CN103007347B - 利用在Ti表面原位合成的TiO2纳米管覆层负载庆大霉素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用在Ti表面原位合成的TiO2纳米管覆层负载庆大霉素的方法,首先利用阳极氧化法在预处理后的钛基板上制备TiO2纳米管覆层,然后将制得的TiO2纳米管浸到碱性溶液中,进而通过共沉淀法在TiO2纳米管覆层中负载庆大霉素。与现有技术相比,本发明建立了一种工艺简单、具有良好生物相容性的TiO2纳米管覆层的制备路径和利用TiO2纳米管进行药物负载/释放的模式,为人工关节置换术后假体相关感染的预防和治疗提供了新方法。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料的技术领域,尤其是涉及一种利用阳极氧化法在Ti表面原位合成TiO2纳米管覆层,进而利用共沉淀技术对TiO2纳米管进行庆大霉素负载的方法。
背景技术
感染是人工关节置换术后最严重的并发症之一,由于治疗的长期性和困难性,假体周围感染给患者、临床医生和医疗机构带来巨大压力。人工关节置换术后感染难以治愈的根本原因在于假体表面生物膜的形成和假体/组织界面缺乏免疫能力。生物膜的形成和假体/组织界面缺乏免疫能力共同使细菌易于在假体上定植和进一步感染。在人工关节感染的发病机制中,细菌最初粘附到生物材料表面是最重要的步骤,因此,关键在于需组织最初的细菌(主要为表皮葡萄球菌)粘附到人工关节假体表面。
庆大霉素通常用于预防人工关节假体周围的细菌感染。它是一种氨基糖苷类抗生素,能够治疗多种类型的细菌感染,同时具有良好的热稳定性,甚至在高压灭菌后仍可有效杀菌,因此在钛植入物涂层中得到了广泛使用。本发明中,我们设想将庆大霉素负载到生物型假体的表面,通过控制药物的吸附和释放,达到抑制细菌初始粘附,减少生物膜形成的目的,同时又不影响假体周围骨细胞粘附、增殖和分化功能,从而促进人工关节假体与周围骨整合,最终达到人工关节假体的长期功能有效。
作为一种生物相容性材料,Ti及其合金,由于高机械强度、重量轻和生物惰性广泛用于齿科和骨科植入物。为了预防植入物相关感染,研究人员大都在植入物表面加载抗菌涂层。将抗生素加载到Ti植入物的多孔羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)涂层上[刘榕芳等,水热复合电沉积制备羟基磷灰石/TiO2涂层的方法,中国专利,CN 03104099.3],虽然载抗生素的HA涂层能显著预防感染,但有些问题依 然存在,比如:抗生素不能掺和到磷酸钙涂层中,以及药物载磷酸钙表面的物理吸附限制了加载量和释放特性等。还有学者将万古霉素与Ti共价结合,设想实现长效的抗菌能力,但是在体内,抗生素与植入物共价结合的作用值得怀疑[Antoci,V.,C.S.Adams,et al.(2008).The inhibition of Staphylococcus epidermidis biofilmformation by vancomycin-modified titanium alloy and implications for the treatment ofperiprosthetic infection.Biomaterials 29(35):4684-4690.]。
对涂层中药物的加载方法前人也进行了大量研究。应用共沉淀技术在室温下将Ti植入物浸入磷酸钙过饱和溶液中,将抗生素加入过饱和溶液,逐渐与磷酸钙结晶共沉淀在植入物表面形成一层涂层。通过这种方法,可将大量的抗生素整合到拟生态的磷酸钙涂层中,比通过等离子喷涂涂层上简单的物理吸附大10倍,然而,抗生素的释放并未减慢许多[Alt,V.,A.Bitschnau,et al.(2006).The effects ofcombined gentamicin-hydroxyapatite coating for cementless joint prostheses on thereduction of infection rates in a rabbit infection prophylaxis model.Biomaterials 27(26):4627-4634.]。
在Ti假体表面原位生长TiO2纳米管的覆层原位生长法得到了高度重视。原位生长的TiO2纳米管不仅易于制备,而且由于TiO2纳米管层与Ti的共格状态使得两者之间具有紧密的界面和良好的机械性能。
通过阳极氧化法,可在任何三维非平面表面上构造TiO2纳米管覆层。TiO2纳米管覆层的构建不仅致使Ti表面的粗糙度与人骨骼天然粗糙度相似,而且具有良好的亲水性,这些都促进成骨细胞的表面粘附,且与目前的植入物技术具有良好的适应性。
研究表明TiO2纳米管能够促进成骨细胞的粘附和生长,生长速度甚至达到对照组的3-4倍,扫描电镜观测发现成骨细胞的丝足可以长入纳米管状结构中,从而对骨细胞起到锚定作用[Chua,P.H.,K.G.Neoh,et al.(2008).Surfacefunctionalization of titanium with hyaluronic acid/chitosan polyelectrolyte multilayersand RGD for promoting osteoblast functions and inhibiting bacterial adhesion.Biomaterials 29(10):1412-1421.]。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种加工性能、力 学性能、热学性能高、生产成本低的利用在Ti表面原位合成的TiO2纳米管覆层负载庆大霉素的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种利用在Ti表面原位合成的TiO2纳米管覆层负载庆大霉素的方法,其特征在于,首先利用阳极氧化法在预处理后的钛基板上制备TiO2纳米管覆层,然后将制得的TiO2纳米管浸到碱性溶液中,进而通过共沉淀法在TiO2纳米管覆层中负载庆大霉素。
所述的钛基板的预处理方法为:先对Ti片进行打磨,然后依次在丙酮、乙醇溶液中进行超声清洗、干燥。
所述的阳极氧化法是以钛基板作为阳极、Pt片作为阴极,在有机电解液中电解氧化。
所述的有机电解液为乙二醇、H2O和NH4F的混合液,其中乙二醇的体积百分比含量为50vol%-90vol%,H2O的体积百分比含量为10vol%-50vol%,NH4F的摩尔分数含量为0.05-0.15M;所述的电解氧化的电压为20-60V,时间0.5-10h。
所述的TiO2纳米管浸到碱性溶液中之前进行热处理,所述的热处理为在真空马弗炉中从室温升至400℃~600℃,速率为1℃-5℃/min,保温2h-4h,然后随炉降温。
所述的碱性溶液为1-10M的NaOH溶液,TiO2纳米管浸到碱性溶液中的时间为0.5-2h。
所述的共沉淀法为:将碱性溶液处理后的TiO2纳米管浸入庆大霉素与缓冲液组成的混合溶液中,在细胞培养器中孵育1-3天即得产品。
所述的缓冲液为磷酸盐缓冲液,磷酸盐缓冲液的pH值为7.2-7.6,混合溶液中庆大霉素的浓度为1000mg/L。
本发明制备的TiO2纳米管垂直于基体方向生长,定向规则排列,管长1-2μm,管内径110-140nm,管壁厚20-40nm。利用所制备的TiO2纳米管负载庆大霉素,由扫描电镜(SEM)图片来看,庆大霉素成功地负载到了TiO2纳米管上;由药物释放结果来看,庆大霉素的释放时间可以达到24h以上。
与现有技术相比,本发明利用TiO2纳米管负载庆大霉素,具有以下优点:
(1)本发明采用电化学阳极氧化法原位合成TiO2纳米管,工艺方法、合成设备简单,而且由于TiO2纳米管层与Ti的共格状态使得两者之间具有紧密的界面和良好的机械性能。
(2)本发明制备的TiO2纳米管具有纳米级的管状结构,可作为药物负载部位和成骨细胞的生长点;在Ti假体表面原位生长的TiO2纳米管,结构更易调控,对药物的负载、释放过程也就可以进行更好的控制。
(3)本发明利用TiO2纳米管负载庆大霉素,用于预防人工关节假体周围的细菌感染。通过控制药物的吸附和释放,达到抑制细菌初始粘附,减少生物膜形成的目的,同时又不影响假体周围骨细胞粘附、增殖和分化功能,从而促进人工关节假体与周围骨整合,最终达到人工关节假体的长期功能有效。
附图说明
图1是本发明TiO2纳米管覆层的制备路径图;
图2是本发明庆大霉素的负载路径图;
图3是未负载庆大霉素的TiO2纳米管的扫描电镜(SEM)图;
图4是负载庆大霉素后的TiO2纳米管的扫描电镜(SEM)图;
图5是释放庆大霉素后的TiO2纳米管的扫描电镜(SEM)图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1-2所述,一种利用在Ti表面原位合成的TiO2纳米管覆层负载庆大霉素的方法,首先利用阳极氧化法在预处理后的钛基板上制备TiO2纳米管覆层,然后将制得的TiO2纳米管浸到碱性溶液中,进而通过共沉淀法在TiO2纳米管覆层中负载庆大霉素,具体步骤如下:
1)TiO2纳米管的制备:将纯钛片(纯度>99.9%)剪切为1.5cm×1.5em大小,1mm厚的基片,依次用400目、1000目、1500目的金相砂纸进行打磨,然后放在乙醇、丙酮超声清洗,干燥备用。将磨好并清洗好的Ti片连到阳极,将Pt片连到阴极,将20ml蒸馏水,180ml乙二醇,0.09M NH4F混合作为电解液,在20V的氧化电压下反应30min,整个电解反应在通风橱中进行,将电解槽放在磁力搅拌仪进行10r/min的磁力搅拌。反应结束之后将Ti片取出进行,用蒸馏水清洗,得到TiO2纳米管(见图3)。
2)样品的热处理:在真空马弗炉中从室温升至500℃,速率为2℃/min,保温 3h,然后随炉降温。
3)庆大霉素的加载:将制得的样品浸到6.0M的NaOH溶液中1h在其表面形成钛酸钠,进而浸到1000mg/L的庆大霉素与磷酸盐缓冲液(PBS)混合液中,在细胞培养器中孵育48h,获得负载庆大霉素的纳米管(见图4)。
将加载好庆大霉素的样品转移到新的组织培养板上,浸到0.5ml的PBS液中,37℃培养。经过12h收集缓冲液,用含量测定试剂盒分析标本表面释放的药物总量。结果显示,缓冲液中的药物量为148.4mg/L,释放庆大霉素后的TiO2纳米管的扫描电镜(SEM)图如图5所示。
实施例2
1)TiO2纳米管的制备:将纯钛片(纯度>99.9%)剪切为1.5cm×1.5cm大小,1mm厚的基片,依次用400目、1000目、1500目的金相砂纸进行打磨,然后放在乙醇、丙酮超声清洗,干燥备用。将磨好并清洗好的Ti片连到阳极,将Pt片连到阴极,将20ml蒸馏水,180ml乙二醇,0.05M NH4F混合作为电解液,在30V的氧化电压下反应120min,整个电解反应在通风橱中进行,将电解槽放在磁力搅拌仪进行10r/min的磁力搅拌。反应结束之后将Ti片取出进行,用蒸馏水清洗。
2)样品的热处理:在真空马弗炉中从室温升至550℃,速率为5℃/min,保温2h,然后随炉降温。
3)庆大霉素的加载:将制得的样品浸到5.0M的NaOH溶液中2h在其表面形成钛酸钠,进而浸到1000mg/L的庆大霉素与磷酸盐缓冲液(PBS)混合液中,在细胞培养器中孵育72h,获得负载庆大霉素的纳米管。
将加载好庆大霉素的样品转移到新的组织培养板上,浸到0.5ml的PBS液中,37℃培养。经过24h收集缓冲液,用含量测定试剂盒分析标本表面释放的药物总量。结果显示,缓冲液中的药物量为127.5mg/L。
实施例3
1)TiO2纳米管的制备:将纯钛片(纯度>99.9%)剪切为1.5cm×1.5cm大小,1mm厚的基片,依次用400目、1000目、1500目的金相砂纸进行打磨,然后放在乙醇、丙酮超声清洗,干燥备用。将磨好并清洗好的Ti片连到阳极,将Pt片连到阴极,将60ml蒸馏水,140ml乙二醇,0.13M NH4F混合作为电解液,在60V的氧化电压下反应30min,整个电解反应在通风橱中进行,将电解槽放在磁力搅拌仪进行10r/min的磁力搅拌。反应结束之后将Ti片取出进行,用蒸馏水清洗。
2)样品的热处理:在真空马弗炉中从室温升至450℃,速率为2℃/min,保温4h,然后随炉降温。
3)庆大霉素的加载:将制得的样品浸到6.0M的NaOH溶液中0.5h在其表面形成钛酸钠,进而浸到1000mg/L的庆大霉素与磷酸盐缓冲液(PBS)混合液中,在细胞培养器中孵育24h,获得负载庆大霉素的纳米管。
将加载好庆大霉素的样品转移到新的组织培养板上,浸到0.5ml的PBS液中,37℃培养。经过12h收集缓冲液,用含量测定试剂盒分析标本表面释放的药物总量。结果显示,经过12h后,缓冲液中的药物量为39.4mg/L。
实施例4
1)TiO2纳米管的制备:将纯钛片(纯度>99.9%)剪切为1.5cm×1.5cm大小,1mm厚的基片,依次用400目、1000目、1500目的金相砂纸进行打磨,然后放在乙醇、丙酮超声清洗,干燥备用。将磨好并清洗好的Ti片连到阳极,将Pt片连到阴极,将100ml蒸馏水,100ml乙二醇,0.09M NH4F混合作为电解液,在20V的氧化电压下反应10h,整个电解反应在通风橱中进行,将电解槽放在磁力搅拌仪进行10r/min的磁力搅拌。反应结束之后将Ti片取出进行,用蒸馏水清洗。
2)样品的热处理:在真空马弗炉中从室温升至500℃,速率为4℃/min,保温2h,然后随炉降温。
3)庆大霉素的加载:将制得的样品浸到6.0M的NaOH溶液中1h在其表面形成钛酸钠,进而浸到1000mg/L的庆大霉素与磷酸盐缓冲液(PBS)混合液中,在细胞培养器中孵育48h,获得负载庆大霉素的纳米管。
将加载好庆大霉素的样品转移到新的组织培养板上,浸到0.5ml的PBS液中,37℃培养。经过12h收集缓冲液,用含量测定试剂盒分析标本表面释放的药物总量。结果显示,经过12h后,缓冲液中的药物量为442.2mg/L。
Claims (3)
1.一种利用在Ti表面原位合成的TiO2纳米管覆层负载庆大霉素的方法,其特征在于,首先利用阳极氧化法在预处理后的钛基板上制备TiO2纳米管覆层,然后将制得的TiO2纳米管浸到碱性溶液中,进而通过共沉淀法在TiO2纳米管覆层中负载庆大霉素;
所述的钛基板的预处理方法为:先对Ti片进行打磨,然后依次在丙酮、乙醇溶液中进行超声清洗、干燥;
所述的阳极氧化法是以钛基板作为阳极、Pt片作为阴极,在有机电解液中电解氧化;
所述的有机电解液为乙二醇、H2O和NH4F的混合液,其中乙二醇的体积百分比含量为50vol%-90vol%,H2O的体积百分比含量为10vol%-50vol%,NH4F的摩尔分数含量为0.05-0.15M;所述的电解氧化的电压为20-60V,时间0.5-10h;
所述的TiO2纳米管浸到碱性溶液中之前进行热处理,所述的热处理为在真空马弗炉中从室温升至400℃~600℃,速率为1℃-5℃/min,保温2h-4h,然后随炉降温;
所述的共沉淀法为:将碱性溶液处理后的TiO2纳米管浸入庆大霉素与缓冲液组成的混合溶液中,在细胞培养器中孵育1-3天即得产品。
2.根据权利要求1所述的一种利用在Ti表面原位合成的TiO2纳米管覆层负载庆大霉素的方法,其特征在于,所述的碱性溶液为1-10M的NaOH溶液,TiO2纳米管浸到碱性溶液中的时间为0.5-2h。
3.根据权利要求1所述的一种利用在Ti表面原位合成的TiO2纳米管覆层负载庆大霉素的方法,其特征在于,所述的缓冲液为磷酸盐缓冲液,磷酸盐缓冲液的pH值为7.2-7.6,混合溶液中庆大霉素的浓度为1000mg/L。
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