CN105920668A - 一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，属于生物材料技术领域。本发明利用聚多巴胺的超强黏附性，结合层层自组装技术在包覆聚多巴胺膜的基材表面构建多层膜结构的涂层。其中，单层膜由聚多巴胺功能化的磁性颗粒分散液、聚多巴胺功能化的抗菌颗粒分散液或聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒分散液涂覆制得。本发明制备出的涂层具有良好的生物相容性、生物活性和抗菌性，该涂层能响应外加磁场且外加磁场作用能增强该涂层的骨诱导性；本发明制备方法可以根据实际需要有效控制涂层组成、厚度及形貌；解决了涂层中多层无机颗粒所成膜间以及涂层与基材之间结合力不强的问题。本方法在骨组织工程中有重要的研究价值和临床意义。

Description

一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法。
背景技术
目前，骨组织工程中的生物医用材料由于缺乏抗菌性在植入过程中易造成细菌感染，导致植入手术的失败；此外，骨组织工程中的生物医用材料由于表面活性差，植入人体后不能与骨组织形成良好的键合，只能被纤维结缔组织所包围，其与骨组织的结合和对骨组织生长的促进都不理想。为了解决这些问题，需要在生物医用材料表面制备具有抗菌性的生物活性陶瓷涂层。现阶段制备的具有抗菌性的生物活性陶瓷涂层植入人体后无法响应外界刺激信号且成骨诱导能力有限。研究发现，在涂层中加入磁性颗粒可以响应外界磁刺激，并且在外界磁场作用下具有促进损伤骨的愈合、新骨的形成的效果。因此，制备具有磁性响应性的多功能复合涂层成为了目前材料表面改性研究的热点。
现阶段制备多功能复合涂层的方法主要是先将各种功能性颗粒充分混合，再采用等离子喷涂、激光熔覆、磁控溅射、仿生矿化、凝胶和电沉积等技术将这些混合颗粒制备到基材表面，然而这些制备方法存在工艺复杂、设备昂贵、制备成本高、制备周期长等缺点。
发明内容
鉴于上文所述问题，本发明提出了一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，本发明利用聚多巴胺的超强黏附性实现无机颗粒有机地层层自组装从而形成复合多功能涂层；本发明制备出的涂层不仅具有极好的生物相容性、生物活性和抗菌性，而且，在外界磁场作用下能够促进损伤骨的愈合和新骨的形成；本发明制备方法可以根据实际需要有效控制涂层组成、厚度及形貌，制备工艺简单、制备成本低、制备周期短；解决了涂层中多层无机颗粒所成膜间以及涂层与基材之间结合力不强的问题；本方法适用于在多类基底材料表面根据实际需要制备不同膜系统、厚度的陶瓷涂层。
一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，通过以下技术方案实现：
步骤A：制备聚多巴胺功能化的磁性颗粒、聚多巴胺功能化抗菌颗粒和聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒，并将三种聚多巴胺功能化的无机颗粒分别分散于蒸馏水中，制得三种浓度均为0.5～100mg/ml的聚多巴胺功能化的无机颗粒分散液；
步骤B：制备基于聚多巴胺改性的基材；将基材浸泡于浓度为0.5～100mg/ml的碱性多巴胺溶液中，避光静置1～24小时，然后取出基材清洗、干燥，制得表面有聚多巴胺膜的基材；
步骤C：将步骤A制得的聚多巴胺功能化的磁性颗粒分散液、聚多巴胺功能化的抗菌颗粒分散液和聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒分散液通过层层自组装方法在步骤B制得的表面有聚多巴胺膜的基材上构建多层功能膜系统，所述多层膜系统的层数为5～50层。
所述步骤A中制备聚多巴胺功能化的无机颗粒的具体步骤如下：将磁性颗粒，抗菌颗粒和生物活性陶瓷颗粒分别分散于碱性多巴胺溶液中制成浓度均为0.5～100mg/ml的分散液，再将三种无机颗粒分散液避光搅拌1～24小时，通过离心处理后分别制得聚多巴胺功能化的磁性颗粒，聚多巴胺功能化的抗菌颗粒和聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒；
所述步骤A中，磁性颗粒优选为Fe3O4颗粒、γ-Fe2O3颗粒、NiFe2O4颗粒、CoFe2O4颗粒、Pt3Co颗粒或SmCo5颗粒；抗菌颗粒优选为Ag颗粒、TiO2颗粒、MgO颗粒、ZnO颗粒、Ag3PO4颗粒或CdTe量子点；生物活性陶瓷颗粒为羟基磷灰石颗粒、磷酸钙颗粒、α-磷酸三钙颗粒、β-磷酸三钙颗粒、磷酸四钙颗粒、磷酸八钙颗粒、硅酸钙颗粒或HA-TCP双相陶瓷颗粒。
所述步骤B中，基材有如下选择：金属钛及其支架、金属钽及其支架、金属铌及其支架、金属锆及其支架、镁合金及其支架、钛基合金及其支架、钴基合金及其支架、医用不锈钢及其支架、医用玻璃及其支架、聚乙烯支架、聚丙烯支架、聚丙烯酸酯支架、聚乳酸支架、聚己内酯支架、聚氨基酸支架、明胶支架、壳聚糖支架、甲壳素支架、透明质酸支架或纤维素支架。
所述步骤C中，层层自组装方法主要包括涂覆、清洗和干燥三个步骤，其中涂覆方式可以为喷涂、浸涂或旋涂的方式，具体操作为：首先，将所述三种无机颗粒分散液通过交叉或重复的方式涂覆在步骤B制得的基材表面形成多层功能膜，根据实际制备的需要，制备形成特定构成的多层膜系统，最终多层膜系统层数为5～50层；在涂覆过程中任一层功能膜的涂覆完成时或整个涂覆过程完成后进行涂层表面清洗；在涂覆过程中任一层功能膜的涂覆完成时或整个涂覆过程完成后进行干燥；最终在改性基材表面制得多层功能膜结构的涂层。
进一步地，上述步骤C中涂覆方式中所述的通过交叉或重复涂覆在步骤B制得的基材表面形成多层功能膜采用将基材浸泡于聚多巴胺功能化的无机颗粒分散液中5～60分钟形成功能膜。
本发明的技术方案首先将基材经聚多巴胺改性，然后将磁性颗粒、抗菌颗粒和生物活性陶瓷颗粒这三种无机颗粒分别均匀地分散在碱性多巴胺溶液中，多巴胺在碱性溶液中可发生氧化自聚合，能在无机颗粒表面形成紧密附着的聚多巴胺复合层；聚多巴胺具有超强黏附力的性能，其含有的儿茶酚官能团(邻二苯酚基)可与多种材料表面形成共价键或非共价键(氢键、范德华力或堆积作用力)的结合，从而实现不同功能化的无机颗粒分散液在材料表面层层交替或重复组装形成涂层并紧密附着于基材表面。由于无机颗粒自身黏附力差，使得无机颗粒所成膜之间以及涂层与基材之间结合力不足，这些问题都易导致涂层开裂。本发明解决了涂层中多层无机颗粒所成膜之间以及涂层与基材之间结合力不足的问题。
本发明制备的复合功能涂层可以与骨组织通过体内的生物化学反应形成牢固的键合作用，且对人体无毒、无致癌作用，具有极好的生物活性和生物相容性。磁性颗粒的加入赋予涂层响应外界磁信号的能力，磁性颗粒在外加磁场的作用下能显著促进骨髓间充质干细胞增殖并向成骨方向分化，从而加速骨的愈合和新骨的形成；此外，磁性颗粒在外加磁场的作用下还可以与生物活性陶瓷颗粒产生协同增强效应，增强涂层的骨诱导性。抗菌颗粒的加入使得涂层具有优异的抗菌性，可以降低术后感染机率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明对无机颗粒表面进行了聚多巴胺功能化修饰，由于聚多巴胺具有超强黏附力性，使得无机颗粒所成膜间以及涂层与基材的结合力增强，并且实现了无机颗粒在基材表面层层自组装进而形成多功能复合涂层；本发明制备方法可以实现按照实际需求调控功能膜的厚度、涂层的组成成分及形貌。本发明制备方法不需要特殊设备，操作简单、成本低廉、可控性强。
2、本发明制备出的自组装生物陶瓷涂层具有良好的抗菌性，能够有效降低植入手术过程中细菌感染几率。
3、本发明制备出的自组装生物陶瓷涂层具有磁响应性，能够响应外界磁刺激，在外加磁场的作用下涂层可显著促进骨髓间充质干细胞增殖并向成骨方向分化，从而加速骨的愈合和新骨的形成，可用于骨折愈合、骨折延迟愈合和骨缺损等方面的治疗。
4、利用本方法构建的多功能生物活性陶瓷涂层与基底结合强度高、不受基底材料种类及形状的影响、具有良好的生物相容性以及骨修复能力，在骨移植技术中有重要的研究价值和临床意义。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行进一步的阐述，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：分别将Fe3O4颗粒、Ag3PO4颗粒和羟基磷灰石颗粒分散于2mg/ml的碱性多巴胺(DA)溶液中，制得浓度均为5mg/ml的Fe3O4颗粒分散液、Ag3PO4颗粒分散液和羟基磷灰石颗粒分散液，再将这三种无机颗粒分散液避光搅拌12小时，通过离心处理分别制得聚多巴胺功能化的Fe3O4颗粒、聚多巴胺功能化抗菌颗粒和聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒，并将三种无机颗粒分别分散于蒸馏水中制成浓度为5mg/ml的聚多巴胺功能化的无机颗粒分散液；
步骤B：将钛片浸泡于浓度为2mg/ml的碱性多巴胺溶液中，避光静置12小时，然后取出钛片清洗、干燥，制得表面有聚多巴胺膜的钛片；
步骤C：将步骤A制得的聚多巴胺功能化的Fe3O4颗粒分散液、聚多巴胺功能化Ag3PO4颗粒分散液和聚多巴胺功能化的羟基磷灰石颗粒分散液通过层层自组装方法在步骤B制得的表面有聚多巴胺膜的钛片上构建多层功能膜，具体操作如下：
C1：将钛片浸泡于步骤A制得的聚多巴胺功能化的Fe3O4颗粒分散液30分钟，制得一层Fe3O4颗粒层；
C2：将步骤C1制得的钛片浸泡于步骤A制得的聚多巴胺功能化的Ag3PO4颗粒分散液30分钟，制得一层Ag3PO4颗粒层；
C3：将步骤C2制得的钛片浸泡于步骤A制得的聚多巴胺功能化的羟基磷灰石颗粒分散液30分钟，制得一层羟基磷灰石颗粒层；
C4：按照步骤C1、步骤C2、步骤C3的顺序重复操作30次制得本发明由Fe3O4颗粒层、Ag3PO4颗粒层和羟基磷灰石颗粒层有序交叠形成多层膜结构的自组装生物陶瓷涂层。
其中，在浸涂制膜过程中待上一层膜制好后再进行下一次浸泡操作；在涂覆过程中任一层功能膜的涂覆完成时或整个涂覆过程完成后进行涂层表面清洗；在涂覆过程中任一层功能膜的涂覆完成时或整个涂覆过程完成后进行干燥。
实施例2：
一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：分别将Fe3O4颗粒、Ag3PO4颗粒和羟基磷灰石颗粒分散于2mg/ml的碱性多巴胺(DA)溶液中，制得浓度均为5mg/ml的Fe3O4颗粒分散液、Ag3PO4颗粒分散液和羟基磷灰石颗粒分散液，再将三种无机颗粒分散液避光搅拌12小时，通过离心处理分别得到聚多巴胺功能化的Fe3O4颗粒、聚多巴胺功能化抗菌颗粒和聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒，并将三种无机颗粒分别分散于蒸馏水中制成浓度为10mg/ml的聚多巴胺功能化的颗粒分散液；
步骤B：将钛片浸泡于浓度为2mg/ml的碱性多巴胺溶液中，避光静置12小时，然后取出钛片清洗、干燥，制得表面有聚多巴胺膜的钛片；
步骤C：将步骤A制得的聚多巴胺功能化的Fe3O4颗粒分散液、聚多巴胺功能化Ag3PO4颗粒分散液和聚多巴胺功能化的羟基磷灰石颗粒分散液通过层层自组装方法在步骤B制得的表面有聚多巴胺膜的钛片上构建多层功能膜，具体操作如下：
C1：将钛片浸泡于步骤A制得的聚多巴胺功能化的羟基磷灰石颗粒分散液30分钟，制得一层羟基磷灰石颗粒层；
C2：将步骤C1制得的钛片浸泡于步骤A制得的聚多巴胺功能化的Ag3PO4颗粒分散液30分钟，制得一层Ag3PO4颗粒层；
C3：按照先步骤C1后步骤C2的顺序重复操作10次，操作时，待上一层膜制好后再进行下一次浸泡操作；
C4：将步骤C3制得的钛片浸泡于步骤A制得的聚多巴胺功能化的Fe3O4颗粒分散液30分钟，在钛片表面形成一层Fe3O4颗粒层；
C5：将步骤C4制得的钛片依照步骤C1，步骤C2，步骤C4的顺序重复操作10次，操作时，待上一层膜制好后再进行下一次浸泡操作；
最终制得由羟基磷灰石颗粒层、Fe3O4颗粒层和Ag3PO4颗粒层有序交叠形成多层膜结构的自组装生物陶瓷涂层。
其中，在浸涂制膜过程中待上一层膜制好后再进行下一次浸泡操作；在涂覆过程中任一层功能膜的涂覆完成时或整个涂覆过程完成后进行涂层表面清洗；在涂覆过程中任一层功能膜的涂覆完成时或整个涂覆过程完成后进行干燥。
实施例3：
:本实施例的操作与实施例1基本相同，只是将实施例1中所使用的磁性颗粒换成γ-Fe2O3颗粒。
实施例4：
本实施例的操作与实施例1基本相同，只是将实施例1中所使用的抗菌颗粒换成ZnO颗粒。
实施例5：
本例的操作与实施实例1基本相同，只是将实施实例1中所使用的生物活性陶瓷颗粒换成HA-TCP双相陶瓷颗粒。
实施例6：
本实施例的操作与实施实例1基本相同，只是将实施例1步骤C中钛片浸泡于步骤A制得的三种聚多巴胺功能化的颗粒分散液的时间由30分钟替换为10分钟。
实施例7：
本实施例的操作与实施例1基本相同，只是将实施例1中所使用的涂层的基材换成壳聚糖支架。

Claims (8)

1.一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：制备聚多巴胺功能化的磁性颗粒、聚多巴胺功能化抗菌颗粒和聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒，并将三种聚多巴胺功能化的无机颗粒分别分散于蒸馏水中，制得三种浓度均为0.5～100mg/ml的聚多巴胺功能化的无机颗粒分散液；
步骤B：制备基于聚多巴胺改性的基材；将基材浸泡于浓度为0.5～100mg/ml的碱性多巴胺溶液中，避光静置1～24小时，然后取出基材清洗、干燥，制得表面有聚多巴胺膜的基材；
步骤C：将步骤A制得的聚多巴胺功能化的磁性颗粒分散液、聚多巴胺功能化抗菌颗粒分散液和聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒分散液通过层层自组装方法在步骤B制得的表面有聚多巴胺膜的基材上构建多层功能膜，所述多层膜层数为5～50层。
2.根据权利要求1所述的一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤A中制备聚多巴胺功能化的无机颗粒的具体步骤如下：将磁性颗粒，抗菌颗粒和生物活性陶瓷颗粒分别分散于碱性多巴胺溶液中制成浓度均为0.5～100mg/ml的分散液，再将三种分散液避光搅拌1～24小时，通过离心处理后分别制得聚多巴胺功能化的磁性颗粒，聚多巴胺功能化抗菌颗粒和聚多巴胺功能化的生物活性陶瓷颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤C中层层自组装方法具体为：首先，将所述三种颗粒分散液通过交叉或重复的喷涂、浸涂或旋涂的方式涂覆在步骤B制得的基材表面形成多层功能膜；然后，在涂覆过程中任一层功能膜的涂覆完成时或整个涂覆过程完成后进行涂层表面清洗；最后在涂覆过程中任一层功能膜的涂覆完成时或整个涂覆过程完成后进行干燥，最终在改性基材表面制得多层功能膜结构的涂层。
4.根据权利要求3所述的一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤C中浸涂方式具体操作过程为：将表面有聚多巴胺膜的基材分别浸泡于步骤A制得的三种聚多巴胺功能化的无机颗粒分散液中5～60分钟组装形成功能膜。
5.根据权利要求1～4所述的一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤A中的磁性颗粒为Fe3O4颗粒、γ-Fe2O3颗粒、NiFe2O4颗粒、CoFe2O4颗粒、Pt3Co颗粒或SmCo5颗粒。
6.根据权利要求1～4所述的一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法， 其特征在于，所述步骤A中的抗菌颗粒为Ag颗粒、TiO2颗粒、MgO颗粒、ZnO颗粒、Ag3PO4颗粒或CdTe量子点。
7.根据权利要求1～4所述的一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤A中的生物活性陶瓷颗粒为羟基磷灰石颗粒、磷酸钙颗粒、α-磷酸三钙颗粒、β-磷酸三钙颗粒、磷酸四钙颗粒、磷酸八钙颗粒、硅酸钙颗粒或HA-TCP双相陶瓷颗粒。
8.根据权利要求1～4所述的一种具有磁响应性的抗菌生物活性陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤B中的基材为金属钛及其支架、金属钽及其支架、金属铌及其支架、金属锆及其支架、镁合金及其支架、钛基合金及其支架、钴基合金及其支架、医用不锈钢及其支架、医用玻璃及其支架、聚乙烯支架、聚丙烯支架、聚丙烯酸酯支架、聚乳酸支架、聚己内酯支架、聚氨基酸支架、明胶支架、壳聚糖支架、甲壳素支架、透明质酸支架或纤维素支架。
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