸处理后的种植体放到体积比为1:1的H₂SO₄（质量浓度98%）和H₂O₂（质量浓度30%）的混合溶液中，室温下处理60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的具有微纳复合结构的钛种植体表面。

实施例二：

（1）喷砂：表面光滑的种植体用20~40目金刚砂，在5 bar压力下，均匀喷涂60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。获得十几微米到几十微米的大起伏。

（2）草酸酸蚀：吹干后的种植体直接放入已充分溶解的质量浓度为37.5%的草酸溶液中沸水浴60分钟，用大量纯水清洗干净。

（3）二次酸蚀：将上述处理的种植体放到体积比为1:1的H₂SO₄（质量浓度98%）和H₂O₂（质量浓度30%）的混合溶液中，室温下处理90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的具有微纳复合结构的钛种植体表面。

实施例三：

（1）喷砂：表面光滑的种植体用80~100目金刚砂，在5 bar压力下，均匀喷涂60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。获得十几微米到几十微米的大起伏。

（2）草酸酸蚀：吹干后的种植体直接放入已充分溶解的质量浓度为37.5%的草酸溶液中沸水浴处理30分钟，用大量纯水清洗干净。

（3）二次酸蚀：将上述处理的种植体放到体积比为1:1的H₂SO₄（质量浓度98%）和H₂O₂（质量浓度30%）的混合溶液中，室温下处理90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的具有微纳复合结构的钛种植体表面。

实施例四：

（1）喷砂：表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5 bar压力下，均匀喷涂60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。获得十几微米到几十微米的大起伏。

（2）草酸酸蚀：吹干后的种植体直接放入已充分溶解的质量浓度为37.5%的草酸溶液中80℃处理60分钟，用大量纯水清洗干净。

（3）二次酸蚀：将上述处理的种植体放到体积比为1:1的H₂SO₄（质量浓度98%）和H₂O₂（质量浓度30%）的混合溶液中，室温下处理240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的具有微纳复合结构的钛种植体表面。

实施例五：

（1）喷砂：表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂60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。

（2）草酸酸蚀：吹干后的种植体直接放入已充分溶解的质量浓度为30%的草酸溶液中沸水浴90分钟，用大量纯水清洗干净。

（3）二次酸蚀：将上述处理的种植体放到体积比为4:6的H₂SO₄（质量浓度98%）和H₂O₂（质量浓度30%）的混合溶液中，室温下处理60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的具有微纳复合结构的钛种植体表面。

实施例六：

（1）喷砂：表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5 bar压力下，均匀喷涂70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。

（2）草酸酸蚀：吹干后的种植体直接放入沸水浴下的饱和草酸溶液中沸水浴60分钟，用大量纯水清洗干净。

（3）二次酸蚀：将上述处理的种植体放到体积比为6:4的H₂SO₄（质量浓度98%）和H₂O₂（质量浓度30%）的混合溶液中，室温下处理60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的具有微纳复合结构的钛种植体表面。

实施例七

（1）喷砂：表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷涂60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。

（2）草酸酸蚀：吹干后的种植体直接放入已充分溶解的浓度为50%的草酸溶液中沸水浴60分钟，用大量纯水清洗干净。

（3）二次酸蚀：将上述处理的种植体放到体积比为1:1的H₂SO₄（质量浓度98%）和H₂O₂（质量浓度30%）的混合溶液中，室温下处理90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的具有微纳复合结构的钛种植体表面。

实施例八：

对上面的七个实施例中得到的全部具有微纳复合结构的种植体表面都用表面接触角仪进行表征，发现室温条件下，他们的纯水接触角值全部为0，显示这七种钛种植体表面都具有超亲水性。 

实施例九： 

对实施例一中的草酸处理后微米级表面及二次酸蚀后的微纳复合表面钛片表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图1和图2。草酸处理后，喷砂形成的几十位微米的起伏上出现了直径5微米以下的深凹，且凹的壁上又出现更小尺度的凹，结构层次分明（图1）。草酸处理基础上的H₂SO₄/H₂O₂处理，赋予了表面纳米级结构（图2）。

 实施例十：

分别对对实施例一中的打磨光滑表面、打磨草酸处理后微米级表面及二次酸蚀后的微纳复合机构钛片表面进行X线衍射分析，结果参见图3。与光滑组相比，草酸处理后钛片表面出现了TiH₄峰，而草酸处理基础上再H₂SO₄/H₂O₂处理，未明显改变钛片表面的成分。

实施例十一：

对实施例一中的草酸处理后微米级表面及二次酸蚀后的微纳复合表面钛片表面作蛋白吸附试验，草酸处理基础上的H₂SO₄/H₂O₂处理显著增强了表面的蛋白吸附能力。结果参见图4。

Claims (2)

1.一种具有微纳复合结构的钛种植体表面制备方法，通过以下步骤实现：

（1）喷砂：用20~100目材料的对光滑的种植体表面进行喷砂处理，喷砂压力为3~10bar，喷砂时间为10~600秒，喷砂后的钛种植体，分别用丙酮、乙醇和纯水超声处理15分钟，然后，用大量纯净水冲洗，氮气吹干；

（2）草酸酸蚀：喷砂处理后的钛种植体在草酸溶液处理30~240分钟，草酸的质量浓度为30%至饱和，处理温度为60℃到沸水浴，最佳温度为80℃至沸水浴，处理后的钛种植体用大量水冲洗干净，氮气吹干；

（3）二次酸蚀：草酸处理后的种植体用质量浓度为98%的 H₂SO₄和质量浓度为30%的H₂O₂的混合酸溶液处理，其中H₂SO₄和H₂O₂的体积比为7:3~3:7，混合溶液温度为1~50℃，处理时间为30~240分钟，处理完后直接用大量水洗，获得超亲水的多尺度的具有微纳复合结构的钛种植体表面。

2.根据权利要求1所述的一种具有微纳复合结构的钛种植体表面制备方法，其特征在于：步骤（1）所述20~100目材料选用金钢砂、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、氧化铈或氧化锆。

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