CN102943256B - 蜂窝状多孔结构二氧化钛涂层种植体材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜及其制备方法。该多孔结构二氧化钛薄膜是以钛基前驱体分子为构筑基元，采用呼吸图案法以水滴为动态模板，进行表面溶胶凝胶过程制备得到的。该多孔二氧化钛薄膜的孔径尺寸可以在材料制备过程中通过改变试验参数实现动态控制，如前驱体溶液浓度、混合溶剂的组成、气体流速等。该多孔二氧化钛薄膜相对于钛箔具有更好的细胞相容性，可以铺展于钛基种植体材料表面，用于改善其生物相容性和生物活性，缩短种植体材料与人体的骨整合时间。

Description

蜂窝状多孔结构二氧化钛涂层种植体材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种蜂窝状多孔结构二氧化钛涂层种植体材料及其制备方法。 

背景技术

现代科学技术的进步已使得人类能够进行改造和创建新的生命形态，器官的人工化成为当今医学科学的尖端技术之一。其潜在的核心是医用生物材料的开发，医用生物材料的发展将使人们把处理人体失去功能组织的方法由组织去除、组织替代最终实现组织重建。在医用生物材料的应用中，人工牙、人工关节和人工骨等硬组织替代材料占有较大比例，并以较快速度增长。 

在人工种植体的研究和应用中，与传统的不锈钢和钴基合金相比，钛及其合金由于具有低密度、低模量、高强度、优异的生物相容性和耐腐蚀性等特点而在生物材料领域获得越来越广泛的应用，而且钛在地壳中储量丰富(0.6％，在所有元素中排第9位，在常用金属元素中仅次于铁、镁、铝排第4位)，具有进一步开发的潜在优势，是理想的、应用前景广阔的生物医学工程材料。然而，在将钛种植体植入人体后，外科手术扰乱了人体组织和器官的正常功能，种植体常常需要几周、甚至是几个月的时间才能够与人骨完成较好的骨整合。因此，为缩短种植后的愈合期，提高骨整合的效果，有关钛表面活性化处理的研究日益得到重视。它主要包括两个方面的内容，一是获得能与骨形成骨性结合的活性表面，二是实现钛表面磷灰石涂层的自生。目前，研究者们主要采用的方法为化学处理法和溶胶凝胶法。化学处理法主要是对表面进行酸化、碱化、过氧化氢氧化等化学处理，利用化学处理可在钛表面诱发形成一层生物活性层，从而促进钛种植体的骨性结合，提高结合强度。溶胶凝胶法是指采用溶胶凝胶法，在种植体表面沉积二氧化钛、磷酸钙、二氧化硅涂层。活化后的表面显示出良好的愈合效应和骨性结合，是一个值得进行系统深入研究的领域。 

近年来，多孔二氧化钛薄膜由于其较好的生物相容性、生物活性、化学稳定性及高的比表面积，常被用来修饰钛基种植体材料，以改善其生物相容性、生物活性和传导性。最常用的多孔二氧化钛薄膜的合成方法是以表面活性剂或是胶体晶体为模板的溶胶凝胶法。之后会采用热处理方法或是合适的溶剂选择性溶解的方法除去模板。如此制备的多孔薄膜孔径尺寸固定为模板的尺寸，整个过程复杂、耗钱、耗时。研究者们亟需寻找一种更简单、通用的制备多孔薄膜涂层的方法。 

呼吸图案法是一种非常有前景的、制备具有规则六边形孔阵列多孔薄膜的自组织方法。该方法的要点是有机溶剂蒸发引起的冷凝以及之后的水滴模板的形成。自从1994年Widawski等人首次使用呼吸图案法制备出聚苯乙烯-聚苯撑嵌段共聚物的有序 多孔薄膜，该方法便成为了材料科学领域的一个重要的研究热点。目前，均聚物、共聚物、两亲共聚物、金属纳米粒子、小分子等多种物质已经被用作构筑基元，制备尺寸在50纳米到20微米之间的多孔薄膜。呼吸图案法以其低消耗、操作简便、可大面积制备等优点为多孔薄膜的制备领域带来了新的希望。 

至今还没有关于使用呼吸图案法制备蜂窝状多孔结构二氧化钛涂层种植体材料方面的披露。 

发明内容

本发明目的在于提供一种可应用于钛基种植体表面修饰的、尺寸可调控的、生物相容性的蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜及其制备方法。 

本发明所提供的蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜是以钛基前驱体分子为构筑基元，采用呼吸图案法以水滴为动态模板，进行表面溶胶凝胶过程制备得到。 

具体方法包括如下步骤： 

1)将钛基前驱体溶液涂布在基底表面； 

2)对所述步骤1)的溶液表面吹拂具有一定湿度的潮湿气流，直至溶液中的水和有机溶剂全部挥发，得到蜂窝状多孔薄膜； 

3)将所述步骤2)中所得多孔薄膜在室温下陈化； 

4)将所述步骤3)中陈化后的多孔薄膜在高温下煅烧，得到具有特定晶型的二氧化钛多孔薄膜。 

上述步骤1)中，所述钛基前驱体选自以下钛的醇盐和无机盐中的一种或是多种组合，如四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、钛酸四乙酯。 

所述钛基前驱体溶液中使用的溶剂为氯仿或甲苯和氯仿的混合溶剂；所述混合溶剂中甲苯的体积含量为0-60％，优选5-40％。 

所述钛基前驱体溶液的浓度为2-12mg/mL，优选4-10mg/mL。 

上述步骤1)中，制成所述基底的材料具体可选自下述任意一种：玻璃盖玻片、硅片、铝箔、锡箔、钛箔、云母、PET膜和PS膜。 

所述基底材料的形状为平板、凹凸不平的基面、圆柱状或是不规则形状的表面。 

上述步骤2)中，所述潮湿气流的湿度为41-92％，优选50-70％。所述潮湿气流的气流速度为50-400mL/min，优选200-400mL/min。 

上述步骤2)中，所述蜂窝状多孔薄膜的孔径尺寸为4-13μm，由无定形的二氧化钛组成。 

上述步骤3)中，所述室温陈化的陈化时间为0.5-96h，优选24-48h。 

上述步骤4)中，所述高温煅烧的煅烧温度为400-600℃，优选450-550℃。所述高温煅烧的煅烧时间为1-4h，优选2-3h。 

本发明所制备的二氧化钛多孔薄膜为锐钛矿晶相，具有蜂窝状多孔结构。 

本发明具有如下有益效果： 

1)本发明首次采用小分子金属有机化合物为构筑基元，通过呼吸图案法制备得到大面积的、孔径尺寸分布均匀的多孔薄膜材料。 

2)本发明可以在材料制备过程中改变溶液中的前驱体溶液浓度、混合溶剂的组成、气体流速，实现对多孔薄膜孔径尺寸的动态控制。 

3)本发明制备得到的蜂窝状多孔二氧化钛薄膜相对于钛箔具有更好的生物相容性，可以铺展于钛基种植体表面，改善其细胞相容性和生物活性。 

附图说明

图1为实施例1制备的无定形的二氧化钛多孔薄膜扫描电镜照片。 

图2为实施例1制备的锐钛矿晶相的二氧化钛多孔薄膜扫描电镜照片。 

图3为实施例1制备的二氧化钛多孔薄膜的XRD谱图。曲线a为高温煅烧前的多孔薄膜的电子衍射图谱，曲线b为高温煅烧后的多孔薄膜的电子衍射图谱。 

图4为实施例1制备的煅烧后的二氧化钛多孔薄膜对小鼠胚胎成纤维细胞的细胞毒性测试。(A)为煅烧后的二氧化钛多孔薄膜，(B)为钛箔对照样，(C)为玻璃基底对照样。 

具体实施方式

下面将结合实施例及附图对本发明进行详细描述，以便于本领域技术员理解和实施本发明，并进一步认识本发明的优点。 

除非在本发明说明书中另有定义，否则在此所有的技术术语都是根据本领域一般技术人员所通常使用和理解的惯用定义来使用。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。 

实施例1、制备具有生物相容性的蜂窝状多孔二氧化钛薄膜 

1)配制6mg/mL钛酸四丁酯溶液，溶剂为甲苯和氯仿混合溶剂，其中甲苯的体积含量为6％，将该溶液涂布在干净的盖玻片上。 

2)在步骤1)所得表面吹拂湿度为68％，气速为250mL/min的潮湿气流，1min后得到白色的薄膜，其微观结构如图1所示，所得薄膜具有均匀的蜂窝状多孔结构，平均孔径尺寸为6.1μm。 

3)将步骤2)所得多孔薄膜在室温下陈化48h。 

4)将步骤3)所得多孔薄膜在马弗炉中煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为2.5h。煅烧后的多孔薄膜如图2所示，蜂窝状多孔结构得到了很好的保持，但相比于煅烧前，其孔壁略微变薄，这是由于其在煅烧过程中发生进一步的缩聚反应造成的。 通过上述步骤的制备过程，可以得到大面积的、有序的多孔薄膜。 

使用X射线衍射仪分别得到上述步骤2)和4)所得材料的XRD谱图，如图3所示，其中曲线a是上述步骤2)中所得多孔薄膜的XRD谱图，曲线b是上述步骤4)中所得多孔薄膜的XRD谱图，煅烧前的多孔薄膜为无定形的二氧化钛，而煅烧后的多孔薄膜为锐钛矿晶相的二氧化钛。 

采用MTT细胞活性实验，对小鼠胚胎成纤维细胞(NIH 3T3)在上述步骤4)制备的二氧化钛多孔薄膜表面的生长情况进行评估。该实验在聚苯乙烯48孔板中进行，孔板的底部首先铺展好上述步骤4)制备的蜂窝状多孔薄膜、对照实验的钛箔和玻璃片。当细胞达到90％的生长期时，用标准的消化技术将他们分在48孔板中进行培养，接种细胞密度为2×10⁴cells/mL。培养细胞使用的培养基中含10％(v/v％)的胎牛血清，1％的链霉素和青霉素。培养箱(STERI 371，Thermo Electron Corporation)温度设定为37℃，含有5％(v/v％)CO₂的潮湿空气。3天后，更换新的培养液400μL，为了测定细胞的活性，在每孔中各加入100μL MTT溶液(浓度为5mg/mL)，用铝箔包裹培养板在培养箱中温育。4h后去除孔中的培养基和MTT，然后在各孔中分别加入200μL DMSO，震荡10min，充分溶解沉淀在培养板底部的MTT-甲臜晶体，并将孔板中的溶液分别吸取出来置于新的48孔板中，立即使用紫外-可见光光谱仪检测其在570nm处的吸光值。结果见图4，由图4可知，细胞在二氧化钛多孔薄膜表面生长的较好，并远远高于细胞在钛箔和基底玻璃片上培养时的数值，说明该材料具有很好的细胞相容性，可以应用于钛基种植体材料的表面修饰。 

实施例2、制备具有生物相容性的蜂窝状多孔二氧化钛薄膜 

1)配制6mg/mL钛酸异丙酯溶液，溶剂为甲苯和氯仿混合溶剂，其中甲苯的体积含量为40％，将该溶液涂布在干净的盖玻片上。 

2)在步骤1)所得表面吹拂湿度为92％，气速为400mL/min的潮湿气流，1min后得到白色的蜂窝状多孔薄膜。 

3)将步骤2)所得多孔薄膜在室温下陈化48h。 

4)将步骤3)所得多孔薄膜在马弗炉中煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为2h，得到锐钛矿晶相微晶组成的蜂窝状二氧化钛多孔薄膜。 

实施例3、制备具有生物相容性的蜂窝状多孔二氧化钛薄膜 

1)配制4mg/mL钛酸四丁酯溶液，溶剂为氯仿，将该溶液涂布在干净的硅片上。 

2)在步骤1)所得表面吹拂湿度为41％，气速为50mL/min的潮湿气流，1min 后得到白色的蜂窝状多孔薄膜。

3)将步骤2)所得多孔薄膜在室温下陈化24h。 

4)将步骤3)所得多孔薄膜在马弗炉中煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为3h，得到锐钛矿晶相微晶组成的蜂窝状二氧化钛多孔薄膜。 

实施例4、制备具有生物相容性的蜂窝状多孔二氧化钛薄膜 

1)配制10mg/mL钛酸四丁酯溶液，溶剂为甲苯和氯仿混合溶剂，其中甲苯的体积含量为6％，将该溶液涂布在干净的盖玻片上。 

2)在步骤1)所得表面吹拂湿度为68％，气速为250mL/min的潮湿气流，1min后得到白色的蜂窝状多孔薄膜。 

3)将步骤2)所得多孔薄膜在室温下陈化24h。 

4)将步骤3)所得多孔薄膜在马弗炉中煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为2h，得到锐钛矿晶相微晶组成的蜂窝状二氧化钛多孔薄膜。 

实施例5、制备具有生物相容性的蜂窝状多孔二氧化钛薄膜 

1)配制6mg/mL钛酸四丁酯溶液，溶剂为甲苯和氯仿混合溶剂，其中甲苯的体积含量为10％，将该溶液涂布在干净的盖玻片上。 

2)在步骤1)所得表面吹拂湿度为68％，气速为250mL/min的潮湿气流，1min后得到白色的蜂窝状多孔薄膜。 

3)将步骤2)所得多孔薄膜在室温下陈化48h。 

4)将步骤3)所得多孔薄膜在马弗炉中煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为2.5h，得到锐钛矿晶相微晶组成的蜂窝状二氧化钛多孔薄膜。 

实施例6、制备具有生物相容性的蜂窝状多孔二氧化钛薄膜 

1)配制6mg/mL钛酸四丁酯溶液，溶剂为甲苯和氯仿混合溶剂，其中甲苯的体积含量为6％，将该溶液涂布在干净的盖玻片上。 

2)在步骤1)所得表面吹拂湿度为60％，气速为200mL/min的潮湿气流，1min后得到白色的蜂窝状多孔薄膜。 

3)将步骤2)所得多孔薄膜在室温下陈化48h。 

4)将步骤3)所得多孔薄膜在马弗炉中煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为2.5h，得到锐钛矿晶相微晶组成的蜂窝状二氧化钛多孔薄膜。 

实施例7、制备具有生物相容性的蜂窝状多孔二氧化钛薄膜 

1)配制6mg/mL钛酸四丁酯溶液，溶剂为甲苯和氯仿混合溶剂，其中甲苯的体积含量为6％，将该溶液涂布在干净的盖玻片上。 

2)在步骤1)所得表面吹拂湿度为68％，气速为250mL/min的潮湿气流，1min后得到白色的蜂窝状多孔薄膜。 

3)将步骤2)所得多孔薄膜在室温下陈化48h。 

4)将步骤3)所得多孔薄膜在马弗炉中煅烧，煅烧温度为550℃，煅烧时间为2h，得到锐钛矿晶相微晶组成的蜂窝状二氧化钛多孔薄膜。 

按照实施例1中的方法，采用MTT细胞活性实验，对小鼠胚胎成纤维细胞(NIH3T3)分别在实施例2-7制备的二氧化钛多孔薄膜表面的生长情况进行评估。结果表明，细胞在实施例2-7制备的二氧化钛多孔薄膜表面生长的较好，说明所制备的材料均具有很好的细胞相容性，可以应用于钛基种植体材料的表面修饰。 

尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，在不偏离本发明的精神和构思的情况下，本发明可以有各种更改和变化和等同替换。本发明的各种更改、变化、和等同物由所附的权利要求书的内容涵盖。 

Claims (13)

1.一种制备蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜的方法，包括下述步骤：

1)将钛基前驱体溶液涂布在基底表面；

2)向步骤1)的钛基前驱体溶液表面吹拂潮湿气流，直至溶液中的水和有机溶剂全部挥发，得到蜂窝状多孔薄膜；

3)将步骤2)中所述蜂窝状多孔薄膜在室温下陈化；

4)将步骤3)得到的陈化后的多孔薄膜在高温下煅烧，得到所述蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜；

步骤1)中，所述钛基前驱体选自下述至少一种：四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯和钛酸四乙酯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述钛基前驱体溶液中使用的溶剂为氯仿或甲苯和氯仿的混合溶剂；所述混合溶剂中甲苯的体积含量为0-60％；所述钛基前驱体溶液的浓度为2-12mg/mL。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述钛基前驱体溶液中使用的溶剂为氯仿或甲苯和氯仿的混合溶剂；所述混合溶剂中甲苯的体积含量为5-40％；所述钛基前驱体溶液的浓度为4-10mg/mL。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤1)中，制成所述基底的材料选自下述任意一种：玻璃盖玻片、硅片、铝箔、锡箔、钛箔、云母、PET膜和PS膜；

所述基底的形状为平板、凹凸不平的基面、圆柱状或不规则形状的表面。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述潮湿气流的湿度为40-80％；所述潮湿气流的气流速度为50-400mL/min；所述蜂窝状多孔薄膜的孔径尺寸为4-13μm。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述潮湿气流的湿度为50-70％；所述潮湿气流的气流速度为200-400mL/min。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)中，所述室温陈化的陈化时间为0.5-96h。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤3)中，所述室温陈化的陈化时间为24-48h。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤4)中，所述高温煅烧的煅烧温度为400-600℃；煅烧时间为1-4h。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤4)中，所述高温煅烧的煅烧温度为450-550℃；煅烧时间为2-3h。

11.权利要求1-10中任一项所述方法制备得到的蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜。

12.根据权利要求11所述的蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜，其特征在于：蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜为锐钛矿晶相的二氧化钛。

13.权利要求11或12所述的蜂窝状多孔结构二氧化钛薄膜在钛基种植体表面修饰中的应用。