CN106110391A - 一种兼具成骨和抗菌的纳米载药装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种兼具成骨和抗菌的纳米载药装置，其技术要点在于在纯钛表面加工有二氧化钛纳米管，通过电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管,制备的二氧化钛纳米管以肖特基势垒直接与金属钛导电基底直接相连,纳米管管径为200nm±20nm，长度为3.3μm±0.2μm，二氧化钛纳米管内部制有负载层，负载层为聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶，聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶层的厚度为100nm±10nm。本发明可通过聚乳酸羟基乙酸缓释抗菌药物盐酸奥替尼啶，具有良好的长效抗菌性能。保留了二氧化钛纳米管的中空管状结构，促进了骨髓间充质干细胞的成骨分化能力，而且也可以支持骨髓间充质干细胞的增殖，具有良好的生物相容性。

Description

一种兼具成骨和抗菌的纳米载药装置及其制备方法
技术领域
本发明涉二氧化钛纳米管的成骨和抗菌的技术领域，具体涉及一种高聚物涂层的纳米载药装置及其制备方法。
背景技术
钛以其优良的生物相容性和机械性能在骨科和牙种植领域中得以广泛应用，但钛植体相关感染仍然是最严重的术后并发症之一。感染高发有两个主要原因：一是由于钛的生物惰性使得植体骨结合界面存在一层无血管的纤维层，导致免疫细胞或通过全身给药的抗生素难以到达植体表面；二是细菌容易在钛植体表面聚集然后形成多聚糖生物膜,能抵抗宿主防御机制和系统性抗生素的透过。因此在钛植体表面制备兼具高生物活性和抗菌能力的双功能涂层具有非常重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具成骨和抗菌的纳米载药装置，来减少甚至避免钛种植体相关感染和提高种植体的远期成功率。
本发明所采用的技术方案为一种兼具成骨和抗菌的纳米载药装置，其技术要点在于在纯钛表面加工有二氧化钛纳米管，通过电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管, 制备的二氧化钛纳米管以肖特基势垒直接与金属钛导电基底直接相连, 纳米管管径为200nm±20nm，长度为3.3μm±0.2μm，二氧化钛纳米管内部制有负载层，负载层为聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶，聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶层的厚度为100nm±10nm。
目前临床上运用的钛种植体表面都是微米粗糙度级别的。随着纳米技术的高速蓬勃发展,对金属内植物材料表面微观结构的认识也随之进入了纳米时代。天然骨组织是由无机磷酸钙、有机蛋白及胶原纤维组成一种纳米结构的复合基质，调控骨细胞生物学行为的细胞外基质也是纳米尺寸的，因此从仿生学的角度来看纳米结构的材料在骨内植物领域应该具有巨大的应用前景。
通过电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管, 此法成本低廉且方法简便，可以通过控制阳极氧化的电压以及氧化时间较准确地控制纳米管的直径和长度，本发明制备的纳米管管径为200nm，长度为3.3μm。
制备的二氧化钛纳米管以肖特基势垒直接与金属钛导电基底直接相连, 这与在钛表面进行的外来涂层修饰有所不同，其结合牢固不易脱落,呈现极高的有序性和极低的团聚程度。
负载层为聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶。本发明利用聚乳酸羟基乙酸来缓释抗菌药物盐酸奥替尼啶，增加钛种植体的抗菌能力和成骨活性。
钛片厚度为0.25±0.025mm。
本发明的制作步骤如下： 1钛片预处理:将钛片裁剪，确定阳极氧化的工作面积，丙酮和去离子水分别超声清洗15-30min除油，4wt%HF(氟化氢)-5mol/L HNO3（硝酸）溶液化学刻蚀10-15s后，用去离子水清洗后干燥备用；
2阳极氧化法制备过程:阳极氧化过程在水浴条件下于常规的二电极体系电化学池中进行，以经预处理后备用的钛片为阳极，铂片为对电极，电极间距保持1cm，电解质为0.50wt% NH4F（氟化铵）+10vol% H2O（水）的甘油溶液，整个阳极氧化过程伴随磁力搅拌，控制电解质溶液，保持25-32℃的环境温度，由直流稳压电源提供阳极氧化电源，在60±3v电压下阳极氧化4-5h制备二氧化钛纳米管,然后450℃退火处理1.5-2.5h,去离子水冲洗干净；
3溶剂真空吸附法制作负载层：配置聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的二氯甲烷溶液，使之浓度分别为15mg/mL 和0.5μg/mL，把制备的二氧化钛纳米管置于配置的溶液，密封后40℃水浴2d，得聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的负载层。
运用溶剂真空吸附法负载聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶，此法成本低廉且方法简便，通过控制药物浓度和负载时间，可精确控制药物的负载量和制备的载药系统的管径。
负载聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶后二氧化钛纳米管的中空管状结构得以保留，其管径从200nm减少为100nm,而且聚乳酸羟基乙酸完全渗透到二氧化钛纳米管内部直到底壁，其长度等同于纳米管的长度3.3μm。
本发明可通过聚乳酸羟基乙酸缓释抗菌药物盐酸奥替尼啶，具有良好的长效抗菌性能。保留了二氧化钛纳米管的中空管状结构，促进了骨髓间充质干细胞的成骨分化能力，而且也可以支持骨髓间充质干细胞的增殖，具有良好的生物相容性。
附图说明
图1在钛表面制作的二氧化钛纳米管示意图
图2为负载药物后的二氧化钛纳米管
其中：1钛片2二氧化钛纳米管21负载层。
具体实施方式
下面结合视图对本发明进行详细的描述,使本专业的技术人员更理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
如图1、2所示，一种兼具成骨和抗菌的纳米载药装置，通过电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管2, 钛厚度为0.25±0.025mm， 制备的二氧化钛纳米管以肖特基势垒直接与金属钛导电基底直接相连, 纳米管管径为200nm±20nm，长度为3.3μm±0.2μm，二氧化钛纳米管内部制有负载层21，负载层21为聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶，聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶层的厚度为100nm± 10nm。
它的制作步骤如下：钛片预处理:将钛片裁剪，确定阳极氧化的工作面积，丙酮和去离子水分别超声清洗15-30min除油，4wt%HF(氟化氢)-5mol/L HNO3（硝酸）溶液化学刻蚀10-15s后，用去离子水清洗后干燥备用；
阳极氧化法制备过程:阳极氧化过程在水浴条件下于常规的二电极体系电化学池中进行，以经预处理后备用的钛片为阳极，铂片为对电极，电极间距保持1cm，电解质为0.50 wt%NH4F（氟化铵）+10vol% H2O（水）的甘油溶液，整个阳极氧化过程伴随磁力搅拌，控制电解质溶液，保持25-32℃的环境温度，由直流稳压电源提供阳极氧化电源，在60±3v电压下阳极氧化4-5h制备二氧化钛纳米管,然后450℃退火处理1.5-2.5h,去离子水冲洗干净；
溶剂真空吸附法制作负载层：配置聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的二氯甲烷溶液，使之浓度分别为15mg/mL 和0.5μg/mL，把制备的二氧化钛纳米管置于配置的溶液，密封后40℃水浴2d，得聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的负载层。
实施例1
（一） 钛片预处理:将0.25mm厚的钛片1裁剪出1cm×8cm，阳极氧化的工作面积为1cm×1cm，丙酮和去离子水分别超声清洗15min除油，4wt%HF-5mol/L HNO3溶液化学刻蚀10s后，用去离子水清洗后干燥备用。
（二） 阳极氧化法制备过程:阳极氧化过程在水浴条件下于常规的二电极体系电化学池中进行，以经预处理后备用的钛片为阳极，铂片为对电极，电极间距保持1cm。电解质为0.50 wt% NH4F+10vol% H2O的甘油溶液，整个阳极氧化过程伴随磁力搅拌，控制电解质溶液保持环境温度(30℃)，由直流稳压电源提供阳极氧化电源。在60v电压下阳极氧化5h制备二氧化钛纳米管,然后450℃退火处理2h,去离子水冲洗干净。
实施例2
（一） 钛片预处理: 将0.25mm厚的钛片1裁剪出1cm×8cm，阳极氧化的工作面积为1cm×1cm，丙酮和去离子水分别超声清洗15min除油，4wt%HF-5mol/L HNO3溶液化学刻蚀10s后，用去离子水清洗后干燥备用。
（二） 阳极氧化法制备过程:阳极氧化过程在水浴条件下于常规的二电极体系电化学池中进行，以经预处理后备用的钛片为阳极，铂片为对电极，电极间距保持1cm。电解质为0.50 wt% NH4F+10vol% H2O的甘油溶液，整个阳极氧化过程伴随磁力搅拌，控制电解质溶液，保持环境温度(30℃左右)，由直流稳压电源提供阳极氧化电源。在60v电压下阳极氧化5h制备二氧化钛纳米管, 纳米管管径为200nm±20nm，长度为3.3μm±0.2μm，然后450℃退火处理2h,去离子水冲洗干净。
(三)溶剂真空吸附法制作负载层：配置聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的二氯甲烷溶液，使之浓度分别为15mg/mL 和0.5μg/mL，把制备的二氧化钛纳米管置于配置的溶液，密封后40℃水浴2d，得聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的负载层21。聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶层的厚度为100nm± 10nm。制得本发明所述的兼具成骨和抗菌的纳米载药装置。
本发明的有益效果
实验中对照组为预处理的纯钛
1）采用CCK-8实验，通过溶液在OD450的吸光度值反映细胞在材料表面的增殖情况
骨髓间充质干细胞在材料表面不同时间点的增殖结果（OD450吸光度值）
分组 1D 3D 7D
纯钛 0.179±0.042 0.791±0.142 1.070±0.132
本发明实施例1 0.039±0.025 0.325±0.079 0.456±0.061
本发明实施例2 0.097±0.023 0.787±0.134 1.037±0.066
实验结果表面，同对照组纯钛相比，本发明实施例1明显抑制了骨髓间充质干细胞的增殖,本发明实施例2可以支持骨髓间充质干细胞的增殖。
2）采用qRT-PCR对骨髓见充值干细胞的成骨相关基因Runx2、 ALP、OCN和Col-1的表达水平用进行了检测（纯钛作为对照组）。
两组实验组样本表面细胞成骨相关基因的表达水平
分组 Runx2 ALP OCN Col-1
实施例1 3.058±0.278 2.918±0.168 3.372±0.283 8.050±1.137
实施例2 2.024±0.208 2.067±0.140 2.605±0.177 1.729±0.242
结果表明以纯钛作为对照组，本发明实施例1和实施例2均明显促进了骨髓见充值干细胞的成骨相关基因的表达，两者均具有良好的成骨活性。
3）为了检测样本的抗菌性能，我们在体外把样本同金黄色葡萄球菌共培养，然后应用超声震荡将粘附在材料表面的细菌洗脱下来稀释后进行活细菌平板计数后计算抗菌率，即抗菌率（%）=（对照组活菌数-实验组活菌数）/对照组活菌数×100%。
两组实验组样本不同时间点的抗菌率
组别 1D 3D 7D
本发明实施例1 21.2% 19.6% 18.5%
本发明实施例2 100% 100% 97.2%
结果表明以纯钛作为对照组，本发明实施例2在1d和3d时其抗菌率均为100%，尽管7d的时候抗菌略有下降，但然维持有97.2%的抗菌率。尽管发明实施例1展示出了一定的抗菌率，但仅为20%左右。
综上可知，实施例1是单纯的纳米管，管径为200，虽然可以最大程度上促进骨髓干细胞成骨，但其明显抑制了骨髓干细胞的增殖；实施例2是涂层聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的纳米管，管径变为100nm,其可以在支持细胞增殖的情况下促进了成骨，而且展示出来了明显的抗菌效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，各个具体参数在不改变本发明宗旨的情况下可进行多种选择，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的实质范围内所做出的改进、替换和润饰，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种兼具成骨和抗菌的纳米载药装置，其特征在于在纯钛表面加工有二氧化钛纳米管，通过电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管, 制备的二氧化钛纳米管以肖特基势垒直接与金属钛导电基底直接相连, 纳米管管径为200nm±20nm，长度为3.3μm±0.2μm，二氧化钛纳米管内部制有负载层（21），负载层（21）为聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶，聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶层的厚度为100nm±10nm。
2.根据权利要求1所述的兼具成骨和抗菌的纳米载药装置，其特征在于钛片厚度为0.25±0.025mm。
3.一种如权利要求1所述的兼具成骨和抗菌的纳米载药装置的制备方法，其特征在于，它的制作步骤如下：3.1钛片预处理:将钛片裁剪，确定阳极氧化的工作面积，丙酮和去离子水分别超声清洗15-30min除油，4wt%HF-5mol/L HNO3溶液化学刻蚀10-15s后，用去离子水清洗后干燥备用；
3.2阳极氧化法制备过程:阳极氧化过程在水浴条件下于常规的二电极体系电化学池中进行，以经预处理后备用的钛片为阳极，铂片为对电极，电极间距保持1cm，电解质为0.50wt% NH4F+10vol% H2O的甘油溶液，整个阳极氧化过程伴随磁力搅拌，控制电解质溶液，保持25-32℃的环境温度，由直流稳压电源提供阳极氧化电源，在60±3v电压下阳极氧化4-5h制备二氧化钛纳米管,然后450℃退火处理1.5-2.5h,去离子水冲洗干净；
3.3溶剂真空吸附法制作负载层：配置聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的二氯甲烷溶液，使之浓度分别为15mg/mL 和0.5μg/mL，把制备的二氧化钛纳米管置于配置的溶液，密封后40℃水浴2d，得聚乳酸羟基乙酸和盐酸奥替尼啶的负载层。
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