CN104911558B - 等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉进行表面改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉进行表面改性的方法，所述方法包括激发锌阴极和银阴极分别作为锌离子等离子体源和银离子等离子体源，等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉表面注入锌离子和银离子进行表面改性。

Description

等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉进行表面改性的方法

技术领域

本发明涉及一种对种植牙钉进行表面改性的方法，更确切地说是涉及一种通过等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉进行表面改性的方法。

背景技术

牙齿，是指人嘴中具有一定形态的高度钙化的组织，有咀嚼、帮助发音和保持面部外形的功能。在一个人的生活当中，牙齿会在正常使用的过程中不断受到磨损。此外，一些不良的生活习惯，如爱吃甜食、不注重口腔健康，对牙齿造成的损害则更加严重。现代社会存在牙齿方面问题的人群不在少数，许多人不得不面临牙齿脱落，需要种植假牙，才能缓解因牙齿缺少导致的不便。

在近几十年里，口腔种植学迅速发展并成熟，种植假牙作为一种与天然牙功能、结构以及美观效果十分相似的修复方式，已经成为口腔医学界解决患者缺牙问题的首选。但是，目前在假牙移植方面，有这样的问题：由于植入牙钉的表面生物活性、成骨活性和抗菌性能尚不够理想，致使植入材料骨整合能力弱，与人体组织结合不佳。因此，如何提高植入牙钉的生物活性和抗菌性能，从而提高植入材料的骨整合能力，是牙齿种植领域的热点问题之一。

发明内容

对于假牙移植领域植入牙钉的表面生物活性、成骨活性和抗菌性不够理想的问题，本发明通过等离子体浸没离子注入技术，将锌离子和银离子注入种植牙钉的表面，对种植牙钉的表面进行改性，从而提高种植材料的表面生物活性、成骨活性和抗菌性能。

本发明提供一种通过等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉进行表面改性的方法，所述方法包括激发锌阴极和银阴极分别作为锌离子等离子体源和银离子等离子体源，等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉表面注入锌离子和银离子进行表面改性。

经本发明表面改性处理得到的种植牙钉，其耐腐蚀性能有所提高，并且对大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSC细胞)的增殖，分化和成骨相关基因的表达具有显著促进作用，而且本发明的改性方法可控性好，有较强的实用性。

本发明所述等离子体浸没离子注入(PIII)技术在种植牙钉表面进行锌/银二元离子注入工艺参数优选为：真空室温度20～50℃，本底真空度3.0×10^-3～5.0×10^-3Pa，注入电压-10～-40kV，频率5～9Hz，脉宽200～550μs，锌、银总注入时间0.5～2.0h。

本发明所述等离子体浸没离子注入(PIII)技术在种植牙钉表面进行锌/银二元离子注入的顺序为：先锌后银(Zn-Ag-PIII)、先银后锌（Ag-Zn-PIII）或锌银同时共注（Zn/Ag-PIII）。

优选地，本发明所述方法为利用等离子体浸没离子注入(PIII)技术在种植牙钉表面进行锌、银二元离子共注入，锌/银共注入时间0.5～2.0h。所述共注入为同时激发以锌和银为阴极的两个脉冲阴极弧等离子体源进行等离子体浸没离子注入。

本发明所述材料为钛或者钛合金种植牙钉。

本发明所述锌阴极采用纯锌制成。

本发明所述银阴极采用纯银制成。

本发明所述等离子体浸没离子注入(PIII)技术能对复杂的三维工件进行表面改性，且可控性好，有较强的实用性。

银作为一种具有广谱抗菌性的良好无机抗菌材料，早在公元前就已被人们用来预防感染。而银的抗菌机理至今未被完全阐明，有文献报道银能通过与细菌内含有巯基的蛋白质反应，阻碍细菌正常的生命活动从而杀死细菌；也有研究表明银能阻碍电子在细菌膜上的转移，破坏细菌结构(Nat Mater2008,7:236-241)。另一方面，有研究表明嵌入材料表面的银纳米颗粒不但不会对成骨细胞造成毒性，反而具有一定的促进成骨细胞增殖的作用(Biomaterials2011,32:693-705)。因此，银离子注入种植牙钉表面可以显著提高植入材料的抗菌性能。

锌作为生命体必需的微量元素之一，对维持多种蛋白功能和结构起到至关重要的作用。研究表明，锌能够刺激细胞增殖，促进细胞碱性磷酸酶活性，促进胶原蛋白合成，提高成骨相关基因的表达(Biochemical and Biophysical Research Communications2011,412:273-278.)，从而起到促进成骨，提高植入材料与骨的结合。另一方面，合适浓度的锌亦可起到一定的抗菌作用(Biomaterials2013.34:3467-3478.)。因此，锌离子注入种植牙钉表面能够显著改善植入材料的生物活性。

本发明的有益效果：

经本发明表面改性处理得到的种植牙钉，其耐腐蚀性能有所提高，并且对大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSC细胞)的增殖，分化和成骨相关基因的表达具有显著促进作用。细胞增殖结果证实，经本发明改性处理得到的种植牙钉可以提高rBMSCs细胞增殖；碱性磷酸酶活性实验，胶原染色实验和茜素红染色实验结果表明，经过本发明改性处理得到的种植牙钉可以促进rBMSCs细胞骨向分化；实时定量PCR实验证实，经本发明改性处理得到的种植牙钉可以提高成骨相关基因(ALP，Runx2，OCN和Col-I)的表达。本发明可用于改善种植牙钉的生物 活性和抗菌性能。

附图说明

图1为经实施例1改性处理得到的种植牙钉表面锌和银的XPS深度分布图；

图2(a)为经实施例1改性处理得到的种植牙钉表面和内部锌的XPS高分辨谱；

图2(b)为经实施例1改性处理得到的种植牙钉表面银的XPS高分辨谱；

图3为经实施例2改性处理得到的种植牙钉表面锌和银的XPS深度分布图；

图4(a)为经实施例2改性处理得到的种植牙钉表面和内部锌的XPS高分辨谱；

图4(b)为经实施例2改性处理得到的种植牙钉表面银的XPS高分辨谱；

图5为经实施例3改性处理得到的种植牙钉表面锌和银的XPS深度分布图；

图6(a)为经实施例3改性处理得到的种植牙钉表面和内部锌的XPS高分辨谱；

图6(b)为经实施例3改性处理得到的种植牙钉表面银的XPS高分辨谱；

图7为经本发明改性处理得到的种植牙钉腐蚀电位分析图，其中：Zn/Ag-PIII表示采用锌银共注入方式改性处理得到的样品，Zn-Ag-PIII表示采用先锌后银注入方式改性处理得到的样品，Ag-Zn-PIII表示采用先银后锌注入方式改性处理得到的样品；

图8为经本发明改性处理得到的种植牙钉表面干细胞增殖实验结果；

图9为经本发明改性处理得到的种植牙钉表面碱性磷酸酶活性实验结果；

图10为经本发明改性处理得到的种植牙钉表面胶原染色实验结果；

图11为经本发明改性处理得到的种植牙钉表面茜素红染色实验结果；

图12为经本发明改性处理得到的种植牙钉第7天的RT-PCR实验结果；

图13为经本发明改性处理得到的种植牙钉第14天的RT-PCR实验结果；

图14为经本发明改性处理得到的种植牙钉抗大肠杆菌的实验结果(图片由扫描电子显微镜拍摄)；

图15为经本发明改性处理得到的种植牙钉抗金黄色葡萄球菌的实验结果(图片由扫描电子显微镜拍摄)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，附图和实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明的内容。本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

本发明的目的在于，通过等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉进行表面改性的方法，解决种植牙钉的表面生物活性、成骨活性和抗菌性能不佳的问题，提高植入材料的骨整 合能力和抗菌能力。

实施例1

将经过喷砂酸处理的种植牙钉超声清洗后，自然干燥待用。采用等离子体浸没离子注入(PIII)技术，将锌和银二元离子注入种植牙钉，顺序为先锌后银(Zn-Ag-PIII)，具体工艺参数如表1所示：

表1锌/银二元离子注入参数

	靶	脉冲弧
			注入电压(kV)	-30
注入脉宽(μs)	450	450
			频率(Hz)	7	7
注入时间(h)	锌1.5/银1.5
			真空度(Pa)	3.5×10-3

图1为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面锌和银的深度分布图。由图1可见：经本实施例改性处理后，锌、银两种元素均分布在种植牙钉表面。

图2(a)为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面和内部锌元素的高分辨谱。由图可见：锌元素在表面以ZnO(结合能为1021.9eV)的形式存在，而在内部以单质Zn(结合能为1020.8eV)存在。

图2(b)为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面银元素的高分辨谱。由图可见：银元素在改性处理得到的种植牙钉表面和内部均以金属银(Ag3d5/2结合能为368eV，Ag3d3/2结合能为374eV)的形式存在。

实施例2

将经过喷砂酸处理的种植牙钉超声清洗后，自然干燥待用。采用等离子体浸没离子注入(PIII)技术，将锌和银二元离子注入种植牙钉，顺序为先银后锌(Ag-Zn-PIII)，具体工艺参数如表2所示：

表2锌/银二元离子注入参数

	靶	脉冲弧
			注入电压(kV)	-15
注入脉宽(μs)	250	250
			频率(Hz)	5	5

注入时间(h)	银1.5/锌1.5
			真空度(Pa)	3.5×10-3

图3为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面锌和银的深度分布图。由图可见：

经本实施例改性处理后，锌、银两种元素均分布在种植牙钉表面。

图4(a)为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面锌元素的高分辨谱。由图可见：锌元素在表面以ZnO(结合能为1021.9eV)的形式存在，而在内部以单质Zn(结合能为1021.0eV)存在。

图4(b)为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面银元素的高分辨谱。由图可见：银在改性处理得到的种植牙钉表面和内部均以金属银(Ag3d5/2结合能为368eV，Ag3d3/2结合能为374eV)的形式存在。

实施例3

将经过喷砂酸处理的种植牙钉超声清洗后，自然干燥待用。采用等离子体浸没离子注入(PIII)技术，将锌和银二元离子注入种植牙钉，顺序为锌银共注入(Zn/Ag-PIII)，具体工艺参数如表3所示：

表3锌/银共注入参数

	靶	脉冲弧
			注入电压(kV)	-30
注入脉宽(μs)	450	450
			频率(Hz)	9	9
注入时间(h)	锌1.5/银1.5
			真空度(Pa)	3.5×10-3

图5为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面锌和银的深度分布图。由图可见：

经本实施例改性处理后，锌、银两种元素均分布在种植牙钉表面。

图6(a)为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面锌元素的高分辨谱。由图可见：锌在表面以ZnO(结合能为1021.9eV)的形式存在，在内部以单质Zn(结合能为1021.0eV)存在。

图6(b)为经本实施例改性处理得到的种植牙钉表面银元素的高分辨谱。由图可见：银在表面和内部均以金属单质银(Ag3d5/2结合能为368.04eV，Ag3d3/2结合能为374.05eV)的形式存在。

实施例4

对经上述实施例改性处理得到的种植牙钉进行耐腐蚀性能测试：工作电极为测试样品、对电极为石墨棒、参比电极为甘汞电极，利用电化学工作站，对材料的耐腐性能进行测试,测试电压为-0.9V～-0.1V。

图7为经上述实施例改性处理得到的种植牙钉腐蚀电位分析图。其中：Zn/Ag-PIII表示采用锌银共注入方式改性处理得到的样品，Zn-Ag-PIII表示采用先锌后银注入方式改性处理得到的样品，Ag-Zn-PIII表示采用先银后锌注入方式改性处理得到的样品。由图可见：相比于纯钛样品，经本发明改性方法处理得到的种植牙钉腐蚀电位均正向偏移，说明经本发明改性处理得到的种植牙钉耐腐蚀性能得到了提高。更为重要的是，采用锌银共注入方式改性处理得到的样品耐腐能力要明显高于其它两种注入方式改性处理得到的样品。

实施例5

对经上述实施例改性处理得到的种植牙钉进行大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)增殖实验：样品经75%酒精灭菌2h后，将密度为1×10⁴个/mL的细胞悬浮液1mL接种于样品表面，培养特定时间(1,4,7天)后，用PBS清洗样品2遍，加入0.5mL含有5%阿尔玛蓝的无酚红培养基进一步培养4h，取100μL测试570nm和600nm波长处的吸光度值并通过试剂说明书计算细胞增殖率。

图8为经上述实施例改性处理得到的种植牙钉细胞增殖结果。由图可见：培养1天后所有样品表面的细胞增殖率未见显著差异；培养4天后经本发明改性方法处理得到的种植牙钉表面细胞增殖率高于未处理样品，尤其是采用锌/银共注入方式改性的样品；培养7天后经本发明改性方法处理得到的种植牙钉表面细胞增殖率依然高于未处理样品，尤其是采用锌/银共注入方式改性的样品，说明经过本发明改性后的种植牙钉表面能够促进干细胞增殖。

实施例6

对经上述实施例改性处理得到的种植牙钉进行干细胞碱性磷酸酶活性(ALP)实验，即样品经75%酒精灭菌2h后，将密度为1.0×10⁴个/mL(7天)和0.5×10⁴个/mL(14天)的细胞悬液1mL接种于样品表面，培养特定时间后，用PBS清洗样品2遍，将样品浸泡在裂解液中于4℃保存40min，然后将细胞从样品表面洗脱并在磷酸对硝基苯酯中于37℃保存30min，测试其在405nm波长处的吸光度来表征碱性磷酸酶含量。利用BCA蛋白法检测总蛋白量，通过公式计算，最后用μM/μg总蛋白来表征碱性磷酸酶活性。

图9为经上述实施例改性处理得到的种植牙钉表面第7天和第14天碱性磷酸酶活性 结果。由图可见：第7天和第14天时，样品之间具有一致的趋势，即经过本发明专利改性处理的种植牙钉表面碱性磷酸酶活性表达比未经处理的要好，并且Zn/Ag共注入样品碱性磷酸酶活性表达的最高，说明经本发明改性处理得到的种植牙钉可以显著促进干细胞的碱性磷酸酶活性。

实施例7

对经上述实施例改性处理得到的种植牙钉进行干细胞胶原染色实验，即样品经75%酒精灭菌后，将密度为1.0×10⁴个/mL(7天)和0.5×10⁴个/mL(14天)的细胞悬液1mL接种于样品表面，培养7天和14天后，PBS清洗2遍，将样品浸泡在4%多聚甲醛(PFA)中保存20min，再用PBS清洗3遍，用0.1%天狼星红进行染色，测试其在492nm波长处的吸光度来表征胶原分泌情况。

图10为经上述实施例改性处理得到的种植牙钉表面胶原染色结果。由图可见：第7天和第14天样品之间具有相同的趋势，并且Zn/Ag共注入样品表面胶原分泌最多，说明经本发明改性处理得到的种植牙钉可以显著促进干细胞分泌胶原蛋白。

实施例8

对经上述实施例改性处理得到的种植牙钉进行干细胞茜素红染色实验，样品经75%酒精灭菌后，将密度为1.0×10⁴个/mL(7天)和0.5×10⁴个/mL(14天)的细胞悬液1mL接种于样品表面，培养7天和14天后，用75%的酒精固定样品1h，用2%茜素红进行染色，测试其在600nm波长处的吸光度来表征胶原分泌情况。

图11为经上述实施例改性处理得到的种植牙钉表面茜素红染色结果。由图可见：经本发明改性处理后的样品更有利于钙结节形成，并且Zn/Ag共注入样品表面钙结节的形成量最多，说明经本发明改性处理得到的种植牙钉可以显著促进干细胞形成钙结节。

实施例9

对经上述实施例改性处理得到的种植牙钉进行实时定量PCR(即RT-PCR)实验，将密度为1.0×10⁴个/mL(7天)和0.5×10⁴个/mL(14天)的细胞悬液1mL接种于经过灭菌的样品表面，培养7天和14天后，用TRIzol试剂裂解细胞，并从中提取RNA，将提取的RNA进行反转录，最后利用Lightcycle480(Roche)设备进行PCR实验。

图12为经上述实施例改性处理得到的种植牙钉第7天的RT-PCR结果。由图可见：Zn/Ag共注入样品表面ALP，Runx2，OCN和Col-I这4种基因表达均比未处理样品要高。

图13为经上述实施例改性处理得到的种植牙钉第14天的RT-PCR结果。由图可见：Zn/Ag共注入样品表面ALP，Runx2，OCN和Col-I这4种基因表达仍然比未处理样品要 高，说明经本发明改性处理的种植牙钉可以显著提高成骨相关基因的表达。

实施例10

对经上述实施例改性处理得到的种植牙钉进行抗菌实验：将细菌浓度为10⁷CFU/ml的菌液滴在经过灭菌的样品表面（60μl/cm²），小心放入37℃恒温培养箱培养24h。24h后取出样品，PBS清洗2遍后用2.5%戊二醛溶液固定。将样品依次经过梯度酒精和六甲基二硅胺烷脱水干燥，通过扫描电子显微镜(SEM)观察样品表面细菌形貌。

图14为经上述实施例改性处理得到的样品表面大肠杆菌的形貌。由图可见：未经处理的样品表面大肠杆菌数量多并且具有正常的“杆状”形态，而经过本发明改性处理的样品表面未见完整的大肠杆菌，所有细菌都已裂解凋亡，说明经本发明改性处理的种植牙钉对大肠杆菌具有良好的抗菌效果。

图15为经上述实施例改性处理得到的样品表面金黄色葡萄球菌的形貌。由图可见：未经处理的样品表面金黄色葡萄球菌较多且具有饱满的“圆球状”形态，而经过本发明改性处理的样品表面未见完整的金黄色葡萄球菌，所有细菌已裂解凋亡，说明经本发明改性处理的种植牙钉对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌效果。

产业应用性

本发明能够解决种植牙钉的表面生物活性、成骨活性和抗菌性能不佳的问题，提高植入材料的骨整合能力和抗菌能力。因而，本发明在假牙移植领域具有广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种通过等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉进行表面改性的方法，其特征在于，所述方法包括激发锌阴极和银阴极分别作为锌离子等离子体源和银离子等离子体源，利用等离子体浸没离子注入技术对种植牙钉表面注入锌离子和银离子进行表面改性，以改善种植牙钉的生物活性和抗菌性能，其中，对种植牙钉表面进行等离子体浸没离子注入的工艺参数为：真空室温度20～50℃，本底真空度3.0×10^-3～5.0×10^-3Pa，注入电压-10～-40kV，频率5～9Hz，脉宽200～550μs，锌、银总注入时间0.5～4.0h。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锌阴极采用纯锌制成。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述银阴极采用纯银制成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对种植牙钉表面进行等离子体浸没离子注入，注入的顺序为先锌后银、先银后锌或锌银共注。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述注入的顺序为锌银共注，锌银共注入时间0.5～2.0h。

6.根据权利要求1-5中的任一所述的方法，其特征在于，所述种植牙钉的材料为钛或者钛合金材料。