CN105983132A - 一种对医用钛材料表面进行改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种医用钛材料表面改性的方法以及具有表面改性的医用钛材料，所述方法为于医用钛材料的表面制备石墨烯薄膜。本发明在医用钛材料的表面制备一层石墨烯薄膜，相比于未改性医用钛材料，表面生长石墨烯薄膜能够明显提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性和诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力（即成骨活性）。本发明方法步骤简单，容易实现产业化。

Description

一种对医用钛材料表面进行改性的方法

技术领域

本发明涉及一种生物材料及其制备方法，特别是涉及一种具有表面改性的医用钛材料及制备方法。

背景技术

生物材料是用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料包括金属材料、无机材料和有机材料三大类；主要用在人身上，对其要求十分严格。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。

自90年代后期以来，世界生物材料科学和技术迅速发展，即使在当今全球经济低迷的大环境下，生物材料依然保持着高速的增长，充分体现了其强大的生命力和广阔的发展前景。

一般来说，生物材料主要用在人身上，对其要求十分严格，必须具有四个特性：

第一、生物功能性。因各种生物材料的用途而异，如：作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。

第二、生物相容性。可概括为材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性(无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等)。

第三、化学稳定性。耐生物老化性(特别稳定)或可生物降解性(可控降解)。

第四、可加工性。能够成型、消毒(紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等)。

现代医学正向再生和重建被损坏的人体组织和器官、恢复和增进人体生理功能、个性化和微创治疗等方向发展。传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料已不能满足医学发展的要求，生物医学材料科学与工程面临着新的机遇与挑战。

医用钛材料是用于制造植入人体内的医疗器件、假体或人工器官和辅助治疗设备的材料。它们具有比强度高、力学性质接近人骨，还具有耐疲劳、耐腐蚀。但是在生物相容性上需要改善。

鉴于以上所述，提供一种能提高医用钛材料的生物相容性的方法实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有表面改性的医用钛材料及制备方法，用于解决现有技术中医用钛材料的生物相容性较低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种医用钛材料表面改性的方法，所述方法为于医用钛材料的表面制备石墨烯薄膜。

作为本发明的医用钛材料表面改性的方法的一种优选方案，所述医用钛材料包括钛金属以及钛合金的一种。

作为本发明的医用钛材料表面改性的方法的一种优选方案，所述石墨烯薄膜用于提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性及诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力。

作为本发明的医用钛材料表面改性的方法的一种优选方案，包括步骤：

1)提供催化金属-石墨烯薄膜结构，于石墨烯薄膜上旋凃光刻胶并进行固化，形成催化金属-石墨烯薄膜-光刻胶结构；

2)采用腐蚀溶液腐蚀去除催化金属-石墨烯薄膜-光刻胶结构中的催化金属；

3)催化金属被腐蚀干净后，使用医用钛材料将石墨烯薄膜-光刻胶结构从腐蚀溶液中捞出，形成医用钛材料-石墨烯薄膜-光刻胶结构；

4)将医用钛材料-石墨烯薄膜-光刻胶结构中的光刻胶去除。

进一步地，步骤2)中，采用三氯化铁溶液腐蚀去除所述催化金属，步骤4)中，采用丙酮溶液除去所述光刻胶。

作为本发明的医用钛材料表面改性的方法的一种优选方案，采用化学气相沉积法于医用钛材料表面制备石墨烯薄膜。

进一步地，所述化学气相沉积法的生长温度为900～1050℃，氩气流量为1～1000sccm，碳源流量为2～50sccm，石墨烯薄膜的生长时间为1～200min。

进一步地，所述碳源包括CH₄，C₂H₂，C₂H₄及CO气体或者固态碳源中的一种或两种以上组合。

本发明还提供一种具有表面改性的医用钛材料，包括医用钛材料以及结合于所述医用钛材料表面的石墨烯薄膜。

作为本发明的具有表面改性的医用钛材料的一种优选方案，所述医用钛材料包括钛金属以及钛合金的一种。

进一步地，所述钛合金包括钛镍合金。

作为本发明的具有表面改性的医用钛材料的一种优选方案，所述石墨烯薄膜用于提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性及诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力。

如上所述，本发明提供一种医用钛材料表面改性的方法以及具有表面改性的医用钛材料，所述方法为于医用钛材料的表面制备石墨烯薄膜。本发明在医用钛材料的表面制备一层石墨烯薄膜，相比于未改性医用钛材料，表面生长石墨烯薄膜能够明显提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性和诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力(即成骨活性)。本发明方法步骤简单，容易实现产业化。

附图说明

图1显示为本发明的具有表面改性的医用钛材料(医用钛镍合金-石墨烯薄膜结构)的拉曼光谱曲线图示意图。

图2显示为本发明的医用钛镍合金-石墨烯薄膜结构以及没通过表面改性的医用钛镍合金的干细胞培养时间及骨钙蛋白相对强度柱状对比图。

图3显示为没通过表面改性的医用钛镍合金培养7天后骨钙蛋白表达的阳性荧光染色区示意图，图4显示为本发明的医用钛镍合金-石墨烯薄膜结构培养7天后骨钙蛋白表达的阳性荧光染色区示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

本实施例提供一种医用钛材料表面改性的方法，所述方法为于医用钛材料的表面制备石墨烯薄膜。

作为示例，所述医用钛材料包括钛金属以及钛合金的一种。

作为示例，所述石墨烯薄膜用于提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性及诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力。

在本实施例中，以医用镍钛合金为例，于医用镍钛合金的表面制备石墨烯薄膜包括步骤：

首先进行步骤1)，提供催化金属-石墨烯薄膜结构，于石墨烯薄膜上旋凃光刻胶并进行固化，形成催化金属-石墨烯薄膜-光刻胶结构。

具体地，包括步骤：

1-1)将催化金属-石墨烯薄膜结构放置于旋涂机，以转速2500r/min旋凃光刻胶30s；

1-2)将旋涂完光刻胶的结构放置于热台，在180℃温度下，固化光刻胶3min，形成催化金属-石墨烯薄膜-光刻胶结构

然后进行步骤2)，采用腐蚀溶液腐蚀去除催化金属-石墨烯薄膜-光刻胶结构中的催化金属。

具体地，将催化金属-石墨烯薄膜-光刻胶结构悬浮于三氯化铁溶液表面，以腐蚀掉所述催化金属。

接着进行步骤3)，催化金属被腐蚀干净后，使用医用镍钛合金将石墨烯薄膜-光刻胶结构从腐蚀溶液中捞出，形成医用镍钛合金-石墨烯薄膜-光刻胶结构。

具体地，催化金属被腐蚀干净后，使用医用镍钛合金将悬浮于三氯化铁溶液表面的-石墨烯薄膜-光刻胶结构从三氯化铁溶液中捞出，形成医用镍钛合金-石墨烯薄膜-光刻胶结构，然后用气枪吹干。

最后进行步骤4)，将形成医用镍钛合金-石墨烯薄膜-光刻胶结构中的光刻胶去除。

具体地，将医用镍钛合金-石墨烯薄膜-光刻胶结构置于丙酮溶液中，在80℃温度下，水浴加热12h，最后去除光刻胶，从而完成了石墨烯薄膜从催化金属上转移至医用镍钛合金的过程。

本实施例还提供一种具有表面改性的医用钛材料，包括医用钛材料以及结合于所述医用钛材料表面的石墨烯薄膜。

作为示例，所述医用钛材料包括钛金属以及钛合金的一种。

进一步地，所述钛合金包括钛镍合金。

作为示例，所述石墨烯薄膜用于提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性及诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力。

本实施例所形成的具有表面改性的医用钛材料的拉曼光谱曲线图如图1所示。

实施例2

本实施例提供一种的医用钛材料表面改性的方法，所述方法为采用化学气相沉积法于医用钛材料表面制备石墨烯薄膜。

作为示例，所述化学气相沉积法的生长温度为900～1050℃，氩气流量为1～1000sccm，碳源流量为2～50sccm，石墨烯薄膜的生长时间为1～200min。

作为示例，所述碳源包括CH₄，C₂H₂，C₂H₄及CO气体或者固态碳源中的一种或两种以上组合。

本实施例中，所述石墨烯薄膜的制备条件优选为：生长温度为1050℃，甲烷流量20sccm，石墨烯薄膜生长时间50min，制备得到的医用镍钛合金上石墨烯薄膜。

本实施例还提供一种具有表面改性的医用钛材料，包括医用钛材料以及结合于所述医用钛材料表面的石墨烯薄膜。

作为示例，所述医用钛材料包括钛金属以及钛合金的一种。

进一步地，所述钛合金包括钛镍合金。

作为示例，所述石墨烯薄膜用于提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性及诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力。

实施例3

如图2～图4所示，本实施例对本发明的具有表面改性的医用钛材料进行了生物实验，包括步骤：

1)接种细胞，密度2.5x 10⁴cell/ml；

2)到各培养时间点后，用PBS轻柔漂洗2遍，每遍10min；

3)然后4％多聚甲醛固定；

4)再用PBS轻柔漂洗2遍，每遍10min；

5)用溶解在饱和苦味酸中的0.1％天狼星红对细胞分泌的胶原进行染色，染色过程持续20h；

6)到时间点后用0.2M的乙酸反复漂洗试样直至无红颜色析出为止，体式显微镜照相；

7)为了进行定量比较，每孔加入500ml的洗脱液(用0.5M氢氧化钠和甲醇以1：1的比例配制)，振荡15min将试样表面的染料洗脱下来，在540nm测其吸光度。

图2显示为本发明的医用钛镍合金-石墨烯薄膜结构以及没通过表面改性的医用钛镍合金的干细胞培养时间及骨钙蛋白相对强度柱状对比图。

图3显示为没通过表面改性的医用钛镍合金培养7天后骨钙蛋白表达的阳性荧光染色区示意图，图4显示为本发明的医用钛镍合金-石墨烯薄膜结构培养7天后骨钙蛋白表达的阳性荧光染色区示意图。

有图2～图4可以看出，骨髓间充质干细胞分别接种在医用镍钛合金表面和表面生长有石墨烯薄膜的医用镍钛合金表面3天、7天后发现，石墨烯薄膜的存在能够明显促进间充质干细胞分泌表达骨钙蛋白。在每个时间点，医用钛镍合金-石墨烯薄膜结构表面上的骨钙蛋白表达数量和医用镍钛合金表面上的骨钙蛋白表达数量相比均有显著性差异，如图2所示；这也可以通过相应的骨钙蛋白表达的阳性荧光染色区进一步直观地观察到和证明，如图3～图4所示。

如上所述，本发明提供一种医用钛材料表面改性的方法以及具有表面改性的医用钛材料，所述方法为于医用钛材料的表面制备石墨烯薄膜。本发明在医用钛材料的表面制备一层石墨烯薄膜，相比于未改性医用钛材料，表面生长石墨烯薄膜能够明显提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性和诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力(即成骨活性)。本发明方法步骤简单，容易实现产业化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种医用钛材料表面改性的方法，其特征在于，所述方法为于医用钛材料的表面制备石墨烯薄膜。

2.根据权利要求1所述的医用钛材料表面改性的方法，其特征在于：所述医用钛材料包括钛金属以及钛合金的一种。

3.根据权利要求1所述的医用钛材料表面改性的方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜用于提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性及诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力。

4.根据权利要求1所述的医用钛材料表面改性的方法，其特征在于，包括步骤：

1)提供催化金属-石墨烯薄膜结构，于石墨烯薄膜上旋凃光刻胶并进行固化，形成催化金属-石墨烯薄膜-光刻胶结构；

2)采用腐蚀溶液腐蚀去除催化金属-石墨烯薄膜-光刻胶结构中的催化金属；

3)催化金属被腐蚀干净后，使用医用钛材料将石墨烯薄膜-光刻胶结构从腐蚀溶液中捞出，形成医用钛材料-石墨烯薄膜-光刻胶结构；

4)将医用钛材料-石墨烯薄膜-光刻胶结构中的光刻胶去除。

5.根据权利要求4所述的医用钛材料表面改性的方法，其特征在于：步骤2)中，采用三氯化铁溶液腐蚀去除所述催化金属，步骤4)中，采用丙酮溶液除去所述光刻胶。

6.根据权利要求1所述的医用钛材料表面改性的方法，其特征在于：采用化学气相沉积法于医用钛材料表面制备石墨烯薄膜。

7.根据权利要求6所述的医用钛材料表面改性的方法，其特征在于：所述化学气相沉积法的生长温度为900～1050℃，氩气流量为1～1000sccm，碳源流量为2～50sccm，石墨烯薄膜的生长时间为1～200min。

8.根据权利要求7所述的医用钛材料表面改性的方法，其特征在于：所述碳源包括CH₄，C₂H₂，C₂H₄及CO气体或者固态碳源中的一种或两种以上组合。

9.一种具有表面改性的医用钛材料，其特征在于：包括医用钛材料以及结合于所述医用钛材料表面的石墨烯薄膜。

10.根据权利要求9所述的具有表面改性的医用钛材料，其特征在于：所述医用钛材料包括钛金属以及钛合金的一种。

11.根据权利要求10所述的具有表面改性的医用钛材料，其特征在于：所述钛合金包括钛镍合金。

12.根据权利要求9所述的具有表面改性的医用钛材料，其特征在于：所述石墨烯薄膜用于提高医用钛材料表面的细胞相容性、生物活性及诱导骨髓间充质干细胞向成骨方向分化的能力。