CN105327396B - 一种骨科植入类医用器械的表面改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨科植入器械的表面改性方法，在所述植入器械表面负载活性锶盐和双膦酸盐。通过活性锶盐(成骨组分、骨再吸收抑制剂)和双膦酸盐(骨再吸收抑制剂)在植入器械周围的原位长期可控释放，利用二者的协同作用，达到抑制原有骨的吸收过程并促进新骨生成，最终实现矫形移植器件(假体)与周围骨组织的快而好的整合的目的。经过本发明方法进行表面改性的骨科植入器械尤其适用于具有病理诱发骨吸收及骨折患者的治疗。

Description

一种骨科植入类医用器械的表面改性方法

技术领域

本发明涉及一种骨科医用器械表面改性方法，特别针对经矫形(假体)移植术后植入物周围骨吸收和有矫形(假体)移植需求的骨质疏松患者，属于医用材料表面改性及其药物缓释领域。

背景技术

有矫形移植部件或关节假体(如髋、膝关节替代物)患者所面临的一个主要问题是大多数假体从移植后约五年左右开始损坏，损坏率高达20–30％，且损坏速度呈指数增长。一般，历经10–15年的髋关节假体将发生植入体老化现象，不但假体松弛，功能逐渐丧失，且植入部位频发疼痛，最终需进行二次翻修手术。这种情况在钛及钛合金相关移植案例中发生的概率尤其高，究其原因，是一种所谓的“Stress Shielding Effect，应力遮挡(屏蔽)”的效应在发挥作用。这是指当钛(合金)和骨组织这两种具有不同刚度的材料共同承载外力时，具有刚度较高的植入材料将会承担较多的载荷，而刚度较低的骨组织则只能承载较低的载荷，长此以往，最终假体周围骨组织将被逐步重吸收，造成植入物松动失效和移植手术失败。

此外，对于一类处于病理状态且需进行矫形移植的患者，除了以上通用的骨吸收情形，由于病理导致骨吸收加剧无疑将整个假体移植失败的风险放大到极致。生理条件下，与植入体相邻的活体骨同时经历由破骨细胞介导的骨吸收和由成骨细胞介导的新骨生成的双向过程。类似地，植入体进入人体后其周围软组织在伤口愈合初期发生骨吸收和重塑。正常情况下，老化骨的吸收和新骨的生成是一个相互平衡的过程，以维持骨组织矿物质含量恒定。然而，在一些病理状态下，这种平衡被打破，成骨能力受损或破骨获得亢进，导致骨质的过多流失。最为典型的临床案例当属对骨质疏松症患者的假体植入。骨质疏松症是一种以骨组织纤维结构受损，骨基质和矿物含量减少，骨质变薄，骨小梁数量减少，骨脆性增加和骨折风险增高的全身骨代谢障碍疾病。近年来，骨质疏松患者人数急剧增加，尤以绝经期妇女为甚(60–70岁，1/3患病)，且具有高的疏松后骨折风险。骨质疏松患者一旦发生骨折或因其他原因需要进行假体植入时，由于骨吸收旺盛，成骨能力低下，植入术后假体周围骨愈合周期比骨质正常人更为缓慢，且常伴随假体松动，导致植入失败。其他类似导致骨丢失的病态还包括骨肿瘤、异位骨化、骨质硬化、佩吉特氏病等。当移植物受体为这类患者，在抑制骨吸收的同时促进新骨与假体的整合将显得尤为重要。

在本领域骨质吸收抑制剂双膦酸盐(bisphosphonates，BPs)是被公知最为有效的。BPs是焦磷酸盐(pyrophosphate，PPi)的稳定类似物，通过影响羟基磷灰石的结晶过程而在体内、体外形成抑制骨重吸收的作用。至今，人类已合成出双膦酸盐类化合物超过300个，并有多个产品上市并不断更新换代，包括第1代的氯屈膦酸钠、依替膦酸钠、第2代的帕米膦酸钠和阿仑膦酸钠及第3代的替鲁膦酸钠、唑来膦酸钠、奥帕膦酸钠、利塞膦酸钠以及伊本膦酸钠等。BPs能抑制各种药物引起的骨吸收，并对体内钙代谢有显著的作用，先后用于治疗与骨吸收增加有关的疾病，如Paget疾病、恶性高血钙、骨髓瘤和肿瘤的骨转移疾病，特别是近年来用于治疗骨质疏松。研究发现，BPs主要通过理化结合于骨质，直接干扰骨吸收，并随破骨细胞的破骨作用而进入细胞内，通过抑制破骨细胞特定代谢的关键酶和信号转导而发挥抗骨质吸收的功能。然而，其吸收差，刺激消化道，服药剂量需严格控制，且抑制破骨的同时抑制成骨，导致不良毒副反应。国家药品不良反应监测中心一期《药品不良反应信息通报》通报了BPs的严重不良反应，包括骨骼肌肉损害191例、食道损害53例、肾功能损害20例、下颌骨损害3例。

锶(Sr)是人体必需微量元素，参与骨骼钙化重塑过程，具有刺激成骨细胞骨生成和抑制破骨细胞骨吸收的功能。它在抑制破骨细胞活动同时，可促进成骨细胞活性，并不像双膦酸盐一样影响骨骼的矿化和晶体结构以及力学性能。鉴于此独特优势，法国制药公司Servier研制成功新型骨吸收抑制剂“雷奈酸锶(Strontium Ranelate)”，为第一个具有“促成骨-抗吸收“双重作用的抗骨质疏松药物。不过，考虑到单一的锶盐的抗骨吸收效果并不如BPs，目前临床仍以使用后者治疗骨质疏松居多。

理想地，通过双膦酸盐和锶盐联合用药，一方面在有效抑制骨吸收的同时可保证成骨活动不受影响甚至得到促进，另一方面可大大降低BPs的服用剂量，将毒副作用减小到最低水平。专利CN 101229177A就公开了一种双膦酸盐和雷奈酸锶药物组合用以治疗骨质疏松。不过，该发明仍然局限于上述两类药物的全身给药，缺乏靶向机制，给药浓度固定时药物抵达病灶的有效浓度因血液稀释和新陈代谢而降低，疗效大打折扣。相反，通过植入物表面工程化处理、涂覆携带有两种药物的膜层，再在移植装置或假体周围组织区域长期、可控地进行缓释，可原位实现对已有骨吸收病灶或潜在松动部位进行治疗，抑制破骨细胞活动，促进新骨生成，加速移植物和周围骨组织的嵌入和整合。该方法的另一个好处是可以根据移植需求和骨生物学知识对植入物本身及其表面结构和成分进行设计。比如，可以通过增材制造技术加工制造与移植部位解剖学完美匹配的多孔钛合金支架，在其内部填充负载有BPs和Sr的凝胶类高分子材料；又如，可通过表面处理，获得移植物表面多孔、沟槽、微刺、纤维等微纳米结构，促进材料/组织界面的机械锚定和锁合。

发明内容

本发明公开了一种用于涂覆骨科植入类医用器械表面，兼具抑制骨吸收和促进成骨功能的膜层改性方法，用以解决上述问题。更为具体的，本发明的医用器械主体材料为钛或钛基合金，包括骨科替代物、骨科填充材料及牙科植入体，如人工髋关节假体、骨肿瘤缺损填充物、人造种植牙等。该植入器械经物理或/和化学修饰，表面形成具有一层或多层结构的膜层。本发明的上述膜层中同时掺杂元素Sr(如雷奈酸锶)和负载BPs(如唑来膦酸钠)。其中，BPs可抑制破骨过程而被临床用作骨质疏松治疗，但其副作用是抑制破骨的同时抑制成骨过程；元素Sr可同时促进成骨和抑制破骨，但其抑制破骨的强度远不如双磷酸盐。

具体的，本发明的技术方案如下：

一种骨科植入器械的表面改性方法，在所述植入器械表面负载活性锶盐和双膦酸盐。

该方法能抑制骨吸收兼促进成骨，其中活性锶盐作为成骨组分、骨再吸收抑制剂，双膦酸盐作为骨再吸收抑制剂，在植入物表面局部区域协同缓释，可有效防止装有矫形移植部件的患者假体周围骨再吸收(降低骨丢失风险)或治疗因骨质疏松导致的骨折。

上述患者是指有矫形移植部件的骨质疏松患者或骨质疏松诱发的骨折患者(如绝经期妇女、中老年移植受体)，或其他任何患有假体周围骨丢失的病人，如(任何病原学的)骨关节炎、佩吉特氏疾病、骨软化症、多发性骨髓瘤和其他癌症形式。

本发明所述治疗是预防性的。本领域所期望的是这样一种疗法，它能最佳的防止或治疗移植部件周围，即与移植物相接触的界面或特别靠近的骨区域的骨吸收，并阻止植入部件松弛，减轻患者疼痛，避免术后翻修，有效降低整个治疗成本和风险。

本发明的适用范围可进一步扩大到有关节假体或内部固定部件损坏征兆的患者，在第一时间逆转假体可能的松动，减轻一些伴随关节替代物的并发疼痛症。

优选的，上述活性锶盐选自雷奈酸锶、氯化锶、醋酸锶、硝酸锶、氢氧化锶等及其水合物中的一种或多种的混合物。

优选的，上述双膦酸盐选自依替膦酸盐、氯屈膦酸盐、替鲁膦酸盐、帕米膦酸盐、阿仑膦酸盐、利塞膦酸盐、伊班膦酸盐、唑来膦酸盐等中的一种或多种的混合物。

优选的，上述植入器械的基体材料为商业纯钛或钛基合金，如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr、Ti-5Zr-3Mo-15Nb。具体形态包括骨科替代物、骨科填充材料及口腔植入物及其多孔支架，如人工髋关节假体、骨肿瘤缺损填充物、人造种植牙等。其中，植入器械加工方法既包括传统制造技术，如挤压、拉拔、锻造、扎制，也涵盖新兴的增材制造技术，如激光/电子束选区熔融、熔融沉积制造、3D打印等。

本发明表面负载活性锶盐和双膦酸盐(“Sr-BPs”)的植入器械包括：基体及基体上的预处理层、中间层、双膦酸盐层和阻挡层的至少一部分，且各层之间可能没有明显的界限并可能存在物理和(或)化学性质的一种或多种相互作用。含锶盐类可以以离子或化合物形式存在于基体、预处理层、中间层、双磷酸盐层和阻挡层中的任意一层或多层中。

本发明对骨科植入器械进行表面改性的方法，至少包括以下三方面：

1)对骨科植入器械基体进行预处理，即经表面粗糙化(如喷砂、打磨)、酸/碱刻蚀，和/或经高温水热、碱热、阳极氧化、微弧氧化、电化学沉积、等离子体喷涂、离子注入等手段在植入器械基体表面获得微纳米结构或膜层；

2)通过下述方式的一种或多种进行锶盐负载：a.将锶盐加到微弧氧化电解液、阳极氧化电解液或水热反应溶液中，对植入器械进行微弧氧化、阳极氧化或水热反应；b.通过离子交换方法使锶离子进入预处理得到的微纳米结构或膜层中；c.在自组装的过程中将锶盐与电解质基元一起形成复合膜层；d.通过等离子喷涂或离子注入的方法使锶盐进入基体和/或预处理膜层；

3)通过下述方式的一种或多种进行双膦酸盐的负载：i)使双膦酸盐直接物理吸附或化学结合到预处理膜层；ii)经多巴胺或钙磷盐等形成的中间膜层介导，使双膦酸盐与之发生物理化学结合；iii)在自组装的过程中将双膦酸盐作为电解质基元，通过电荷和/或化学作用与另一种或多种聚电解质一起形成复合膜层。

上述步骤1)中，植入器械的表面预处理方法可以是上述方法的一种或多种的组合，如喷砂–离子注入–阳极氧化、微弧氧化–高温水热、喷砂–阳极氧化–高温水热。

植入器械表面预处理形成的微纳米结构包括：纳米管、纳米孔以及介于微纳米级别的凹坑、多孔、网状、丝状或片层针状等结构。

在本发明中，锶元素可以离子或化合物形式存在于基体、预处理层、中间层、双磷酸盐层和阻挡层中的任意一层或多层中。上述步骤2)锶盐的负载可以在预处理的同时或者在预处理后进行。

进一步的，优选地在负载锶盐和双膦酸盐后利用悬涂法或层层组装法(LBL)等制备缓释性的阻挡层(如PLGA、丝素蛋白一类降解性可调的高分子)，可方便地调控Sr和/或BPs的释放速率，延长治疗有效周期。具体地，一种方法是针对平面结构样品，即利用悬涂设备，将配制好的浓度适宜的PLGA或丝素蛋白类溶液滴加到样品表面，在离心力和粘滞力同时作用下，在样品表面形成一层缓释层；重复以上过程可获得具有多层结构的阻挡层。此外，对于三维复杂结构样品，优选一种溶液式或喷雾式的LBL方法进行涂覆，即首先通过调节溶液pH使缓释高分子溶液带电(正负均可)，再与另一种带相反电荷的聚电解质组装基元(如聚乙酰亚胺、聚赖氨酸等)一起，交替地作用于样品表面，逐层重复叠加，直到获得满意的缓释效果。

在本发明的一个具体实施方式中，利用含有锶盐的电解液，通过微弧氧化法对骨科植入器械基体进行预处理，形成具有微米多孔结构的掺锶钙磷盐膜层；接着在模拟体液(SBF)诱导下在所述掺锶膜层表面进行仿生矿化得到针片状羟基磷灰石结构(HA，中间层)；然后利用双膦酸盐的磷酸根与羟基磷灰石的钙的高度亲和性，将植入器械浸泡在双膦酸盐溶液一段时间，即可完成对BPs的负载。

在本发明的另一个具体实施方式中，首先利用含有锶盐的电解液，通过微弧氧化法对骨科植入器械基体进行预处理，形成具有微米多孔结构的掺锶钙磷盐膜层；再经碱性溶液水热反应诱导，在微孔外周生成无序的纳米棒状结构；然后利用BPs的PO₄ ^3-和纳米棒表面富含的Ca²⁺的静电吸附原理结合BPs。

在本发明的又一个具体实施方式中，首先通过碱热处理，在植入器械基体表面获得具有不同厚度和直径的纳米线(纳米纤维)膜层；接着通过离子交换负载上锶盐；然后在模拟体液诱导下进行仿生矿化得到针片状羟基磷灰石结构(中间层)；最后利用双膦酸盐的磷酸根与羟基磷灰石的钙的高度亲和性，将植入器械浸泡在双膦酸盐溶液一段时间，即可完成对BPs的负载。

在本发明的再一个具体实施方式中，首先通过碱热处理，在植入器械基体表面获得具有不同厚度和直径的纳米线(纳米纤维)膜层；然后采用LBL(层层纳米自组装)的方法：将Sr²⁺掺入一种带正电荷的高分子聚电解质(如壳聚糖，CHI)中，以BPs(富含膦酸官能团，带负电)为相反的带电聚电解质，在构建LBL膜层的同时实现“Sr-BPs”的同时负载。

本发明具有以下有益效果：

通过本发明所述方法，可实现元素Sr和BPs在植入器械周围的原位长期可控释放，利用二者的协同作用，达到抑制原有骨的吸收过程并促进新骨生成，最终实现矫形移植器件(假体)与周围骨组织的快而好的整合的目的。经该方法表面改性的植入器械通用于防止一般移植假体松动，增长其服役期，尤其适用于具有病理诱发骨吸收及骨折患者的治疗。

附图说明

图1为本发明的涂覆膜层的植入装置的横断面示意图：1—植入物基体，2—预处理层，3—中间层，4—双磷酸盐层，5—阻挡层，6—含锶离子或化合物。

图2为实施例1-4中使用的电子束熔融制造(EBM)的Ti-6Al-4V多孔支架的光学俯视图(A)和侧视图(B)及扫描电镜下表面(C)和截面(D)的显微结构。

图3为实施例1中采用微弧氧化工艺制备的掺Sr的多孔膜层(A)及其经3×SBF诱导3天后表面形貌图(B、C)和EDS能谱图(D)。

图4为实施例2中采用“微弧氧化-碱性水热”复合工艺制备的“微孔-纳米棒状”膜层结构(A)和该棒状结构吸附利塞膦酸钠后(B)的形貌变化的扫描电镜图片。

图5为实施例3制备的掺Sr钛酸盐纳米线的透射电镜图片(A)和不同倍数下的扫描电镜图片(B、C)。

图6为在实施例3中采用“碱热-离子交换”复合工艺制备的掺Sr钛酸盐纳米线的Sr²⁺体外释放曲线(PBS为介质)，其中(A)和(B)分别为累积释放曲线和非累积释放曲线。

图7为实施例4中采用层层自组装(LBL)制备的掺锶的壳聚糖(CHI)-唑来膦酸(BP)复合膜层((CHI-Sr/BP)₅)。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

参照图1，表面负载“锶-双膦酸盐(Sr-BP)”的植入物基体1优选地进行预处理，获得具有微纳米结构的预处理层2，此外还包括置于预处理层2之上的中间膜层3，物理或/和化学结合到上述层3之上的双膦酸盐膜层4以及覆盖在其上的缓释阻挡层5。锶离子或含锶化合物6通过形成复合物、物理吸附、离子交换或自组装等方式进入预处理层2或/和中间层3。其中，预处理表面的方法包括打磨、喷砂、酸蚀、碱蚀及其组合。预处理层2优选地采用碱热(水热)处理、微弧氧化、阳极氧化、电泳沉积、电化学沉积等方法制备。特别地，在微弧氧化电解液中加入锶盐，可在钛表面原位生成含Sr预处理层。其中，中间层3可有数层，其形式包括层层自组装膜层(Layer-by-layer assembly，LBL)或聚多巴胺膜层或钙磷盐膜层或以上组合。本发明的一个重要特征是可通过膜层成分、结构和层数调控锶和双膦酸盐的负载量和释放速率，以利于上述植入物基体1在骨质疏松部位长期有效使用和进行治疗。

实施例1、“微弧氧化–模拟体液法”制备“Sr-BPs”膜层

使用电子束熔融3D打印的Ti-6Al-4V多孔支架为试样。经测定其直径为10mm、高度为5mm，支柱和孔径大小分别约400μm和682μm，孔隙率为73％(图2)。上述支架经吹粉、丙酮-乙醇-去离子水超声清洗和60℃干燥后，室温放置用于后续处理。扫描电镜下，可观察到一些粘结在表面的融化不完全的钛粉微球。

首先，制备具有生物活性、微米多孔结构的掺锶钙磷盐表面(预处理膜层)。采用北京金弧绿保JHMAO-6H脉冲直流电源在恒压模式下进行微弧氧化。以上述支架作为阳极，不锈钢或金属铂片为阴极(对电极)，两极间距5.0cm，电解液成分为乙酸钙0.06M，乙酸锶0.01–0.10M，磷酸二氢钠0.03M，EDTA-Na0.05M，氢氧化钠0.25M。微弧氧化时，电压为300–400V，频率为500Hz，占空比(能级)10–15％，氧化时间为3–20min。所得支架经去离子水超声清洗3次，每次15min，60℃烘箱过夜干燥。如图3(A)所示，在支架表面原位生成孔径1–4μm的微孔陶瓷样结构，其主要元素为Ca、P、O、Sr等(Sr含量1–2at.％)。

其次，在模拟体液(SBF)诱导下在上述微弧氧化掺锶膜层表面进一步仿生矿化得到针片状羟基磷灰石结构(HA，中间层)。按照10mL SBF/支架进行浸泡，37℃摇床下放置3–7天，期间每隔3天换液一次。浸泡结束，取出样品，经大量去离子水反复冲洗，自然风干备用。上述SBF溶液配方如下：NaCl 7.996g，NaHCO₃ 0.350g，KCl 0.224g，K₂HPO₄·3H₂O 0.228g，MgCl₂·6H₂O 0.305g，CaCl₂ 0.278g，Na₂SO₄0.071g，用50mmol/L Tris((CH₂OH)₃CNH₂)和0.1MHCl缓冲pH值7.40，温度37℃，定容至1000mL。如图3(B)、(C)所示，低倍下球状团簇、高倍下鳞片状结构的钙磷盐中间膜层成功覆盖在微弧氧化(预处理)膜层上，使多孔结构完全不可见。EDS能谱分析(见图3(D))其主要成分为C、O、Ca、P，且Ca/P＝1.62，与HA(Ca/P＝1.67)接近，证明我们在掺锶膜层基础上，成功诱导出羟基磷灰石。

最后，利用BPs的磷酸根与HA的钙的高度亲和性，通过37℃过夜浸泡即可完成对BPs的负载。实验选择三种BPs：阿仑膦酸钠、唑来膦酸钠和利塞膦酸钠，以PBS为溶剂，其浓度设置为0.1–1.0mg/mL，配制完成后4℃储存备用，两周内有效。

实施例2、“微弧氧化–水热法”制备“Sr-BPs”膜层

上述微弧氧化后支架表面微孔结构赋予其很大的比表面积和反应活性，可以作为一种二次反应的模板，再经弱碱性溶液水热反应诱导，以微孔为中心，可在其外周生成无序的纳米棒状结构。该“微孔-纳米棒”复合的层级结构(中间层)具有比单一微孔结构更高的比表面积和生物活性，可不经SBF诱导、直接利用BPs的PO₄ ^3-和纳米棒表面富含的Ca²⁺的静电吸附原理结合BPs。吸附BPs后的纳米棒形貌如图4所示。图中亮区为二次电镜聚集的富含C元素区域，指示BPs成功负载。此外，载药后膜层表面粗糙度下降，棒状结构发生“塌陷”，可间接说明BPs与棒状结构之间存在物理吸附以外的化学作用力，这将有利于后期药物的长期缓慢释放。

试样加工、清洗及微弧氧化过程参照实施例1。

碱性水热诱导方法如下：实验用弱碱性溶液为去离子水经1M NaOH调节，使其pH达到12所得。在特氟龙(Teflon)高温高压消解釜中，按照10mL弱碱性溶液/样品，180–220℃高温密闭反应10–18h。所得支架经去离子水超声清洗3次后干燥备用。图4(A)显示的为经上述过程处理的膜层表面，可观察到原有微弧氧化微孔边缘近乎直立生长的“纳米棒”结构，其直径约50nm，长度从几百纳米到1微米不等。通过控制碱性溶液的pH、诱导反应的温度和时间还可以对纳米棒的长度、直径和生长取向进行调控。

下面负载BPs的方法与实施例1一致。本例中以利塞膦酸钠为例进行负载。最后所得样品经扫描电镜分析，证实利塞膦酸成功吸附在“微孔-纳米棒”表面，且有覆盖中间层的趋势(图4(B))。

实施例3、“碱热–模拟体液法”制备“Sr-BPs”膜层

首先，按照每5–10mL碱性溶液/样品，采用浓度梯度为1M、2.5M、5M、10M的NaOH溶液在温度100–240℃进行碱热处理，反应时间在1–48h不等，以使得最终在钛合金表面获得具有不同厚度和直径的纳米线(纳米纤维)膜层。所得支架经大量去离子水清洗掉残余碱性离子，然后在60℃下烘干。通过这一步，我们可获得晶体结构为钛酸钠盐的8-10nm直径、几十微米到几百微米长度的纳米线(图5)。从成分上讲，该纳米线“类高岭土”层状结构，其晶格活动性大，具有超强的离子交换能力。因此大多数离子(Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Zn²⁺、Ag⁺、Cu⁺等)可与其中的Na⁺进行热力学交换(扩散)，而进入到层内；同时还可以反过来与其他更小的离子(如H₂O中的H⁺)进行交换而释放到环境中。从结构上讲，上述纳米线(纤维)状结构具有非常高的比表面积，且可通过工艺调控使得膜层厚度达到2–10μm，从而最大限度的提高了离子掺杂的极限。

其次，利用上述离子交换特点，以20–100mM SrCl₂溶液为Sr²⁺供体，在40–100℃进行离子交换，反应时间控制在1–24h不等，可以获得具有不同掺杂量的钛酸锶盐纳米线膜层。在PBS缓冲液中37℃下进行释放研究可以很好的验证锶已成功负载，负载量为7.6mM/支架，且表现为0或1级释放，2周内累积释放量不到18％(见图6)。因此，可以预测该支架一旦植入，可在假体周围原位、长期、可控的进行释放，对骨组织的生长进行正向刺激。优选地，为了提高膜层与基体的结合力，此后增加一步热处理(烧结)过程，温度范围450–650℃，处理时间为1–4h。

最后，采用SBF法在上述掺锶纳米线上沉积HA，并利用HA作为中间层以负载BPs。具体方法见实施例1。值得注意的是，因为碱热反应后膜层表面本身带有丰富的羟基官能团，它具有目前公认最好的生物活性，这将有助于加速模拟体液法诱导其矿化。

实施例4、“碱热–层层纳米自组装(LBL)法”制备“Sr-BPs”膜层

首先，采用与实施例3类似的碱热方法制备预处理膜层。本例中采用0.5M、1M、2.5MNaOH于40–80℃反应8–24小时可以获得相对传统的“网孔”结构(图7(A)、(B))，其成分仍然为含水钛酸钠盐，具有实施例3中类似的离子交换功能。

其次，在这里我们提供一种LBL(层层纳米自组装)的方法：将Sr²⁺掺入一种带电荷高分子聚电解质(如壳聚糖，CHI)中，以BPs(富含膦酸官能团，带负电)为相反的带电聚电解质，以碱热后的微米级别粗糙的表面为L前驱体层(表面OH^-带负电)，按照静电相互作用，在构建LBL膜层的同时实现“Sr-BPs”的同时负载。具体做法如下：1)配制掺锶(0.1–10wt.％)的CHI/1％(v/v)醋酸溶液(中等分子量，1mg/mL，pH 4.0–5.5)和唑来膦酸盐(BP)/PBS溶液(0.1–1mg/mL，pH 7.4)在37℃下进行组装；2)在37℃下，向放有碱热处理支架的24细胞培养孔板中加入500μL CHI溶液，10–15min后更换500μL BP溶液，依次循环5-20次。更换溶液前后采用与上次溶液同等pH的溶液清洗3次，每次30s；3)组装结束后，将支架置于37℃过夜，便于LBL膜层中的Sr²⁺扩散到碱热预处理膜层中，并发生离子交换。图7(C)、(D)给出了5个组装循环后的膜层结构。可以看到，与LBL组装之前相比，膜层的网孔结构增大(CHI酸性，具有“刻蚀”作用)，且大小孔之间连通。此外，高倍下可发现孔边缘一层高分子膜层(箭头所指)，即为(CHI-Sr/BP)₅膜层。

Claims (13)

1.一种骨科植入器械的表面改性方法，在所述植入器械表面负载活性锶盐和双膦酸盐，包括下述步骤：

1)对骨科植入器械基体进行预处理，在其表面获得微纳米结构或膜层；

2)在预处理的同时或者在预处理后，通过下述方式的一种或多种进行锶盐负载：a.将锶盐加到微弧氧化电解液、阳极氧化电解液或水热反应溶液中，对植入器械进行微弧氧化、阳极氧化或水热反应；b.通过离子交换方法使锶离子进入预处理得到的微纳米结构或膜层中；c.在自组装的过程中将锶盐与电解质基元一起形成复合膜层；d.通过等离子喷涂或离子注入的方法使锶盐进入基体和/或预处理膜层；

3)锶盐负载后通过下述方式的一种或多种进行双膦酸盐的负载：i)使双膦酸盐直接物理吸附或化学结合到预处理膜层；ii)经多巴胺或钙磷盐形成的中间膜层介导，使双膦酸盐与之发生物理化学结合；iii)在自组装的过程中将双膦酸盐作为电解质基元，通过电荷和/或化学作用与另一种或多种聚电解质一起形成复合膜层；

经上述处理后的骨科植入器械基体上具有预处理层、中间层和双膦酸盐层的至少一部分，锶元素以离子或化合物形式存在于基体、预处理层、中间层和双膦酸盐层中的任意一层或多层中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性锶盐选自雷奈酸锶、氯化锶、醋酸锶、硝酸锶及它们的水合物中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双膦酸盐选自依替膦酸盐、氯屈膦酸盐、替鲁膦酸盐、帕米膦酸盐、阿仑膦酸盐、利塞膦酸盐、伊班膦酸盐和唑来膦酸盐中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述骨科植入器械的基体材料为纯钛或钛基合金。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述骨科植入器械的基体材料为Ti-6Al-4V、Ti-6Al-17Nb、Ti-13Nb-13Zr或Ti-5Zr-3Mo-15Nb多孔支架。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对骨科植入器械基体进行预处理的方法选自下述手段中的一种或多种：表面粗糙化处理、酸或碱刻蚀、高温水热处理、碱热处理、阳极氧化、微弧氧化、电化学沉积、等离子体喷涂和离子注入。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，植入器械基体表面预处理形成的微纳米结构包括：纳米管、纳米孔以及介于微纳米级别的凹坑、多孔、网状、丝状或片层针状结构。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在负载锶盐和双膦酸盐后制备一阻挡层，用于调控锶盐和/或双膦酸盐的释放速率。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用含有锶盐的电解液，通过微弧氧化法对骨科植入器械基体进行预处理，形成具有微米多孔结构的掺锶钙磷盐膜层；接着在模拟体液诱导下在所述掺锶钙磷盐膜层表面进行仿生矿化得到针片状羟基磷灰石结构；然后利用双膦酸盐的磷酸根与羟基磷灰石的钙的高度亲和性，将植入器械浸泡在双膦酸盐溶液一段时间，完成对双膦酸盐的负载。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，首先利用含有锶盐的电解液，通过微弧氧化法对骨科植入器械基体进行预处理，形成具有微米多孔结构的掺锶钙磷盐膜层；再经碱性溶液水热反应诱导，在微孔外周生成无序的纳米棒状结构；然后利用双膦酸盐的PO₄ ^3-和纳米棒表面富含的Ca²⁺的静电吸附原理结合双膦酸盐。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，首先通过碱热处理，在植入器械基体表面获得具有不同厚度和直径的纳米线膜层；接着通过离子交换负载上锶盐；然后在模拟体液诱导下进行仿生矿化得到针片状羟基磷灰石结构；最后利用双膦酸盐的磷酸根与羟基磷灰石的钙的亲和性，将植入器械浸泡在双膦酸盐溶液一段时间，完成对双膦酸盐的负载。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，首先通过碱热处理，在植入器械基体表面获得具有不同厚度和直径的纳米线膜层；然后采用LBL法：将Sr²⁺掺入一种带正电荷高分子聚电解质中，以双膦酸盐为相反的带电聚电解质，在构建LBL膜层的同时实现锶盐和双膦酸盐的同时负载。

13.根据权利要求1～12任一所述的方法制得的表面改性的骨科植入器械。