CN104451684A - 一种仿生多功能的钛基植入体表面构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种仿生多功能的钛基植入体表面的构建方法，是一种三维网络多尺度复合结构的种植体表面构建方法，通过喷砂、酸蚀和碱处理三步处理，创制了一种具有仿细胞外基质三维结构的微纳复合表面，经酸蚀后在喷砂获得的几十个微米的起伏上酸蚀出微米级别的凹坑增大了比表面积和层级结构，大大增大了种植体的表面积，经碱处理后，在微米级、亚微米级结构上又构建了新的类似细胞外基质的三维立体的网络结构。本发明处理后的钛基植入体表面具有优异的成骨活性和抗菌性能，对于增强种植体的骨整合、降低种植相关感染、提高种植成功率具有重要意义，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于医用材料制造技术领域，涉及一种具有多尺度三维立体网络复合结构的钛基体内植入材料表面的制备方法，尤其涉及一种仿生多功能的钛基植入体表面的构建方法。
技术背景
种植体与周围骨组织形成骨整合（osseointegration）是种植成功的关键。种植体表面性质在影响种植体周围细胞行为中发挥重要作用，是决定骨整合速度和程度的关键因素之一。研究和临床实践发现，粗糙微米尺度表面钛基种植体有利于骨整合。该类种植体植入后其骨整合方式是骨与种植体之间的直接接触成骨，种植体表面形貌能通过直接或间接的方式诱导和促进细胞的生物学活性，进而促进骨整合。其中临床最有典型代表性的是Nobled的TUniteTM和ITI的SLA ?种植体系，他们都是在种植体表面形成了微米级多孔凹坑结构。
众多研究表明，新骨形成的环境基质是一种在微米、亚微米、纳米尺度具有三维阶层的复杂结构。主要是直径在几十至上百微米、深度在一个微米左右、具有不同的走向胶原纤维束。模拟体内新骨形成的形貌环境，构建三维的具有微米/亚微米/纳米多尺度复合结构表面的种植体，其表面不同尺度的形貌结构在骨整合过程中发挥不同但又相互协作促进的作用，期望可加速种植体表面的骨整合和维持种植体长期稳定性。
与此同时，如果在构建具有高成骨活性的新的种植体表面的基础上，也赋予其表面良好的抑菌功能，可以较大幅度地降低种植体植入后窗口期感染几率,这不仅具有较大的科学意义而且具有极大的应用背景。如果能利用种植体表面形貌的构建来达到这一目的，无疑是上佳的选择。因为这样可以避免其他方法带来的副作用或弊端，如种植体表面引入抗生素、金属离子等材料所引发的耐药、过敏或其他细胞毒性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿生多功能的钛基植入体表面构建方法，是一种三维网络多尺度复合结构的种植体表面构建方法，通过以下步骤实现：
（1）喷砂：用20~80目的金钢砂、氧化铝、喷丸玻璃珠、铝珠、钢砂、钢珠、塑料砂、树脂砂、核桃砂、氧化铈、氧化锆等对光滑的种植体表面进行喷砂处理，喷砂压力为4~8bar，最佳压力为4~6bar，其中40~60目砂为最佳，喷砂时间为10~600秒，其中最佳喷砂时间为40~80秒。喷砂后的种植体，先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。获得十几微米到几十微米的坑状切削结构样起伏。
（2）酸蚀：喷砂处理后的种植体用浓硫酸（质量浓度为98%）和浓盐酸（质量浓度约为35%~38%）混合酸溶液加热处理0.1~10分钟，其中浓硫酸：浓盐酸的质量比为0.01:1至1:0.01，且酸的质量总浓度不低于20%，其中最佳处理时间为10~400秒，最佳温度为60℃至沸腾。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，在喷砂获得的几十个微米的起伏上酸蚀出微米级别的凹坑增大了比表面积和层级结构，大大增大了种植体的表面积。
（3）碱处理：酸处理后的种植体用NaOH溶液处理，其中NaOH的质量浓度为0.1%至饱和，处理温度为0℃至沸腾，处理时间为0.1~120分钟，其中最佳质量浓度为1%~50%，最佳处理温度为30℃~90℃，最佳处理时间为1~60分钟。经过碱处理，在微米级、亚微米级结构上又构建了新的类似细胞外基质的三维立体的网络结构。
本发明的另一个目的是提供所述方法在制备仿生多功能的钛基植入体表面中的应用。本发明提供了一种新型的钛基植入体三维表面形貌构建的新方法，创制了一种具有仿细胞外基质三维结构的微纳复合表面。经酸蚀后在喷砂获得的几十个微米的起伏上酸蚀出微米级别的凹坑增大了比表面积和层级结构，大大增大了种植体的表面积，经碱处理后，在微米级、亚微米级结构上又构建了新的类似细胞外基质的三维立体的网络结构，经本发明方法处理后的钛基植入体表面在促进植入体成骨活性的同时，亦能达到种植体表面直接抑菌的目的。与临床应用最广泛的种植体之一SLA相比，该表面具有优异的成骨活性和抗菌性能，对于增强种植体的骨整合、降低种植相关感染、提高种植成功率具有重要意义。具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例1 SEM观察结果。
图2是实施例2 SEM观察结果。
图3是实施例3 SEM观察结果。
图4是实施例4 SEM观察结果。
图5是实施例5 SEM观察结果。
图6是实施例6 SEM观察结果。
图7是实施例7 SEM观察结果。
图8是实施例8 SEM观察结果。
图9是实施例9 SEM观察结果。
图10是实施例1~9中获得的表面进行XRD检测结果，图中10代表SLA表面。
图11是碱性磷酸酶活性。
图12是骨钙素分泌检测。
图13是粘附于表面的大肠杆菌定量。
图14是粘附于表面的金黄色葡萄球菌定量。
具体实施方式
本发明结合实施例作进一步的说明。本发明的实施例只是为了更好说明本发明的特征，并不完全包含本发明的所保护内容。由于本发明可以在所有体内永久性钛基植入体表面进行构建，因此，其他体内永久性植入种植体表面上用本发明所构建的这种表面都在本发明的保护范围之内。
实施例1：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为1:0.01的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为70%)70℃处理1.5分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用1%质量浓度的NaOH溶液 30℃处理1分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图1。
实施例2：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为1:0.05的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为70%)80℃处理2分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用5%质量浓度的NaOH溶液 40℃处理5分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图2。
实施例3：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为1:0.1的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为50%)90℃处理1分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用10%质量浓度的NaOH 溶液35℃处理10分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图3。
实施例4：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为1:0.15的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为40%)70℃处理2分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用1%质量浓度的NaOH溶液 45℃处理1分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图4。
实施例5：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为0.2:1的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为60%)80℃处理2分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用5%质量浓度的NaOH溶液50℃处理5分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图5。
实施例6：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为1:0.2的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为50%)90℃处理2.5分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用10%质量浓度的NaOH溶液55℃处理10分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图6。
实施例7：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为1:0.35的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为40%)70℃处理2分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用10%质量浓度的NaOH溶液 65℃处理1分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图7。
实施例8：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为1:0.4的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为35%)80℃处理2分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用10%质量浓度的NaOH溶液 70℃处理5分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图8。
实施例9：
表面光滑的种植体用40~60目金刚砂，在5bar压力下，均匀喷沙处理1分钟，喷沙后的种植体先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干。吹干后的种植体置于质量比为1:0.5的98%的H2SO4和36%HCl混合酸溶液(酸的质量总浓度为30%)90℃处理2分钟。处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗，氮气吹干。最后用10%质量浓度的NaOH溶液 75℃处理10分钟，大量纯水冲洗，氮气吹干。实施例表面进行电子扫描显微镜观察，结果参见图9。
实施例10：
对上面的九个实施例中得到的种植体表面都进行接触角表征发现，九个实施例中获得的表面水的接触角都为0，表明这九种表面都具有超亲水性。
实施例11：
对实施例1-9中获得的表面进行XRD检测并与SLA种植体表面对比，不同浓度NaOH处理不同时间后种植体表面的物相成分一致，结果参见图10。
实施例12：
对实施例1-9所得到三维多尺度复杂结构对MC3T3-E1细胞ALP活性的影响。接种相同数量的细胞至不同表面，矿化诱导培养7天后裂解细胞，用碱性磷酸酶试剂盒检测裂解液中的碱性磷酸酶活性，结果显示，同SLA组相比，不同时间不同浓度碱处理表面均促进成骨细胞的ALP表达，参见图11。
实施例13：
实施例1-9中所得到的三维多尺度复杂结构对MC3T3-E1细胞骨钙素（OC）表达的影响。接种相同数量的细胞至不同表面，矿化诱导培养14天后收集上清液，用骨钙素ELISA试剂盒检测上清液中的骨钙素含量。结果表明不同时间不同浓度碱处理表面均能促进成骨细胞的骨钙素分泌，参见图12。
实施例14：
实施例1-9中所得到的三维多尺度复杂结构对大肠杆菌6小时粘附的影响。接种相同数量的大肠杆菌到各表面，培养6小时后固定，用1%结晶紫水溶液染色15min，水充分冲洗，干燥。用95%乙醇溶解结合的结晶紫，570nm 测吸光度。结果提示不同时间不同浓度碱处理钛基表面，均在不同程度上抑制大肠杆菌的粘附，参见图13（OD示用结晶紫染色的粘附细菌数量多少的吸光度相对值）。
实施例15：
实施例1-9中所得到的三维多尺度复杂结构对金黄色葡萄球菌6小时粘附的影响。接种相同数量的金黄色葡萄球菌到各表面，培养6小时后固定，用1%结晶紫水溶液染色15min，水充分冲洗，干燥。用95%乙醇溶解结合的结晶紫，570nm 测吸光度。结果表面不同时间不同浓度碱处理钛基表面，均在不同程度上抑制金黄色葡萄球菌的早期粘附，参见图14（OD示用结晶紫染色的粘附细菌数量多少的吸光度相对值）。
Claims (5)
1.一种仿生多功能的钛基植入体表面构建方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
（1）喷砂：用20~80目的喷砂材料对光滑的种植体表面进行喷砂处理，喷砂压力为4~8bar，喷砂时间为10~600秒，喷砂后的种植体，先后用丙酮、乙醇和纯水超声清洗15分钟，氮气吹干，获得十几微米到几十微米的坑状切削结构样起伏；
（2）酸蚀：喷砂处理后的种植体用质量浓度为98%的浓硫酸和质量浓度为35%~38%的浓盐酸混合酸溶液加热处理0.1~10分钟，其中浓硫酸：浓盐酸的质量比为0.01:1至1:0.01，且酸的质量总浓度不低于20%，其中处理时间为10~400秒，处理温度为60℃至沸腾，处理后的种植体立即置于蒸馏水中清洗；
（3）碱处理：酸处理后的种植体用NaOH溶液处理，其中NaOH的质量浓度为0.1%至饱和，处理温度为0℃至沸腾，处理时间为0.1~120分钟，经过碱处理，在微米级、亚微米级结构上又构建了新的类似细胞外基质的三维立体的网络结构。
2.根据权利要求1所述的一种仿生多功能的钛基植入体表面构建方法，其特征在于，步骤（1）所述喷砂材料选用金钢砂、氧化铝、喷丸玻璃珠、铝珠、钢砂、钢珠、塑料砂、树脂砂、核桃砂、氧化铈或氧化锆。
3.根据权利要求1所述的一种仿生多功能的钛基植入体表面构建方法，其特征在于，步骤（1）选用40~60目的砂喷砂材料，喷砂压力选用4~6bar，最佳喷砂时间选用40~80秒。
4.根据权利要求1所述的一种仿生多功能的钛基植入体表面构建方法，其特征在于，步骤（3）所述的NaOH溶液的质量浓度选为1%~50%，处理温度选为30℃~90℃，处理时间选为1~60分钟。
5.根据权利要求1所述的方法在制备仿生多功能的钛基植入体表面中的应用。
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| C06 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |