CN103540934A - 一种表面改性的医用钛金属材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面改性的医用钛金属材料及其制备方法，该医用钛金属材料包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代以上的带有端氨基的树枝状大分子形成的。本发明的表面改性的医用钛金属材料，在医用钛金属材料表面共价接枝了具有生物活性和抑菌性的树枝状大分子，有效改善了钛金属材料的生物相容性、稳定性和抑菌性，使其对常见菌种如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌率可达98%以上；生物活性涂层结合牢固，不易脱落，解决了现有技术中钛金属表面改性涂层容易脱落，从而导致植入材料失效的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种表面改性的医用钛金属材料，同时还涉及一种表面改性的医用钛金属材料的制备方法。
背景技术
钛金属以及钛合金以其良好的生物相容性、与骨组织相近的弹性模量及在生物环境下优良的抗腐蚀性，在人工骨替代材料方面得到了广泛研究和临床上的应用。但是，钛金属材料本质上属于生物惰性材料，本身不具备生物活性，不能诱导磷酸盐沉积，种植体与骨组织之间不能形成强有力的化学骨性结合，与骨的结合只是一种机械嵌合，长期使用后会产生松动现象；另外，植入体在生物体内发生细菌感染依然是导致植入体失效的主要原因之一。为提高植入体与骨组织之间的界面融合，并改善植入体的抑菌性，需要对钛金属及钛合金的表面进行改性，以改善其生物相容性和抑菌性，更好的适应临床的需要，从而提高植入体的临床成功率。
目前，改善钛金属生物活性的方法主要是在其表面引入羟基磷灰石或其他生物活性陶瓷涂层，以改变钛金属材料表面层的结构、化学成分，从而赋予钛金属材料良好的生物活性，实现骨移植材料与硬组织间的生物活性结合。一般认为，作为骨组织植入材料，在临床应用中除了由于植入后引起感染需更换外，还由于材料在植入生体后，在受力和体液的共同作用下，涂层部分脱落以及溶解等导致涂层失效，植入体寿命缩短，从而引起植入材料失效。因此，上述方法虽然可以改善钛金属材料的生物相容性和抑菌性，但是，其所得到的表面涂层与医用钛金属之间一般为物理结合，普遍存在表面改性涂层与钛金属材料结合强度较弱，在临床应用中存在涂层容易脱落，从而导致植入材料失效的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种表面改性的医用钛金属材料，解决现有技术中钛金属表面改性涂层容易脱落，从而导致植入材料失效的问题。
本发明的第二个目的是提供一种表面改性的医用钛金属材料的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代以上的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
所述医用钛金属为纯钛或钛合金。
所述生物活性涂层的厚度为50～100nm。
所述带有氨基的树枝状大分子是由丙烯酸甲酯与乙二胺反应制得的。
一种表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：将医用钛金属表面打磨、抛光并清洗干净；
2）表面氧化：将清洗干净的医用钛金属置于氧化性溶液中，在60～90℃条件下进行氧化处理，处理时间为0.1～50h，得表面具有氧化钛层的医用钛金属材料；
3）端氨基化：将步骤2）所得表面具有氧化钛层的医用钛金属材料置于甲苯中，加入带氨基的硅烷偶联剂进行回流反应，反应5～48h后取出并晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于第一甲醇中，加入丙烯酸甲酯，在惰性气氛、10～50℃条件下进行第一反应，反应1～6天后取出、醇洗并干燥，再置于第二甲醇中，加入乙二胺，在惰性气氛与10～50℃条件下进行第二反应，反应1～6天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2；
将G1-NH2置于第一甲醇中，重复步骤4）的操作，重复1次后得到表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G2-NH2；重复2次后得到表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G3-NH2；以此类推，重复n-1次后，即得表面共价接枝n代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为Gn-NH2。
步骤2）中所述氧化性溶液为piranha溶液或碱溶液。
所述碱溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液中的任意一种或其组合；所述碱溶液的浓度为2～10mol/L。
步骤3）中所述带氨基的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的任意一种。
所述硅烷偶联剂的加入量为使硅烷偶联剂与甲苯的体积比为1～10:1000。
步骤4）中，所述第一甲醇与丙烯酸甲酯的体积比为50:10～30；所述第二甲醇与乙二胺的体积比为50:15～40。
步骤4）中，所述丙烯酸甲酯与乙二醇的体积比为10～30:15～40。
树枝状大分子是一类具有特定三维结构和高度支化结构的新型大分子，其独特的分子结构和物理化学性质以及良好的生物相容性，使之在生物医药领域中具有潜在的应用。本发明采用树枝状大分子对钛基金属表面进行共价功能化，所得表面改性的医用钛金属材料为树枝状大分子杂化的钛金属医用人工骨替代材料，充分发挥了钛金属与树枝状大分子两者的优势，提高了生物活性涂层与钛基底材料之间界面的结合强度。
本发明的表面改性的医用钛金属材料，表面具有由氧化钛层和树枝状大分子层构成的生物活性涂层，层层之间以共价键结合，在医用钛金属材料表面共价接枝了具有生物活性和抑菌性的树枝状大分子，有效改善了钛金属材料的生物相容性和抑菌性，使钛金属材料具有良好的生物相容性、稳定性和抑菌性，对常见菌种如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌率可达98%以上；生物活性涂层结合牢固，不易脱落，解决了现有技术中钛金属表面改性涂层容易脱落，从而导致植入材料失效的问题，满足植入材料对抗菌性和生物活性的需求。
本发明的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，采用清洗、表面氧化、端氨基化、共价接枝树枝状大分子的工艺，在医用钛金属表面形成均匀、化学稳定性好的生物活性活性涂层，所得表面改性的医用钛金属材料，钛金属基底与具有抑菌作用的树枝状大分子之间以化学作用力结合，抑菌性好；制备方法工艺简单，操作方便，无需特殊设备，生产成本低，适合大规模工业化生产。本发明的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，可以扩展到其他医用金属材料的表面改性。
附图说明
图1为G0-NH2的结构示意图；
图2为G1-NH2的结构示意图；
图3为G2-NH2的结构示意图；
图4为G3-NH2的结构示意图；
图5为实施例13的表面改性的医用钛金属材料的制备方法的工艺流程图；
图6为纯钛片的扫描电镜图；
图7为实施例7所得氧化钛片的扫描电镜图；
图8为实施例7所得G0-NH2的扫描电镜图；
图9为实施例17所得G4-NH2的扫描电镜图；
图10为不同钛金属材料的接触角示意图，其中（a）为纯钛片，（b）为实施例7所得氧化钛片，（c）为实施例7所得G0-NH2，（d）为实施例7所得G1-NH2，（e）为实施例9所得G2-NH2，（f）为实施例13所得G3-NH2；
图11为不同钛金属材料的X射线衍射图，其中（a）为实施例1所得G0-NH2，（b）为实施例7所得G1-NH2，（c）为实施例9所得G2-NH2，（d）为实施例13所得G3-NH2，（e）为实施例17所得G4-NH2；
图12为纯钛片的抑菌性实验结果示意图，其中，A为细菌计数，B为纯钛片表面的扫描电镜图；
图13为实施例17所得G4-NH2医用钛片的抑菌性实验结果示意图，其中，A为细菌计数，B为G4-NH2医用钛片表面的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：取规格为10mm×10mm×1mm的纯钛片，表面打磨、抛光处理后，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗10min，得表面清洁的纯钛片；
2）表面氧化：将表面清洁的纯钛片置于piranha溶液中，在60℃条件下进行氧化处理，处理时间为60min，得表面具有氧化钛层的氧化钛片；
3）端氨基化：将步骤2）所得氧化钛片置于1L的甲苯中，加入5ml的γ-氨丙基三甲氧基硅烷进行回流反应，反应15h后取出并自然晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；G0-NH2的结构如图1所示；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与10℃条件下进行第一反应，反应6天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与10℃条件下进行第二反应，反应6天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2；G1-NH2的结构如图2所示。
实施例2
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：取规格为10mm×10mm×1mm的纯钛片，表面打磨、抛光处理后，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗10min，得表面清洁的纯钛片；
2）表面氧化：将表面清洁的纯钛片置于piranha溶液中，在90℃条件下进行氧化处理，处理时间为6min，得表面具有氧化钛层的氧化钛片；
3）端氨基化：将步骤2）所得氧化钛片置于1L的甲苯中，加入1ml的γ-氨丙基三乙氧基硅烷进行回流反应，反应48h后取出并自然晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入10ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与50℃条件下进行第一反应，反应1天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入15ml乙二胺，在惰性气氛与50℃条件下进行第二反应，反应1天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2。
实施例3
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：取规格为10mm×10mm×1mm的纯钛片，表面打磨、抛光处理后，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗10min，得表面清洁的纯钛片；
2）表面氧化：将表面清洁的纯钛片置于piranha溶液中，在75℃条件下进行氧化处理，处理时间为30min，得表面具有氧化钛层的氧化钛片；
3）端氨基化：将步骤2）所得氧化钛片置于1L的甲苯中，加入10ml的N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷进行回流反应，反应5h后取出并自然晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入30ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入40ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2。
实施例4
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：取规格为10mm×10mm×1mm的纯钛片，表面打磨、抛光处理后，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗10min，得表面清洁的纯钛片；
2）表面氧化：将表面清洁的纯钛片置于浓度为5mol/L的氢氧化钠溶液中，在60℃条件下进行氧化处理，处理时间为50h，得表面具有氧化钛层的氧化钛片；
3）端氨基化：将步骤2）所得氧化钛片置于1L的甲苯中，加入5ml的N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷进行回流反应，反应15h后取出并自然晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2。
实施例5
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：取规格为10mm×10mm×1mm的纯钛片，表面打磨、抛光处理后，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗10min，得表面清洁的纯钛片；
2）表面氧化：将表面清洁的纯钛片置于浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中，在75℃条件下进行氧化处理，处理时间为25h，得表面具有氧化钛层的氧化钛片；
3）端氨基化：将步骤2）所得氧化钛片置于1L的甲苯中，加入1ml的γ-氨丙基三甲氧基硅烷进行回流反应，反应48h后取出并自然晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入10ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入15ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2。
实施例6
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：取规格为10mm×10mm×1mm的纯钛片，表面打磨、抛光处理后，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗10min，得表面清洁的纯钛片；
2）表面氧化：将表面清洁的纯钛片置于浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液中，在90℃条件下进行氧化处理，处理时间为5h，得表面具有氧化钛层的氧化钛片；
3）端氨基化：将步骤2）所得氧化钛片置于1L的甲苯中，加入10ml的γ-氨丙基三甲氧基硅烷进行回流反应，反应5h后取出并自然晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入30ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与50℃条件下进行第一反应，反应1天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入40ml乙二胺，在惰性气氛与50℃条件下进行第二反应，反应1天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2。
实施例7
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：取规格为10mm×10mm×1mm的纯钛片，表面打磨、抛光处理后，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗10min，得表面清洁的纯钛片；
2）表面氧化：将表面清洁的纯钛片置于氢氧化钠浓度为2.5mol/L、碳酸钠浓度为2.5mol/L的混合溶液中，在75℃条件下进行氧化处理，处理时间为30h，得表面具有氧化钛层的氧化钛片；
3）端氨基化：将步骤2）所得氧化钛片置于1L的甲苯中，加入5ml的γ-氨丙基三甲氧基硅烷进行回流反应，反应15h后取出并自然晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入30ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2。
实施例8
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，包括下列步骤：
1）清洗：取规格为10mm×10mm×1mm的纯钛片，表面打磨、抛光处理后，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗10min，得表面清洁的纯钛片；
2）表面氧化：将表面清洁的纯钛片置于氢氧化钠浓度为2mol/L、碳酸钠浓度为2mol/L的、碳酸氢钠浓度为1mol/L的混合溶液中，在75℃条件下进行氧化处理，处理时间为50h，得表面具有氧化钛层的氧化钛片；
3）端氨基化：将步骤2）所得氧化钛片置于1L的甲苯中，加入5ml的γ-氨丙基三甲氧基硅烷进行回流反应，反应48h后取出并自然晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入30ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与50℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与50℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2。
实施例9
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例7所得G1-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G2-NH2；G2-NH2的结构如图3所示。
实施例10
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例2所得G1-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与回流条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G2-NH2。
实施例11
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例3所得G1-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与回流条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G2-NH2。
实施例12
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例4所得G1-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与回流条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G2-NH2。
实施例13
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例9所得G2-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G3-NH2；G3-NH2的结构如图4所示。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法的工艺流程图如图5所示。
实施例14
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例10所得G2-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G3-NH2。
实施例15
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例11所得G2-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G3-NH2。
实施例16
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例12所得G2-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G3-NH2。
实施例17
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝4代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例13所得G3-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝4代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G4-NH2。
实施例18
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝4代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例14所得G3-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝4代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G4-NH2。
实施例19
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝4代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例15所得G3-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝4代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G4-NH2。
实施例20
本实施例的表面改性的医用钛金属材料，包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝4代的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
本实施例的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，是将实施例16所得G3-NH2置于50ml干燥的第一甲醇中，加入20ml的丙烯酸甲酯，在惰性气氛与30℃条件下进行第一反应，反应3天后取出、醇洗并真空干燥，再置于50ml的干燥的第二甲醇中，加入25ml乙二胺，在惰性气氛与30℃条件下进行第二反应，反应3天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝4代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G4-NH2。
实验例1
本实验例对实施例7所用纯钛片、所得氧化钛片、G0-NH2以及实施例17所得G4-NH2进行扫描电镜观察和能谱分析，所得电镜图如图6-9所示，能谱分析结果如表1-4所示。
表1实施例7所用纯钛片的能谱分析结果（与图6对应）
表2实施例7所得氧化钛片的能谱分析结果（与图7对应）
表3实施例7所得G0-NH2所得的能谱分析结果（与图8对应）
表4实施例17所得G4-NH2所得的能谱分析结果（与图9对应）
从图6可以看出，纯钛片表面比较光滑。纯钛片经表面氧化后所得氧化钛片如图7所示，表面变得较为粗糙，呈现规整的小凸起；比较表1、2的能谱分析结果发现，氧化钛片的氧含量明显增加。氧化钛片经硅烷偶联剂端氨基化之后所得G0-NH2的表面形态如图8所示，整体与氧化钛表面较为相似，表面出现了一系列处于微米尺度的圆形或近似圆形的平台结构；其能谱分析结构如表3所示，样品表面出现了大量的硅元素，说明硅烷偶联剂已经接枝成功。实施例17所得G4-NH2的扫描电镜图如图9所示，表面依旧呈现出与G0-NH2相似的形貌，但是G4-NH2的平台结构上端面较平；进一步通过能谱分析（表4），发现G4-NH2样品表面的碳含量明显增多，说明树枝状大分子已经成功接枝。
实验例2
接触角对样品表面性质很敏感，通过接触角的测试可以反映出材料表面的改性信息。本实验例对实施例7所用纯钛片、所得氧化钛片、G0-NH2以及所得G1-NH2，实施例9所得G2-NH2，实施例13所得G3-NH2的接触角进行检测，检测结果如图10所示。
从图10可以看出，氧化钛片（b）与纯钛片（a）相比，接触角变大；结合氧化钛片的扫描电镜分析结果可知，氧化钛片表面的接触角增大，可归属为氧化钛片表面粗糙度增加所致。G0-NH2（c）与氧化钛片（b）相比，接触角明显减小；这是由于氧化钛片表面经硅烷偶联后，由于表面氨基的引入，一方面由于有机分子柔性链的引入，降低了氧化钛片的表面粗糙度，另一方面硅烷偶联剂氨基的引入，使其亲水性增加，导致其接触角明显变小；这也进一步表明硅烷偶联的成功，与扫描电镜结果一致。而对于不同代数的树枝状大分子改性后，通过比较G0-NH2（c）、G1-NH2（d）、G2-NH2（e）、G3-NH2（f），发现其接触角随代数增加，接触角依次增大；这可以归属为表面疏水度的增加，进一步表明钛金属材料表面形成了不同代数的树枝状大分子。
实验例3
X射线衍射对钛片表面的结构敏感，通过X射线测试，可以反射出材料表面的改性信息。本实验例对实施例1所得G0-NH2以及实施例7所得G1-NH2，实施例9所得G2-NH2，实施例13所得G3-NH2，实施例17所得G4-NH2不同钛金属材料进行了X射线衍射分析，所得X射线衍射图谱如图11所示。从图11可以看出，样品在接枝了不同代数的树枝状大分子后，钛材料表面的衍射峰位没有发生明显改变，改变的是衍射峰强；这些衍射峰应该归属于基底的氧化钛层和金属钛的结构；但G1-NH2（b）相对于G0-NH2（a），衍射峰强明显增加，这是由于钛片表面的改性层结构受环境影响所致，G0-NH2在非极性环境中排布没有极性环境下得到的G1-NH2排布规整所致；对比G1-NH2（b）、G1-NH2（c）、G3-NH2（d）、G4-NH2（e），发现随着进一步接枝不同代数的树枝状大分子，衍射峰强度又逐渐降低，这可归属于表面改性层厚度的增加；进一步说明了不同代数的树枝状大分子在钛片表面接枝的成功。
实验例4
本实验例检测纯钛片和实施例17所得G4-NH2对大肠杆菌（E.coli）的抑菌性。
抑菌性的测试方法为：参照国家标准GB/T4789.2，首先对样品进行灭菌处理，然后将5mL浓度约为1000个/mL的菌液滴在灭菌过的样品表面，然后将滴有菌液的样品放入370C恒温箱培养24h；取出24h培养的样品，将菌液稀释后接种在含有培养基的琼脂板上；接种后的琼脂板放入37℃恒温培养箱培养24h；然后用血细胞计数板进行计数。抑菌率的计算根据以下公式进行计算：
K=(A-B)/A×100%
其中，K为抑菌率，A为测试前菌液中细菌平均数，B为测试样品上的细菌平均数。
采用扫描电镜和血细胞计数板对纯钛片与实施例17所得G4-NH2的抑菌性进行了测试，结果如图12、13所示。从图12-B可以看出，在纯钛片表面，细菌形态依旧完好，且大量粘附，而计数板结果也证明了这一结论，表明纯钛片表面抑菌性效果不好；而经4代树枝状大分子接枝改性后的钛片G4-NH2，扫描电镜结果（图13-B）显示表面已经没有细菌粘附，而且计数板结果也显示对大肠杆菌抑菌率达到了98%以上，显示了其良好的抑菌性；抑菌性结果进一步证明了具有抑菌性的树枝状大分子成功的被接枝在了医用金属钛的表面。
Claims (10)
1.一种表面改性的医用钛金属材料，其特征在于：包括医用钛金属，所述医用钛金属表面具有生物活性涂层，所述生物活性涂层包括氧化钛层和树枝状大分子层，所述树枝状大分子层是在氧化钛层的表面共价接枝1代以上的带有端氨基的树枝状大分子形成的。
2.根据权利要求1所述的医用钛金属材料，其特征在于：所述生物活性涂层的厚度为50～100nm。
3.根据权利要求1所述的医用钛金属材料，其特征在于：所述带有氨基的树枝状大分子是由丙烯酸甲酯与乙二胺反应制得的。
4.一种表面改性的医用钛金属材料的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
1）清洗：将医用钛金属表面打磨、抛光并清洗干净；
2）表面氧化：将清洗干净的医用钛金属置于氧化性溶液中，在60～90℃条件下进行氧化处理，处理时间为0.1～50h，得表面具有氧化钛层的医用钛金属材料；
3）端氨基化：将步骤2）所得表面具有氧化钛层的医用钛金属材料置于甲苯中，加入带氨基的硅烷偶联剂进行回流反应，反应5～48h后取出并晾干，得端氨基化的医用钛金属材料，记为G0-NH2；
4）共价接枝树枝状大分子：将G0-NH2置于第一甲醇中，加入丙烯酸甲酯，在惰性气氛、10～50℃条件下进行第一反应，反应1～6天后取出、醇洗并干燥，再置于第二甲醇中，加入乙二胺，在惰性气氛与10～50℃条件下进行第二反应，反应1～6天后取出、醇洗并干燥，即得表面共价接枝1代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G1-NH2；
将G1-NH2置于第一甲醇中，重复步骤4）的操作，重复1次后得到表面共价接枝2代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G2-NH2；重复2次后得到表面共价接枝3代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为G3-NH2；以此类推，重复n-1次后，即得表面共价接枝n代的带有端氨基的树枝状大分子的医用钛金属材料，记为Gn-NH2。
5.根据权利要求4所述的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中所述氧化性溶液为piranha溶液或碱溶液。
6.根据权利要求5所述的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，其特征在于：所述碱溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液中的任意一种或其组合；所述碱溶液的浓度为2～10mol/L。
7.根据权利要求4所述的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中所述带氨基的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的任意一种。
8.根据权利要求4或6所述的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，其特征在于：所述带氨基的硅烷偶联剂的加入量为使硅烷偶联剂与甲苯的体积比为1～10:1000。
9.根据权利要求4所述的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，其特征在于：步骤4）中，所述第一甲醇与丙烯酸甲酯的体积比为50:10～30；所述第二甲醇与乙二胺的体积比为50:15～40。
10.根据权利要求4或9所述的表面改性的医用钛金属材料的制备方法，其特征在于：步骤4）中，所述丙烯酸甲酯与乙二醇的体积比为10～30:15～40。
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