CN104357814A - 含抗菌涂层的钛合金及其制备方法和应用 - Google Patents

含抗菌涂层的钛合金及其制备方法和应用 Download PDF

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刘鹏
赵永春
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Abstract

本发明公开了一种含抗菌涂层的钛合金及其制备方法和应用，先将钛合金表面进行预处理并灭菌；再将其在质量-体积浓度为1～10mg/mL的盐酸多巴胺溶液中浸泡12～36h，得到表面沉积聚多巴胺薄膜层的钛合金；最后在浓度为5～100mmol/L的硝酸银溶液中浸泡12～36h，得到表面沉积纳米银抗菌涂层的钛合金。本发明用多巴胺自聚合反应后的粘附性衔接钛合金和银纳米粒子，并借助多巴胺的弱还原性将吸附的银离子原位还原成纳米银。由于纳米银的广谱抗菌能力致使其较低的效应浓度即可达到非常好的抗菌效果。该发明为钛合金抗菌改性提供了新思路，能够有效促进钛合金植入材料在骨组织修复与再生领域中的应用。

Description

含抗菌涂层的钛合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于医用金属材料领域，具体涉及一种含抗菌涂层的钛合金及其制备方法和应用。
背景技术
钛合金具有优良的力学性能和耐腐蚀性，作为一种优秀的植入材料广泛应用于骨科和牙科。然而，由于钛合金种植体表面菌斑易于聚积，种植体表面宿主免疫力较差，导致钛合金进入人体后容易引发细菌感染。植入材料表面的细菌粘附及生物膜形成是其伴生感染的主要病理基础。材料界面引发的感染往往会引起植入体的过早松动和脱落，并导致邻近组织和器官的感染甚至坏死，由此给患者带来二次手术的痛苦和经济上的严重负担。
为了提高钛合金体内植入效果，迫切需要提高其抗菌性。近年来，钛合金材料表面进行抗菌改性取得了一定的效果，尤其等离子体气相沉积、等离子体热喷涂、阴极弧沉积、等离子体注入等开始应用于钛合金表面改性。但是这些技术往往步骤复杂，需要专门设备，成本过高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含抗菌涂层的钛合金，该钛合金的涂层以聚多巴胺为中间层，利用聚多巴胺将吸附的银离子原位还原为银纳米粒子并且固定在基材表面；本发明还提供了该钛合金的制备方法和应用，克服了现有处理方法设备复杂、制备成本高的缺点。
本发明采用的技术方案如下：
1、含抗菌涂层的钛合金，钛合金表面具有纳米银抗菌涂层，所述纳米银抗菌涂层通过多巴胺固定在钛合金上，制备步骤如下：
(1)将钛合金进行表面预处理并灭菌；
(2)将步骤(1)处理后的钛合金置于盐酸多巴胺溶液中12～36小时，得到表面具有多巴胺薄膜层的钛合金；
(3)将步骤(2)得到的表面具有多巴胺薄膜层的钛合金置于硝酸银溶液中12～36小时，得到表面具有纳米银抗菌涂层的钛合金。
2、含抗菌涂层的钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钛合金进行表面预处理并灭菌；
(2)将步骤(1)处理后的钛合金置于盐酸多巴胺溶液中12～36小时，得到表面具有多巴胺薄膜层的钛合金；
(3)将步骤(2)得到的表面具有多巴胺薄膜层的钛合金置于硝酸银溶液中12～36小时，得到表面具有纳米银抗菌涂层的钛合金。
优选的，所述步骤(2)中所述盐酸多巴胺溶液浓度为1～10mg/mL，溶剂为pH值8.5、浓度0.05mol/L的Tris-HCl缓冲液。
优选的，所述步骤(3)中所述硝酸银溶液浓度为5～100mmol/L。
更优选的，所述步骤(2)中所述盐酸多巴胺溶液浓度为2mg/mL，溶剂为pH值8.5、浓度0.05mol/L的Tris-HCl缓冲液。
更优选的，所述步骤(3)中所述硝酸银溶液浓度为12.5mmol/L。
3、含抗菌涂层的钛合金作为植入材料的应用。
本发明的有益效果在于：本发明利用多巴胺自聚合反应后强大的粘附性，以其作为中介衔接钛合金和银纳米粒子，从而在钛合金材料的表面形成均匀的中间层来固定银离子；同时借助多巴胺的弱还原性将吸附的银离子原位还原形成纳米银，从而制备抗菌涂层。本发明工艺简单、无需特殊设备，制备成本低。此外，由于纳米银具有广谱的抗菌能力，在其较低的效应浓度下即可达到非常好的抗菌效果。该发明为钛合金抗菌改性提供了新思路，能够有效促进钛合金植入材料在骨组织修复与再生领域中的应用。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1原始钛合金的扫描电镜图；
图2含抗菌涂层的钛合金的扫描电镜图；
图3含抗菌涂层的钛合金的能谱图；
图4原始钛合金和含抗菌涂层的钛合金的接触角图；
图5金黄色葡萄球菌在原始钛合金上培养24小时的抑菌圈图；
图6金黄色葡萄球菌在含抗菌涂层的钛合金上培养24小时的抑菌圈图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
试剂配制：不同浓度盐酸多巴胺溶液以现配的0.05mol/L Tris-HCl(pH＝8.5)为溶剂，在避光条件下进行配制；
不同浓度硝酸银溶液在避光条件下进行配制。
实施例1
含抗菌涂层的钛合金的制备方法如下：
1、预处理
将钛片分别用400、1000和2000目的砂纸打磨至表面光亮，然后依次用自来水、乙醇、丙酮分别超声清洗，每次10分钟；清洗干净后，放入60℃的烘箱内进行烘干，烘干后将钛片放进无菌管内，用报纸包装好后放入高压灭菌锅内进行灭菌20分钟，然后取出放入烘箱内烘干备用；
2、聚多巴胺沉积
将步骤(1)处理后的钛合金在2mg/mL的盐酸多巴胺溶液中浸泡12小时，得到表面沉积聚多巴胺薄膜层的钛合金；
3、纳米银涂层制备
将步骤(2)处理后的钛合金浸入12.5mmol/L的硝酸银溶液中12小时，得到表面沉积纳米银抗菌涂层的钛合金。
实施例2
含抗菌涂层的钛合金的制备方法如下：
1、预处理
同实施例1；
2、聚多巴胺沉积
将步骤(1)处理后的钛合金在5mg/mL的盐酸多巴胺溶液中浸泡24小时，得到表面沉积聚多巴胺薄膜层的钛合金；
3、纳米银涂层制备
将步骤(2)处理后的钛合金浸入5mmol/L的硝酸银溶液中24小时，得到表面沉积纳米银抗菌涂层的钛合金。
实施例3
含抗菌涂层的钛合金的制备方法如下：
1、预处理
同实施例1；
2、聚多巴胺沉积
将步骤(1)处理后的钛合金在10mg/mL的盐酸多巴胺溶液中浸泡36小时，得到表面沉积聚多巴胺薄膜层的钛合金；
3、纳米银涂层制备
将步骤(2)处理后的钛合金浸入100mmol/L的硝酸银溶液中36小时，得到表面沉积纳米银抗菌涂层的钛合金。
实施例4
含抗菌涂层的钛合金的制备方法如下：
1、预处理
同实施例1；
2、聚多巴胺沉积
将步骤(1)处理后的钛合金在8mg/mL的盐酸多巴胺溶液中浸泡24小时，得到表面沉积聚多巴胺薄膜层的钛合金；
3、纳米银涂层制备
将步骤(2)处理后的钛合金浸入30mmol/L的硝酸银溶液中12小时，得到表面沉积纳米银抗菌涂层的钛合金。
实施例5
含抗菌涂层的钛合金的制备方法如下：
1、预处理
同实施例1；
2、聚多巴胺沉积
将步骤(1)处理后的钛合金在4mg/mL的盐酸多巴胺溶液中浸泡20小时，得到表面沉积聚多巴胺薄膜层的钛合金；
3、纳米银涂层制备
将步骤(2)处理后的钛合金浸入50mmol/L的硝酸银溶液中16小时，得到表面沉积纳米银抗菌涂层的钛合金。
实施例6
含抗菌涂层的钛合金的制备方法如下：
1、预处理
同实施例1；
2、聚多巴胺沉积
将步骤(1)处理后的钛合金在6mg/mL的盐酸多巴胺溶液中浸泡20小时，得到表面沉积聚多巴胺薄膜层的钛合金；
3、纳米银涂层制备
将步骤(2)处理后的钛合金浸入80mmol/L的硝酸银溶液中12小时，得到表面沉积纳米银抗菌涂层的钛合金。
实施例7
含抗菌涂层的钛合金的制备方法如下：
1、预处理
同实施例1；
2、聚多巴胺沉积
将步骤(1)处理后的钛合金在9mg/mL的盐酸多巴胺溶液中浸泡14小时，得到表面沉积聚多巴胺薄膜层的钛合金；
3、纳米银涂层制备
将步骤(2)处理后的钛合金浸入100mmol/L的硝酸银溶液中12小时，得到表面沉积纳米银抗菌涂层的钛合金。
用扫描电子显微镜(FEI Nova 400，Philips公司)观察钛合金表面形貌的变化，由图1和图2可见，含抗菌涂层的钛合金表面原位生成了银纳米粒子。
用X-射线光电子能谱(AxisUltra,Kratos Analytical公司)分析钛合金表面元素变化，由图3可见，含抗菌涂层的钛合金表面出现了碳、氮、氧和银元素的峰，表明多巴胺和银已经成功沉积于材料表面。
用接触角测量仪(台湾翰光高科技股份有限公司)分析钛合金表面亲疏水性的变化，由图4可见，原始的钛合金接触角为68°，含抗菌涂层的钛合金表面为23°，可以得知，在经过多巴胺和硝酸银溶液处理后的钛合金表面变得更加亲水。
用金黄色葡萄球菌通过抑菌圈实验和抑菌率实验对得到的表面生成抗菌涂层的钛合金进行抗菌性能测试。
抑菌圈实验中，金黄色葡萄球菌的接种浓度为106个/mL，培养温度为37℃，培养时间为24小时。实验结果见图5和图6。由图5和图6可知，含抗菌涂层的钛合金出现了明显的抑菌圈，证实了经过多巴胺和硝酸银溶液处理后的钛合金在抗菌能力上得到明显增强。
抑菌率实验中，先将金黄色葡萄球菌置于LB培养基(胰蛋白胨1.0％，酵母膏0.5％，NaCl 1.0％)中生长12小时；然后将培养后的细菌制备成106个/mL的细菌悬液，并取40μL置于事先经过253.7nm紫外线照射灭菌的原始钛合金和含抗菌涂层的钛合金上，在37℃下培养12小时；然后用4mL水剧烈洗脱原始钛合金和含抗菌涂层的钛合金各5分钟，将洗脱后获得的细菌悬液取100μL涂布在琼脂板上，再将琼脂板置于37℃培养24小时，最后将形成的菌落进行计数。抗菌率由下式计算求得：
C ( % ) = ( A - B A ) × 100
其中，C代表抑菌率，A代表对照组的菌落数，B代表实验组的菌落数。每次测量进行三次，取平均值原始钛合金作为对照。
抑菌率实验结果见表1。
表1不同钛合金的抑菌率
样品 原始钛合金(菌落数) 含抗菌涂层的钛合金(菌落数) 抑菌率(％)
1 4602 544 88.18
2 3953 472 88.06
3 4012 393 90.20
由表1可见，原始钛合金的平均菌落数为4189，而含抗菌涂层的钛合金平均菌落数为469，计算后可知抑菌率为88.81％。含抗菌涂层的钛合金在抑菌效果上得到了很大提升，表明经过多巴胺和硝酸银溶液处理后可以提高钛合金的抗菌性。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.含抗菌涂层的钛合金，其特征在于，钛合金表面具有纳米银抗菌涂层，所述纳米银抗菌涂层通过多巴胺固定在钛合金上，制备步骤如下：
(1)将钛合金进行表面预处理并灭菌；
(2)将步骤(1)处理后的钛合金置于盐酸多巴胺溶液中12～36小时，得到表面具有多巴胺薄膜层的钛合金；
(3)将步骤(2)得到的表面具有多巴胺薄膜层的钛合金置于硝酸银溶液中12～36小时，得到表面具有纳米银抗菌涂层的钛合金。
2.权利要求1所述含抗菌涂层的钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钛合金进行表面预处理并灭菌；
(2)将步骤(1)处理后的钛合金置于盐酸多巴胺溶液中12～36小时，得到表面具有多巴胺薄膜层的钛合金；
(3)将步骤(2)得到的表面具有多巴胺薄膜层的钛合金置于硝酸银溶液中12～36小时，得到表面具有纳米银抗菌涂层的钛合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述盐酸多巴胺溶液浓度为1～10mg/mL，溶剂为pH值8.5、浓度0.05mol/L的Tris-HCl缓冲液。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述硝酸银溶液浓度为5～100mmol/L。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述盐酸多巴胺溶液浓度为2mg/mL，溶剂为pH值8.5、浓度0.05mol/L的Tris-HCl缓冲液。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述硝酸银溶液浓度为12.5mmol/L。
7.权利要求1所述含抗菌涂层的钛合金作为植入材料的应用。
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