CN103736148A - 制备钛种植体的方法及得到的钛种植体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体的方法及得到的仿生钛种植体，该方法包括：步骤A)将纯钛或者钛合金加工成种植体基体并进行表面抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗并干燥；步骤B)采用混合酸超声处理方式或机械喷砂处理方式将基体表面处理成微米结构；步骤C)采用恒压直流阳极氧化技术将微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，从而获得表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体。本发明的仿生钛种植体不但能有效增加与骨的相容和结合能力，而且还有利于细胞的粘附、增殖、分化及功能表达，以提高种植体的骨整合能力及其手术成功率。
Description
技术领域
本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种制备表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体的方法及得到的表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体。
背景技术
钛及钛合金具有优异的生物相容性、耐腐蚀性和力学性能，作为一种医用材料，广泛应用于修复硬组织损伤和缺失的临床治疗。但是，钛及钛合金是生物惰性材料，植入体内后不能诱导新骨生长，与骨组织结合较弱，治愈时间长。
种植体表面改性是一种不改变基体特有性质，同时提高其表面生物活性和骨整合能力的有效方法。研究表明，增加种植体表面的粗化程度，能有效提高种植体与骨组织的结合，通过酸蚀或喷砂等化学或物理方法处理的种植体，其表面粗糙度增加，种植体的生物活性和骨组织结合能力得到提高，在临床实验中得到较好的治疗效果（Journal of Biomedical Materials Research1991，25(7)：889-902.）。然而细胞行为的相关机制研究表明，相比与于微米结构的材料表面，具有纳米结构的材料表面细胞具有更显著的功能性表达，甚至可主动刺激细胞引发相关生物学行为的发生，如细胞的增殖和分化等（Biomaterials2008，29(28)：3822-3835；Nano Letters2007，7(6)：1686-1691.）。
此外，随着对天然骨组织及功能的深入研究发现，天然骨组织非常有利于细胞的粘附、增殖和分化，促进细胞的功能基因表达和相关蛋白分泌。分析其原因，普遍认为天然的骨骼和牙齿等具备微米尺度结构外，在更小的纳米尺度上也具有特殊的结构，并具备特定的功能（Nature Nanotechnology2011，6(1)：13-22.）。进一步研究天然骨微观构成发现，这些特殊结构在较大尺寸范围呈现为规则有序的纳米结构，如排列齐整的骨小梁结构，基底膜组织的纳米微孔阵列等。许多表面改性技术均可在钛材料表面获得纳米结构，但这些纳米结构分布随机，缺乏规律性。现阶段用于精确实现材料表面图案化设计的电子束刻蚀、胶体平版印刷等技术都以聚合物为基体，不能作用于金属基材料。
发明内容
本发明针对现有技术中表面具有微米结构的钛种植体与骨的相容和结合能力有限，不利于细胞的粘附、增殖、分化及功能表达方面的技术问题，目的在于提供一种制备表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体的方法。
本发明的制备表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体的方法依次包括如下步骤：
步骤A)即机械加工与清洗步骤，将纯钛或者钛合金加工成种植体基体并进行表面抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗并干燥；
步骤B)即基体表面制成微米结构的步骤，采用混合酸超声处理方式或机械喷砂处理方式将步骤A)获得的种植体基体表面处理成微米结构；
步骤C)即基体微米结构表面再制成纳米结构的步骤，采用恒压直流阳极氧化技术将种植体基体微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，从而获得表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体。
步骤B)中，采用混合酸超声处理方式将步骤A)获得的种植体基体表面处理成微米结构，再依次用无水乙醇和去离子水超声清洗并干燥之。
步骤B)中，所述的混合酸是稀释的浓硝酸和浓氢氟酸的混合酸溶液，其中浓硝酸和浓氢氟酸体积比为5:1，优选稀释体积浓度为25～40%的混合酸溶液；所述的混合酸是先将浓硝酸和浓氢氟酸进行混合得混合浓酸，再将混合浓酸稀释成体积浓度为25～40%的混合酸溶液；超声处理时间为1～20分钟，优选为5分钟。
步骤C)所述的恒压直流阳极氧化技术中，种植体基体为阳极，石墨电极或者铂片电极为阴极，电解液为氢氟酸溶液，氢氟酸的质量浓度为0.1%～1.0%，优选1.0%；氧化电压为5～25V，优选为20V，氧化时间为0.5～2小时，优选0.5小时。
步骤C)中，先采用恒压直流阳极氧化技术将种植体基体微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，然后清洗并干燥之。
本发明的另一目的在于提供一种本发明所述方法获得的表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体。本发明的表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体具有微纳多级结构的表面，其特征为兼具微米粗糙度和纳米微结构。其不仅能在形态上与人体组织和环境更加相容，还能在功能上更接近天然骨组织。
本发明的积极进步效果在于：本发明的表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体具有微纳多级结构的表面，其特征为兼具微米粗糙度和纳米微结构，不但能有效增加与骨的相容和结合能力，而且还有利于细胞的粘附、增殖、分化及功能表达，以提高种植体的骨整合能力及其手术成功率。
附图说明
图1是经混合酸超声处理的种植体表面形貌电镜图，内插图为高倍电镜图；
图2是经混合酸超声处理和恒压直流阳极氧化处理的种植体表面形貌电镜图，内插图为倍率逐级放大的电镜图；
图3是经机械喷砂处理的种植体表面形貌电镜图，内插图为高倍电镜图；
图4是经机械喷砂处理和恒压直流阳极氧化处理的种植体表面形貌电镜图，内插图为倍率逐级放大的电镜图；
图5A、5B、5C及5D分别为纯钛种植体、表面具有纳米结构的钛种植体、表面具有微米结构的钛种植体及表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体进行细胞培养24h的荧光染色图片。
具体实施方式
实施例1
步骤A)选用纯钛加工成种植体基体，将种植体基体表面抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗30分钟，自然干燥；
步骤B)将种植体基体放入配制的稀释浓度为25%的混合酸溶液（HNO3:HF体积比为5:1）中超声处理10分钟，种植体基体外表面腐蚀成具有微米粗糙度的结构层，再依次用无水乙醇和去离子水超声清洗10分钟，自然干燥，见图1所示；
步骤C)采用恒压直流阳极氧化技术将种植体基体的微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，具体的工艺参数是：种植体基体为阳极，石墨电极为阴极，电解液组成为1.0%氢氟酸溶液，工作电压为20V，氧化时间为0.5小时，反应温度为室温；然后用去离子水超声清洗5分钟并自然干燥，获得表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体，见图2所示。
实施例2
步骤A)选用纯钛加工成种植体基体，将种植体基体表面抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗30分钟，自然干燥；
步骤B)将种植体基体放入配置的稀释浓度为40%的混合酸溶液（HNO3:HF体积比为5:1）中超声5分钟，再依次用无水乙醇和去离子水超声清洗10分钟，自然干燥；
步骤C)采用恒压直流阳极氧化技术将种植体基体的微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，基体的工艺参数是：种植体基体为阳极，铂片电极为阴极，电解液组成为0.5%氢氟酸溶液，工作电压为25V，氧化时间1.5小时，反应温度为室温；然后用去离子水超声清洗3分钟，并自然干燥。
实施例3
步骤A)选用纯钛加工成种植体基体，将种植体基体表面抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗30分钟，自然干燥；
步骤B)对种植体基体进行机械喷砂处理，种植体基体外表面磨成具有微米粗糙度的结构层，见图3所示；
步骤C)采用恒压直流阳极氧化技术，将种植体基体微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，具体的工艺参数是：种植体基体为阳极，铂片电极为阴极，电解液组成为0.7%氢氟酸溶液，工作电压为20V，氧化时间为1小时，反应温度为室温；然后用去离子水超声清洗5分钟并自然干燥之，即获得表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体，见图4所示。
实施例4
步骤A)选用纯钛加工成种植体基体，将种植体基体表面抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗30分钟，自然干燥；
步骤B)对种植体基体进行机械喷砂处理，种植体基体外表面磨成具有微米粗糙度的结构层；
步骤C)采用恒压直流阳极氧化技术，将种植体基体微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，具体的工艺参数是：种植体基体为阳极，石墨电极为阴极，电解液组成为0.3%氢氟酸溶液，工作电压15V，氧化时间2小时，反应温度为室温；然后用去离子水超声清洗20分钟，并自然干燥。
效果实施例1钛种植体的表面结构对小鼠骨髓间充质干细胞粘附形态的影响
纯钛种植体的制备：选用纯钛加工成种植体基体，将种植体基体表面抛光，再依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，自然干燥而得之；
表面具有微米结构的钛种植体的制备：选用纯钛加工成种植体基体，将种植体基体表面抛光，再依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，自然干燥；然后进行机械喷砂处理而得之；
表面具有纳米结构的钛种植体的制备：选用纯钛加工成种植体基体，将种植体基体表面抛光，再依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，自然干燥；然后采用恒压直流阳极氧化处理，并清洗干燥而得之，具体工艺参数如实施例2的步骤C)。
表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体，如实施例4所获得。
细胞培养与形态观察：上述的实验样品置于24孔板中，将细胞种植于种植体表面，接种密度为2×104/孔。分别于37℃、5%CO2气氛下恒温培养24小时后，将样品表面培养的细胞用4%多聚甲醛4℃下固定30分钟。然后加入1%Triton X-100，5分钟后将培养细胞的样品浸入FITC-鬼笔环肽溶液中，室温黑暗环境中放置30分钟以标记细胞骨架。荧光染色后的细胞用倒置荧光显微镜观察。
经过24h培养，纯钛种植体表面的细胞铺展良好，细胞骨架较明显，如图5A所示。表面具有纳米结构的钛种植体表面细胞具有较多数量的丝状伪足，如图5B所示。细胞呈拉伸形态，骨架发育良好，说明表面纳米结构表面有利于细胞的迁移。表面具有微米结构的钛种植体表面细胞骨架纤维粗，表明表面微米结构有助于细胞的粘附，如图5C所示。表面具有微纳米复合结构的钛种植体表面细胞丝状伪足伸展充分，且同时其细胞骨架结构明显、纤维粗，如图5D所示。这表明表面微纳米复合结构能有效刺激细胞，获得较好的细胞粘附和迁移，提高其细胞相容性，有利于增强种植体的骨整合能力。
Claims (8)
1.一种制备表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体的方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
步骤A)将纯钛或者钛合金加工成种植体基体并进行表面抛光，然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗并干燥；
步骤B)采用混合酸超声处理方式或机械喷砂处理方式将步骤A)获得的种植体基体表面处理成微米结构；
步骤C)采用恒压直流阳极氧化技术将种植体基体微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，从而获得表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B)中，采用混合酸超声处理方式将步骤A)获得的种植体基体表面处理成微米结构，再依次用无水乙醇和去离子水超声清洗并干燥之。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤B)中，所述的混合酸是稀释的浓硝酸和浓氢氟酸的混合酸溶液，其中浓硝酸和浓氢氟酸的体积比为5:1；超声处理时间为1～20分钟。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤B)中，所述的混合酸是稀释体积浓度为25～40%的浓硝酸和浓氢氟酸的混合酸溶液，其中浓硝酸和浓氢氟酸的体积比为5:1；超声处理时间为5分钟。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C)所述的恒压直流阳极氧化技术中，种植体基体为阳极，石墨电极或者铂片电极为阴极，电解液为氢氟酸溶液，氢氟酸的质量浓度为0.1%～1.0%，氧化电压为5～25V，氧化时间为0.5～2小时。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，氢氟酸的质量浓度为1.0%，氧化电压为20V，氧化时间为0.5小时。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C)中，先采用恒压直流阳极氧化技术将种植体基体微米结构表面原位氧化成氧化钛纳米管薄膜，然后清洗并干燥之。
8.一种权利要求1～7任一项所述方法获得的表面具有微纳米复合结构的仿生钛种植体。
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