CN107693843A - 生物医用活性钛及其合金植入材料的表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物医用活性钛及其合金植入材料的表面改性方法，改性的钛或其合金包括钛或其合金基底以及其表面的1‑16层自组装层，其中，所述自组装层为单宁酸/庆大霉素自组装层、单宁酸/壳聚糖自组装层或单宁酸/牛血清白蛋白自组装层。将钛或其合金基底置入碱液中，在超声条件下进行微纳刻蚀获得微纳结构后，采用层层自组装技术将单宁酸与庆大霉素组装在微纳结构，从而对所述钛或其合金表面进行改性。本发明的方法工艺简单，操作方便；使用该方法制备的生物活性钛及其合金能够有效抑制细菌的感染，用于硬组织的替换能够提高临床的成功率。

Description

生物医用活性钛及其合金植入材料的表面改性方法
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，涉及一种在医疗器械植入体表面微纳结构的创建和微纳抗菌改性的方法，更确切地说涉及一种用于硬组织修复用的抑菌性生物医用活性钛及其合金植入材料的表面抗菌改性方法。
背景技术
钛合金凭借其优良的生物相容性、耐腐蚀性和综合力学性能逐渐成为牙种植体、骨创伤产品以及人工关节等人体硬组织替代物和修复物的首选材料，但仍存在植入体失效问题。
长期的临床及研究发现，现阶段致使植入体失效的主要原因有两个方面：植入体生物活性不够理想，致使硬组织植入体的骨整合能力差，与周围组织结合不佳。植入体表面无抗菌性，致使植入体相关细菌感染发生率高。因此，对钛合金植入材料进行表面改性，从而赋予其抗菌性能是目前生物材料领域内的一个研究热点。通过钛金属表面改性而使其更好的与骨组织形成生物性结合，是口腔种植材料缩短种植周期，获得早期骨整合和更高的结合强度以及如何避免后期发炎是研究的热点之一。
目前，临床上应用最广的技术有微弧氧化、喷砂酸蚀、双酸蚀、以及羟基磷灰石喷涂技术，由于微弧氧化技术要求严格，制备过程要求严格，且由于数十年的临床应用，且大量的临床数据，使得NOBEL BIOCARE公司市场近占有率40％，但技术要求严格，价格也居高不下。喷砂酸蚀、双酸蚀技术都是改变表面的拓扑结构，增加表面粗糙度，有利于细胞的黏附，在临床上应用最广泛的钛金属表面处理技术，但后期需要维护观察，10年-20年后，容易产生松动，需要再次手术等风险。羟基磷灰石喷涂技术相对于以上三种改性技术而言，价格低廉，但由于术后发炎、松动也限制其发展。
目前，最近研究的新技术，等离子喷涂，有喷锌离子、银离子、纳米银等，一方面在提高成骨形成，另一方面进一步抗菌，避免发炎。但外加金属离子，临床审批过程繁杂，壁垒多，也很难快速应用于临床。还有通过化学方法，负载功能蛋白，进行早期的快速的骨整合，但没有从根本上解决长期植入后引起松动的问题。
因此，本领域尚需同时提高钛植入体表面的细胞相容性及兼顾抗菌效果的改性方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于硬组织修复用的抑菌性生物医用活性钛及其合金植入材料的表面抗菌改性方法。
本发明的第一方面，提供一种改性的钛或其合金，所述改性的钛或其合金包括钛或其合金基底以及其表面的1-16层自组装层，其中，所述自组装层为单宁酸/庆大霉素自组装层、单宁酸/壳聚糖自组装层或单宁酸/牛血清白蛋白自组装层。
本发明中，以单宁酸作为自组装过程中必须的静电结合连接剂，与庆大霉毒、壳聚糖或牛血清白蛋白等形成自组成层。
在另一优选中，所述改性的钛或其合金包括3-15层、5-14层、7-12层或3-10自组装层。
在另一优选中，所述钛或其合金基底为喷砂酸蚀处理的钛片(SLA)。
在另一优选例中，表面具有4-9层或6-8层自组装层，较佳为7层自组装层。
在另一优选中，单宁酸/庆大霉素自组装层每层自组装厚度为：1.2-3.2nm，较佳为1.4-3.0nm，更佳为1.6-2.8nm。
在另一优选中，各自组装层负载单宁酸/庆大霉素药物质量为0.1-0.35mg/cm2，较佳为0.15-0.3mg/cm2，更佳为0.175-0.275mg/cm2。
在另一优选中，单宁酸/BSA自组装层每层自组装厚度为：4-10nm，较佳为5-9nm，更佳为5.5-8.5nm。
在另一优选中，各自组装层负载单宁酸/BSA质量为0.4-1mg/cm2，较佳为0.5-0.85mg/cm2，更佳为0.55-0.7mg/cm2。
在另一优选中，单宁酸/壳聚糖自组装层每层自组装厚度为：1.5-6nm，较佳为2.5-5nm，更佳为3-4nm。
在另一优选中，各自组装层负载单宁酸/壳聚糖质量为0.2-0.5mg/cm2，较佳为0.25-0.45mg/cm2，更佳为0.3-0.4mg/cm2。
本发明的第二方面，提供第一方面改性的钛或其合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
a)将钛或其合金基底材料置入碱液中，在超声条件下进行微纳刻蚀，在所述钛或其合金基底材料表面获得微纳结构；
b)采用层层自组装技术将单宁酸与庆大霉素、单宁酸与壳聚糖、或单宁酸与牛血清白蛋白自组装在微纳结构，从而获得表面被改性的钛或其合金。
在另一优选中，所述基底材料为喷砂酸蚀钛片SLA。
在另一优选例中，所述碱液为5-8M氢氧化钠溶液。
在另一优选例中，所述步骤a)中，超声2-5次，每次1-3分钟。
在另一优选中，所述方法还包括对微纳刻蚀后的钛或其合金基底材料进行后处理的步骤，所述后处理是指去除碱液，煅烧后再使氧化钛晶型转变为锐钛矿型。
在另一优选中，所述后处理包括以下步骤：
a1)超声后，将置入碱液中的所述钛或其合金基底材料于60℃-80℃恒温放置12-24小时；
a2)超纯水清洗经步骤a1)处理的材料，(较佳超声)除去残留碱液；
a3)将经步骤a2)处理的材料置于35℃-45℃放置40-60小时，获得超亲水性表面；
a4)在氮气保护下，煅烧步骤a3)获得的材料，使氧化钛晶型转变为锐钛矿型。
在另一优选例中，以3℃/min的升温速率至600℃保温0.5-2小时，使氧化钛晶型转变为锐钛矿型。
在另一优选例中，将疏水型的SLA钛片，滴加5M NaOH/KOH进行超声，致使钛表面不再有气泡溢出，将其静置在37℃的恒温干燥箱内24小时，再将钛取出，用超纯水清洗多次，洗去钛表面的多余的碱液，再进行超声，赶出还留在微纳结构中的碱液，充分清洗(如三次)，用滤纸洗去表层水分放入37℃48小时，之后放入马弗炉中，以3℃/min升温速率，在N2气氛下从室温升温到600℃，保温1小时。
在另一优选中，所述步骤b)层层自组装通过旋涂方式进行自组装。
在另一优选中，所述旋涂是指在将步骤a)获得的表面具有微纳结构的材料置于旋涂仪上，依次加入单宁酸溶液、磷酸缓冲溶液、庆大霉素溶液或壳聚糖溶液或牛血清白蛋白溶液、磷酸缓冲溶液进行自组装。
在另一优选中，所述旋涂仪的转速为转速1和转速2，通过转速1将各溶液铺满材料，再通过转速2甩掉多余溶液，其中转速1为500-900转/分钟，时间为10秒-20秒；转速2为2000-3200转/分钟，时间为50-80秒。
在另一优选中，所述旋涂具有以下一个或多个特征：
(1)单宁酸溶液浓度为0.25-0.65(较佳为0.5)mg/ml，pH为7.3-7.5；
(2)庆大霉素溶液浓度为0.5-1.3(较佳为1.0)mg/ml，pH为7.3-7.5；
(3)单宁酸/庆大霉素的浓度比为1：2；
(4)壳聚糖溶液浓度为0.8-1.2(较佳为1.0)mg/ml，pH为3.5-4.5，较佳溶剂1％的冰乙酸溶液；
(5)牛血清白蛋白溶液浓度为1.5-3.5mg(较佳为2)/ml，较佳溶于0.01M磷酸缓冲溶液；
(6)单宁酸/壳聚糖的浓度比为1:2；
(7)单宁酸/牛血清白蛋白的浓度比为1:4。
在另一优选例中，单宁酸(0.5mg/ml)和庆大霉素(1mg/ml)均溶于0.01M磷酸缓冲溶液(PB，pH为7.3-7.5)。
在另一优选例中，磷酸缓冲溶液pH为7.3-7.55。
在另一优选例中，磷酸缓冲溶液组成为：249.68(-0.2/+0.1)mg NaH2PO4·2H2O、3008.88(+0.2/-0.1)mg Na2HPO4·12H2O和9000mg NaCl。
本发明的第三方面，提供第一方面所述的改性的钛或其合金的用途，用于制备硬组织修复材料。
本发明的改性方法，是一种提高骨整合能力和兼具抗菌功能的微纳钛表面改性的方法。利用该方法改性的钛表面三级微纳结构能够很好地提高骨整合能力，将小分子抗菌药固定的钛的三级微纳结构表面，能够很好地实现持久的抗菌效果，对钛植入体成功植入以及在体内长期未定的存在具有重要的意义。本发明的方法工艺简单，操作方便；使用该方法制备的生物活性钛及其合金能够有效抑制细菌的感染，因此在硬组织的替换，能够提高临床的成功率。
本发明的改性方法，采用酸碱双刻蚀获得超亲水性钛表面，并有效的获得可控均一的微钠形貌，有利于钙磷沉积，有利于细胞的长入，同时能够进一步的功能化，容易载蛋白，纳米改性，获得抗菌等优异性能，有望解决术后或长期植入后松动问题的潜力。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是经实施例1改性处理前后钛表面的接触角大小条形图，a表示改性前喷砂酸蚀的钛金属，b表示经超声碱蚀热处理的钛金属。
图2是经实施例1改性处理前后的钛表面的扫描电镜形貌图，a表示改性前喷砂酸蚀的钛金属，b表示经超声碱蚀热处理的钛金属。
图3是经实施例1改性处理得到的钛金属材料表面的TiO2高分辨率XPS谱图，a表示Ti2p峰位，b表示O1s峰位。
图4为实施例2的扫描电镜形貌图，a表示7天钙磷沉积钛表面形貌，b表示30天钙磷沉积钛表面形貌。
图5是经实施例3改性处理后进行1、3、5、6、7、8、12、14、20层自组装的钛表面扫描电镜形貌图。
图6为经实施例4改性处理后，a表示进行7层自组装的QCM-D时时记录频率与耗散因子图，b表示模拟计算负载单层层厚与单位面积(cm2)质量图。
图7为经实施例5改性处理后进行7、5、3、2、1、0层自组装钛片的抑菌圈实验结果图。
图8为经实施例5改性处理后进行7层自组装钛片的抑菌圈实验结果图，a表示金黄色葡萄球菌的抑菌圈，b表示大肠杆菌的抑菌圈。
图9为经实施例6改性处理后进行7层自组装钛片的抑菌圈1-14天实验结果图。
图10为经实施例6改性前后以及自组装7层之后，经过15天长时间的金黄色葡萄球菌生长在钛金属表面的扫描电镜形貌图，图中：a表示光滑钛金属表面15天之后的染菌状况，b表示喷砂酸蚀的钛金属表面15天之后染菌状况，c表示经过超声碱蚀热处理之后钛金属表面15天之后染菌状况，d表示经过自组装之后钛金属表面15天之后染菌状况。
图11是经实施例6改性前后以及自组装7层之后，经过11天长时间的大肠杆菌生长在钛金属表面的扫描电镜形貌图，图中：a表示光滑钛金属表面11天之后的染菌状况，b表示喷砂酸蚀的钛金属表面11天之后染菌状况，c表示经过超声碱蚀热处理之后钛金属表面11天之后染菌状况，d表示经过自组装之后钛金属表面11天之后染菌状况。
图12为是经实施例7改性前后以及自组装7层之后，对金黄色葡萄球菌的最大杀菌效果，a表示24小时之后，空白组(A)、光滑钛片(B)、喷砂酸蚀钛片(C)、超声碱蚀热处理钛片(D)、自组装改性钛片(E)菌液浊度图，b表示不同时间点采用OD600nm测定得到的菌液空白组(A)、光滑钛片(B)、喷砂酸蚀钛片(C)、超声碱蚀热处理钛片(D)、自组装改性钛片(E)的浊度。
图13是经实施例7改性前后以及自组装7层之后，对大肠杆菌的最大杀菌效果，a表示24小时之后，空白组(A)、光滑钛片(B)、喷砂酸蚀钛片(C)、超声碱蚀热处理钛片(D)、自组装改性钛片(E)菌液浊度图，b表示不同时间点采用OD600nm测定得到的菌液空白组(A)、光滑钛片(B)、喷砂酸蚀钛片(C)、超声碱蚀热处理钛片(D)、自组装改性钛片(E)的浊度。
图14是经实施例8改性前后以及自组装7层之后，C2C12细胞的粘附、增殖图，图中：a表示喷砂酸蚀处理的钛片，b表示超声碱蚀热处理钛片，c表示自组装改性钛片。
图15是经实施例8改性前以及自组装7层之后，C2C12细胞的粘附、增殖的扫描电镜形貌图，图中：a表示喷砂酸蚀处理的钛片，b表示自组装改性钛片。
图16是经实施例9改性前以及自组装7层之后，红细胞的粘附扫描电镜形貌图，图中：a表示喷砂酸蚀处理的钛片，b表示自组装改性钛片。
图17是经实施例10改性处理前后的钛表面的扫描电镜形貌图，a表示TA/BSA(3层)钛表面，b表示TA/CH(3层)钛表面，c表示通过石英微电子天平QCM-D记录频率与耗散因子图，d表示模拟计算负载单层BSA/TA/CH的自组装厚度图。
图18是对比实例，浸泡吸附组装3、5、7层扫描电镜形貌图，a表示反复浸泡3次(3层)Nano-Ti表面形貌图，b表示反复浸泡5次(5层)Nano-Ti表面形貌图。c表示反复浸泡7次(7层)Nano-Ti表面形貌图。d表示反复浸泡7次(7层)Nano-Ti表面形貌图。
具体实施方式
本申请的发明人经过广泛而深入地研究，首次研发出一种提高骨整合能力和兼具抗菌功能的微纳钛表面改性的方法，将已经具有微观二级结构的喷砂酸蚀医用钛及其合金为基底材料，通过超声碱蚀进一步获取微纳结构，形成微观表现具有三级结构的改性钛。采用旋涂技术用单宁酸为粘结剂将庆大霉素进行层层自组装，实现在微纳结构上的固载抗菌，从而实现抑菌杀菌的钛及其合金表现改性材料。利用该方法改性的钛表面三级微纳结构能够很好地提高骨整合能力，将小分子抗菌药固定的钛的三级微纳结构表面，能够很好地实现持久的抗菌效果，对钛植入体成功植入以及在体内长期未定的存在具有重要的意义。在此基础上，完成了本发明。
单宁酸
单宁酸是中国五倍子、土耳其槽子、塔拉果荚、石榴、漆树叶、黄栌、金缕梅树等植物中主要富含成分。属于天然化合物，其多酚羟基的结构赋予了它一系列独特的化学特性和生理话性，如能与蛋白质、生物碱、多糖结合，使其物理化学行为发生变化；能与多种金属离子发生络合和静电作用；具有还原性和捕捉自由基的活性；具有两亲结构和诸多衍生化反应活性等。具有收敛、抗菌、解毒、止血等作用。
有研究表明，富含单宁酸的五倍子可防治牙周病的作用。作为表面改性材料具有抗菌、抗内毒素的作用，起到抑制细菌、避免发炎。单宁酸在机体环境中呈电负性，能有正电荷结合。
庆大霉素
庆大霉素是一种氨基糖苷类抗生素，主要用于治疗细菌感染，尤其是革兰氏阴性菌引起的感染。庆大霉素能与细菌核糖体30s亚基结合，阻断细菌蛋白质合成。庆大霉素作为唯一耐高温的广谱类抗生素，已经得到临床上的应用。
改性方法
本发明首先从钛本身微观结构进行改性，再进行抗菌固载获得持久抗菌效果的钛及其合金植入材料。
本发明利用单宁酸与小分子抗菌药庆大霉素之间的静电作用，采用层层自组装技术在钛及其合金表面进行微纳改性实现持久抗菌作用。
层层自组装技术广泛用于薄膜制备，与其他的薄膜制备相比(自组装单层(SAM)方法，朗缪尔布洛杰特(LB)技术)，通过简单、廉价的旋涂装置，能够快速的制备出不同组分可控层厚以及层结构的方法，在表面改性领域有广泛的应用前景。
首先将已经成功应用于临床的牙种植体表面SLA处理技术的钛进一步超声碱蚀热处理获取微纳三级结构，此结构不仅有利于骨细胞的粘附与增殖，此外还具有不易于细菌的粘附与生长的特性。
其次，利用，例如单宁酸与广谱小分子抗菌药(庆大霉素)在钛的三级微纳结构上进行层层自组装，通过旋涂技术快速在未覆盖三级结构的基础上实现了微纳改性，达到既有利于骨细胞的黏附，又能够达到抗菌的目的。单宁酸与庆大霉素能够通过静电作用快速的结合，并不影响庆大霉素的杀菌作用，又能够起到在材料表面长时间持久抗菌。
本发明中，为了提高钛的生物相容性，又能够兼顾抗菌效果，首先通过改进碱热处理，达到在钛及其合金在氧化层上进行微纳结构创建，通过已经有二级结构的喷砂酸蚀的钛表面进一步超声刻蚀，使得所用的碱溶液在二级结构上形成“纳米刀”，进一步进行改性。由于细胞的大小在20-100μm之间，而细菌的大小在2-15μm，微纳结构能够促进细胞的伪足粘附，从而有利于细胞的粘附，生长，增值。而对于细菌而言，不利于细菌的粘附与增值，从而起到一定的抑菌作用。进一步的在微纳结构进行自组装设计，将具有粘结作用的单宁酸与庆大霉素的结合，能够实现在手术之前彻底的杀菌，从而能够有效缓解临床细菌感染的问题，实现植入体成功植入，避免植入体感染。
本发明方法易于操作，设备简单，反应条件温和。这样改性的方法用于改善植入医疗器械(人工骨、人工关节和牙种植体)表面的持久抗菌性能。本方法直接在SLA的表面氧化层的二级结构上，进行三级结构的创建，又能在三级结构基础上实现抗菌作用。为解决临床硬组织替换材料的感染问题，提供了一种简单有效地手段，提高植入体成功率。
本发明通过简单的化学处理技术，直接在钛金属表面获得微纳结构，有利于细胞的黏附、增殖、成骨分化。另一方面，改性的微纳结构，为进一步功能化提供平台，层层自组装进行抗菌，也期待进行蛋白(比如抗菌肽/AMPs、骨形态发生蛋白/BMPs等)负载获取更多综合优异的功能。
本发明提到的上述特征，或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用，说明书中所揭示的各个特征，可以被任何提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明，所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件如Sambrook等人，分子克隆：实验室手册(New York:Cold Spring Harbor LaboratoryPress,1989)中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
通用方法
抑菌圈实验
具体方法为：将金黄色葡萄球菌(G+)/大肠杆菌(G-)取1ml放入10ml无菌离心管中，加入9ml生理盐水，再进行稀释10倍，得到10^6CFU的细菌，用移液枪取200μl菌液，放入固态培养皿中，用无菌棉签，轻轻均匀的涂覆完全，将准备好的自组装改性钛片轻放入培养皿中。放入37℃细菌培养箱中培养24小时甚至更长时间(10-15天)，观察记录。
形貌观察
采用SEM观察染菌后样品形貌。制样过程为：将染菌的钛片取下，放入24孔板中，加入1ml生理盐水(pH＝7.4)目的为洗去粘附在材料上的多余细菌，能够在之后的固定制样，观察到微观表面与细菌的粘附情况，将加入1ml生理盐水的钛片放入4℃冰箱24小时，吸取生理盐水，加入加4℃预冷的3％戊二醛1mL，在4℃固定过夜，目的是完全固定好菌体蛋白的巯基、羟基、羧基和氨基，可使之烷基化，引起蛋白质凝固保持好细菌的形貌，吸出固定剂，用0.2M磷酸缓冲溶液浸洗2次，每次5min。事先配置好不同浓度梯度的酒精(30％、50％、70％、80％、90％、95％和100％)进行脱水如理，每种浓度酒精进行2次，每次10min。将脱水完成的钛片，吸出酒精，放入-20℃冰箱速冻，20分钟，转移到冻干机中，冻干6小时，在进行扫描电子显微镜拍摄之间，将制样钛片喷金45秒，进行形貌观察。
最大杀菌量实验
将直径为15mm的空白组(A)、光滑钛片(B)、喷砂酸蚀钛片(C)、超声碱蚀热处理钛片(D)、自组装改性钛片(E)作为对照实验进行最大杀菌的测定实验。
将四组钛片放入24孔板中，首先将取10^8CFU金黄色葡萄球菌1000μl或10^8CFU大肠杆菌1000μl加入10ml无菌离心管中，加入9ml胰蛋白胨大豆肉汤或9ml营养肉汤进行稀释，混合均匀后，用移液枪准确量取50μl(5*10^5CFU)加入钛片表面，进行染菌，再量取950μl胰蛋白胨大豆肉汤或营养肉汤进行37℃细菌恒温培养箱中培养，采用的计量方法为细菌吸光度(OD600值)的测定。波长为600nm的吸光度是细菌的标志性吸光波长，在成长期的细菌，在此波长下的吸光度与浓度成线性关系。
用96孔板采用酶标仪进行测定，具体步骤为：通过不同时间点(3、6、9、12、20、24小时)进行取点测取过程中细菌的相对含量。每次测量用100μl移液枪取100μl放入96孔板中测定吸光度，测好之后将取用菌液回收到各自的溶液中，继续培养，记录吸光度，进行计算。
实施例1
超声处理钛片
将真空包装好的直径为10mm厚1mm的喷砂酸蚀(SLA)钛金属片投放到刚刚配制好的澄清100ml 5M NaOH中。在超声下将钛表面的小气泡溢出。进行超声5min，将碘量瓶盖用保鲜膜包好，盖上，防止长时间的封闭导致粘结在一起，不易打开。放入60℃恒温干燥箱中，静置24小时。
将钛片取出放入一次性塑料杯中，加入适量超纯水反复清洗3次，在进行超声清洗。将清洗好的钛片放在事先准备好的滤纸上，放入培养皿中，37℃下缓慢干燥48小时。
将钛片取出放入坩埚中，以3℃/分钟在氮气保护下升温至600℃煅烧1小时，24小时后，取样。
首先采用接触角仪进行改性材料的亲水性测试，用10μl的移液枪吸取3μl的去离子水，滴在改性处理过的钛片上面，多次测量后发现改性后的材料具有超亲水的特性，接触角在6°左右，如图1所示。
将改性处理的钛片用扫描电子显微镜观察其微观形貌特征，如图2所示，改性之后的钛片表面不仅能够保存好，改性前钛片的二级结构，并能够进一步刻蚀出更为精细的三级结构。
将改性处理的钛片用X射线光电子能谱进行表面元素化合态分析，如图3所示，改性后的钛表面钛元素的存在方式为TiO2，几乎没有杂峰，不存在其他Ti的化学结合形式。
实施例2
钙磷沉淀
将真空包装好的直径为10mm厚1mm的喷砂酸蚀(SLA)钛金属片投放到刚刚配制好的澄清100ml 6M NaOH中。在超声下将钛表面的小气泡溢出。进行超声10min，赶去气泡为止，将碘量瓶盖用保鲜膜包好，盖上。放入60℃恒温干燥箱中，静置24小时。
将钛片取出放入一次性塑料杯中，加入适量超纯水反复清洗3次，在进行超声清洗。将清洗好的钛片放在事先准备好的滤纸上，放入培养皿中，37℃下缓慢干燥48小时。
将钛片取出放入坩埚中，以3℃/分钟在氮气保护下升温至600℃煅烧1小时，24小时后，取样。
所得样品放在已经配置好的SBF溶液中，放在37℃摇床7天、30天，之后，吸取钛表面水分，烘干。
将样品导电处理用真空喷镀法，所用仪器为真空喷镀仪，样品被安置在离蒸发源约10～15cm处的样品台上，样品进行旋转活动，喷金45秒。
如图4所示，七天已经有钙磷沉淀在钛表面，30天完全覆盖钛金属表面的微钠结构，说明有利于钙磷沉淀，有良好的生物活性。
实施例3
自组装改性钛片
将真空包装好的直径为10mm厚1mm的喷砂酸蚀(SLA)钛金属片投放到刚刚配制好的澄清100ml 5M NaOH中。在超声下将钛表面的小气泡溢出。进行超声10min，赶去气泡为止，将碘量瓶盖用保鲜膜包好，盖上。放入60℃恒温干燥箱中，静置24小时。
将钛片取出放入一次性塑料杯中，加入适量超纯水反复清洗3次，在进行超声清洗。将清洗好的钛片放在事先准备好的滤纸上，放入培养皿中，37℃下缓慢干燥48小时。
将钛片取出放入坩埚中，以3℃/分钟在氮气保护下升温至600℃煅烧1小时，24小时后，取样。
所得样品，在旋涂仪上进行自组装改性，将事先配制好的单宁酸溶液(0.5mg/ml)、磷酸缓冲溶液、庆大霉素溶液(1.0mg/ml)依次循环进行加入改性钛表面进行自组装涂层。旋涂转速1设置为900转/分钟，时间为20秒，转速2设置为3000转/分钟，时间设置为80秒。旋涂层数为1、3、5、6、7、8、12、14、20层，每层组装之后都要用磷酸缓冲溶液进行清洗。所用溶液的pH为7.4。
将组装好的钛片在扫描电子显微镜下观察被覆盖的形貌。如图5所示，单宁酸/庆大霉素能够成功地被覆盖在微纳结构上，并能够保持原本的三级结构。
可以看出，扫描电子显微镜观察下，20层才能完全覆盖原有的微纳结构，层层自组装12层、14层，仍旧保持好原微纳结构，且能很好涂覆在原结构上。
实施例4
通过单宁酸/庆大霉素的自组装实验，进一步探究自组装7层的厚度以及组装的质量计算。
本实验采用耗散型石英晶体微天平，通过仪器对金芯片上的简谐振动的频率变化，进行数学模型进行计算得到膜厚与质量计算。
采用方法为：将新配置的单宁酸溶液(0.5mg/ml)，庆大霉素(1.0mg/ml)，溶剂和清洗溶液都是磷酸缓冲溶液(pH为7.3-7.5)，以50μl的进样速度进行溶液在组装池流动，首先将芯片放入0.5mg/ml的聚醚酰亚胺(PEI)溶液中进行基层准备，将芯片放入电化学样品池中，待基线走平后，依次通入单宁酸，庆大霉素，在中间用磷酸缓冲溶液进行清洗。每次通入溶液达到平衡之后再通入接下来的溶液。一般而言，单宁酸溶液达到最大程度的自组装的时间为40分钟，庆大霉素溶液为20分钟，中间用磷酸缓冲溶液清洗5分钟。
通过7层的不断组装得到时间-频率以及耗散因子的图像，如图6所示，选择f1与D1与时间的图像进行数学模型分析，选择柔性材料的Voigt粘弹模型进行计算分析得到，七层的厚度为12-16nm左右，附着在芯片上的质量为1.2-1.8mg/cm2，其中庆大霉素的负载质量在0.3mg-0.4mg/cm2。
实施例5
短时间抑菌圈实验
将真空包装好的直径为10mm厚1mm的喷砂酸蚀(SLA)钛金属片投放到刚刚配制好的澄清100ml 5M NaOH中。在超声下将钛表面的小气泡溢出。进行超声10min，赶去气泡为止，将碘量瓶盖用保鲜膜包好，盖上。放入60℃恒温干燥箱中，静置24小时。
将钛片取出放入一次性塑料杯中，加入适量超纯水反复清洗3次，在进行超声清洗。将清洗好的钛片放在事先准备好的滤纸上，放入培养皿中，37℃下缓慢干燥48小时。
将钛片取出放入坩埚中，以3℃/分钟在氮气保护下升温至600℃煅烧1小时，24小时后，取样。
所得样品，在旋涂仪上进行自组装改性，将事先配制好的单宁酸溶液(0.5mg/ml)、磷酸缓冲溶液、庆大霉素溶液(1.0mg/ml)依次循环进行加入改性钛表面进行自组装涂层。旋涂转速1设置为900转/分钟，时间为20秒，转速2设置为3000转/分钟，时间设置为80秒。旋涂层数为1、2、3、5、7层，每层组装之后都要用磷酸缓冲溶液进行清洗。所用溶液的pH为7.4。
将组装好的钛片，进行金黄色葡萄球菌(G+)/大肠杆菌(G-)抑菌圈实验。培养24小时后，如图7所示，与参照样(0层)比较，层层自组装改性的钛片均有抗金黄色葡萄球菌效果，在层数为1、2、3时，抑菌圈有明显扩大，5-7层抑菌圈大小没有明显扩大。具体地，如图8所示，层数为7层，抑菌圈的面积为：7.9cm2(金黄色葡萄球菌)，5.8cm2(大肠杆菌)。进一步培养48小时后，3-7层仍旧有抑菌作用。
结果表明，自组装到钛片表面的抗菌材料，能够有效地进行细菌的抑制。
实施例6
长时间抑菌实验
将真空包装好的直径为10mm厚1mm的喷砂酸蚀(SLA)钛金属片投放到刚刚配制好的澄清100ml 5M NaOH中。在超声下将钛表面的小气泡溢出。进行超声10min，赶去气泡为止，将碘量瓶盖用保鲜膜包好，盖上。放入60℃恒温干燥箱中，静置24小时。
将钛片取出放入一次性塑料杯中，加入适量超纯水反复清洗3次，再进行超声清洗。将清洗好的钛片放在事先准备好的滤纸上，放入培养皿中，37℃下缓慢干燥48小时。
将钛片取出放入坩埚中，以3℃/分钟在氮气保护下升温至600℃煅烧1小时，24小时后，取样。
所得样品，在旋涂仪上进行自组装改性，将事先配制好的单宁酸溶液(0.5mg/ml)、磷酸缓冲溶液、庆大霉素溶液(1.0mg/ml)依次循环进行加入改性钛表面进行自组装涂层。旋涂转速1设置为900转/分钟，时间为20秒，转速2设置为3000-3200转/分钟，时间设置为80秒。旋涂层数为7层，每层组装之后都要用磷酸缓冲溶液进行清洗。所用溶液的pH为7.4-7.5。
对组装好的钛片进行金黄色葡萄球菌(G+)/大肠杆菌(G-)抑菌圈实验。如图9所示，从时间可以看出，自组装之后的钛片能够实现长时间的抗菌。
此外，对染菌之后的样品观察其微观形貌情况。
如图10所示，染金黄色葡萄球菌15天之后，可见由于光滑的钛金属表面本身很难使细菌牢牢粘附，而在起初加入生理盐水中很容易进入溶液中，另外制样过程中的脱水，也进一步是钛金属表面的细菌脱离钛表面，是的扫描电子显微镜下观察到的细菌并不是大量的存在，而相对于喷砂酸蚀(b)的表面而言，由于金黄色葡萄球菌的大小在1-2μm，喷砂酸蚀处理后的微观形貌正好为金黄色葡萄球菌提供有利的保护空间，一方面减缓了同类菌种的空间竞争压力，又为外界的认为条件的灭菌提供避难场所，这也是目前使用喷砂酸蚀技术的医疗器械染菌难以解决的一大重要原因。而经过超声碱热处理之后的三级微纳结构，因其本身的纳米结构，金黄色葡萄球菌难易附着在钛金属表现，从而很难进行粘附，但仍有细菌的增长，并不具备杀菌灭菌的效果。将钛金属表面经过(单宁酸/庆大霉素)自组装7层之后，能够有效进行灭菌。长达15天的细菌最佳生长环境下，从扫描电镜的微观形貌来看，对金黄色葡萄球菌的杀菌作用显著，有效地达到了抗菌杀菌的钛表面抗菌改性效果，同时显示出优异的抗金黄色葡萄球菌生物膜形成。
如图11所示，染大肠杆菌11天之后，可见由于光滑的钛金属表面本身很难使细菌牢牢粘附，而在起初加入生理盐水中很容易进入溶液中，另外制样过程中的脱水，也进一步是钛金属表面的细菌脱离钛表面，是的扫描电子显微镜下观察到的细菌并不是大量的存在，而相对于喷砂酸蚀(b)的表面而言，由于大肠杆菌的长度在4-10μm，喷砂酸蚀处理后的微观形貌正好为大肠杆菌提供有利的保护空间，一方面减缓了同类菌种的空间竞争压力，另一方面又为外界的人为条件的灭菌提供避难场所，这也是目前使用喷砂酸蚀技术的医疗器械染菌难以解决的一大重要原因。而经过超声碱热处理之后的三级微纳结构，因其本身的纳米结构，大肠杆菌难易附着在钛金属表现，从而很难进行粘附，因为制样过程中的限制，大部分大肠杆菌脱离钛金属表面，从固态培养基中可以看出，仍有细菌的增长，由于大肠杆菌本身的尺寸，微纳结构能够影响大肠杆菌的生长而出现部分抗菌的作用，但并不能彻底的杀菌。将钛金属表面经过(单宁酸/庆大霉素)自组装7层之后，能够有效进行灭菌。长达11天的细菌最佳生长环境下，从扫描电镜的微观形貌来看，对大肠杆菌的杀菌作用显著，有效地达到了抗菌杀菌的钛表面抗菌改性效果，同时显示出优异的抗大肠杆菌生物膜形成。
实施例7
最大杀菌测试
将真空包装好的直径为15mm厚1mm的喷砂酸蚀(SLA)钛金属片投放到刚刚配制好的澄清100ml 5M NaOH中。在超声下将钛表面的小气泡溢出。进行超声10min，赶去气泡为止，将碘量瓶盖用保鲜膜包好，盖上。放入60℃恒温干燥箱中，静置24小时。
将钛片取出放入一次性塑料杯中，加入适量超纯水反复清洗3次，再进行超声清洗。将清洗好的钛片放在事先准备好的滤纸上，放入培养皿中，37℃下缓慢干燥48小时。
将钛片取出放入坩埚中，以3℃/分钟在氮气保护下升温至600℃煅烧1小时，24小时后，取样。所得样品，在旋涂仪上进行自组装改性，将事先配制好的单宁酸溶液(0.5mg/ml)、磷酸缓冲溶液、庆大霉素溶液(1.0mg/ml)依次循环进行加入改性钛表面进行自组装涂层。旋涂转速1设置为900转/分钟，时间为20秒，转速2设置为3200转/分钟，时间设置为80秒。旋涂层数为7层，每层组装之后都要用磷酸缓冲溶液进行清洗。所用溶液的pH为7.5。
将组装好的钛片进行金黄色葡萄球菌/大肠杆菌最大杀菌测试，由于现实中，细菌的生长繁殖速度很快，在杀菌的过程中也伴随着细菌的增殖，所以本实验背景采用细菌的最佳生长环境中进行最大杀菌量的实验。
如图12所示，在加入金黄色葡萄球菌为5*10^5CFU，能够实现全部杀菌效果。通过计算得到自组装之后的钛片杀菌效果在7*10^4CFU/cm2。足够满足医疗器械的抗菌作用。
如图13所示，在加入大肠杆菌为5*10^5CFU，能够实现全部杀菌效果。通过计算得到自组装之后的钛片杀菌效果在7*10^4CFU/cm2。足够满足医疗器械的抗菌作用。
实施例8
细胞相容性实验
以实施例6制备的自组装改性钛片为例，采用C2C12细胞来验证对细胞相容性实验。
具体实验过程为：将长满C2C12的细胞24cm*24cm的细胞培养瓶大概100-120万细胞，将培养瓶中的培养基去除，用5mL PBS冲洗两次，加入200μl胰蛋白酶液，将细胞消化3-5min；再次加入2mL含有10％FBS的DMEM培养液，反复轻轻吹打瓶内培养液，将贴壁细胞吹下，使细胞分散成单个悬浮细胞，吸取1000μl加入离心管中，加培养基稀释到5000μl，取100μl接种到钛片上(24孔板)，每次接种都吹打均匀，接种方式滴加的方式滴加在钛片表面，在加入培养基1ml，在细胞培养箱中培养24小时。然后分别采用激光共聚焦扫描显微镜和扫描电子显微镜观察。
进行细胞激光共聚焦扫描显微镜制样，具体实验步骤为：吸去培养基，加入2.5％戊二醛溶液固定细胞，4℃，6小时，用磷酸盐缓冲生理盐水(PBS)洗2遍；在暗室，(避光)加入FITC-鬼笔环肽(500μl/孔)染细胞骨架，37℃45min，PBS洗10遍；吸取多余的荧光染料，避免拍摄杂光干扰。之后(避光)加入DAPI(500μl/孔)染细胞核，室温10min，PBS洗20遍。
制样完成后在FITC(Emission wavelength 525nm Excitationwavelength488nm)DAPI(Emission wavelength 450nm Excitation wavelength 404.3nm)进行拍摄，得到激光共聚焦扫描图，如图14所示，通过共聚焦能够清晰看出，对比已经用于临床的喷砂酸蚀处理的钛片而言，超声碱蚀热处理之后细胞的粘附与增值都有提高，而自组装后的钛片表面，更有利于细胞的粘附、生长、增殖。而另一方面而言，改性后的钛表面有良好的细胞相容性。
进行扫描电子显微镜观察制样，具体实验步骤为：吸去培养基，加入2.5％戊二醛溶液固定细胞，4℃，6小时，用磷酸盐缓冲生理盐水(PBS)洗2遍；依次加入30％/50％/70％/80％/90％/100％的梯度乙醇进行脱水，每个梯度脱水15min后吸去；吸取乙醇，放入-20℃，冻存1小时，之后放入冻干机中，冻干6小时，观察前喷金45秒。用扫描电子显微镜观察，如图15所示，自组装之后的细胞伪足能够很好地与微纳结构结合，纳米结构单元组合营造出的适当微纳结构可提高细胞对其感知程度，为细胞的粘附、迁移提供更多的接触位点，促进细胞增殖、分化等生物学响应，促进骨形成，加速骨整合。
实施例9
红细胞粘附及溶血实验
对实施例6制备的自组装改性的钛片进行红细胞粘附实验，具体实验过程为：红细胞来自兔子耳朵上的血液，进行全血实验。抽取5ml兔子全血实验，用移液枪量取1ml加入24孔板中，放置30分钟，观察并没有溶血现象，采用细胞固定的方式，进行红细胞固定，吸去多余全血，用4℃预冷的3％戊二醛1mL，在4℃固定2h，吸出固定剂，用PBS浸洗2次，每次10min。用系列梯度酒精(30％、50％、70％、80％、90％、95％和100％)脱水，每种浓度酒精进行2次，每次15min。进行冻干6小时。
将样品导电处理用真空喷镀法，所用仪器为真空喷镀仪，样品被安置在离蒸发源约10～15cm处的样品台上，样品进行旋转活动，喷金45秒。
如图16所示，喷砂酸蚀(a)与改性自组装之后(b)红细胞粘附比较，自组装之后的更有利于红细胞的吸附而且分布均匀，且红细胞结构完整不变，说明改性之后仍具有更好的血液相容性。
实施例10
自组装改性钛片
将真空包装好的直径为10mm厚1mm的喷砂酸蚀(SLA)钛金属片投放到刚刚配制好的澄清100ml 6M NaOH中。在超声下将钛表面的小气泡溢出。进行超声10min，赶去气泡为止，将碘量瓶盖用保鲜膜包好，盖上。放入60℃恒温干燥箱中，静置24小时。
将钛片取出放入一次性塑料杯中，加入适量超纯水反复清洗3次，在进行超声清洗。将清洗好的钛片放在事先准备好的滤纸上，放入培养皿中，37℃下缓慢干燥48小时。
将钛片取出放入坩埚中，以3℃/分钟在氮气保护下升温至600℃煅烧1小时，24小时后，取样。
所得样品，在旋涂仪上进行自组装改性，将事先配制好的单宁酸溶液(0.5mg/ml)、磷酸缓冲溶液、BSA(牛血清蛋白)溶液(1.0mg/ml)依次循环进行加入改性钛表面进行自组装涂层。旋涂转速1设置为500转/分钟，时间为20秒，转速2设置为3200转/分钟，时间设置为80秒。旋涂层数为3层，每层组装之后都要用磷酸缓冲溶液进行清洗。所用溶液的pH为7.4。
所得样品，在旋涂仪上进行自组装改性，将事先配制好的单宁酸溶液(0.5mg/ml)、磷酸缓冲溶液、CH(壳聚糖溶于1％的醋酸溶液)溶液(1.0mg/ml)依次循环进行加入改性钛表面进行自组装涂层。旋涂转速1设置为500转/分钟，时间为20秒，转速2设置为3200转/分钟，时间设置为80秒。旋涂层数为3层，每层组装之后都要用磷酸缓冲溶液进行清洗。所用溶液的pH为7.4。
将组装好的钛片在扫描电子显微镜下观察被覆盖的形貌。如图17所示，单宁酸/BSA、单宁酸/CH能够成功地涂覆在微纳结构上，并能够保持原本的三级结构。单层单宁酸TA/BSA/CH的层厚分别在1.5-2.5nm、5-6nm、0.5-1nm。此外，经检测，各自组装层负载单宁酸/BSA质量约为0.55mg/cm2；各自组装层负载单宁酸/壳聚糖质量约为0.35mg/cm2。
对比例
采用吸附方法制备改性钛片
将真空包装好的直径为10mm厚1mm的喷砂酸蚀(SLA)钛金属片投放到刚刚配制好的澄清100ml 6M NaOH中。在超声下将钛表面的小气泡溢出。进行超声10min，赶去气泡为止，将碘量瓶盖用保鲜膜包好，盖上。放入60℃恒温干燥箱中，静置24小时。
将钛片取出放入一次性塑料杯中，加入适量超纯水反复清洗3次，在进行超声清洗。将清洗好的钛片放在事先准备好的滤纸上，放入培养皿中，37℃下缓慢干燥48小时。
将钛片取出放入坩埚中，以3℃/分钟在氮气保护下升温至600℃煅烧1小时，24小时后，取样。
所得样品进行吸附涂层试验，选用的溶液为：
(1)单宁酸溶液浓度为0.5mg/ml，pH为7.3-7.5；
(2)庆大霉素溶液浓度为1.0mg/ml，pH为7.3-7.5；
(3)磷酸缓冲溶液pH为7.3-7.55；
(4)磷酸缓冲溶液组成为：249.68(-0.2/+0.1)mg NaH2PO4·2H2O、3008.88(+0.2/-0.1)mg Na2HPO4·12H2O和9000mg NaCl；
将样品浸没于单宁酸溶液(0.5mg/ml)中15min后,放入磷酸缓冲溶液轻轻摇动数次，取出，待热风吹干后，放入庆大霉素溶液(1.0mg/ml)中15min,再次放入磷酸缓冲溶液轻轻摇动数次，此过程为一层涂覆，重复2、4、6次以上步骤，通过电子扫描电镜观察覆盖形貌，结果如图18所示。从SEM可以明显的看出，沉积的厚度在5层的时候已经覆盖原有表面，并没有达到纳米级别的层层组装作用。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种改性的钛或其合金，其特征在于，所述改性的钛或其合金包括钛或其合金基底以及其表面的1-16层自组装层，其中，所述自组装层为单宁酸/庆大霉素自组装层、单宁酸/壳聚糖自组装层或单宁酸/牛血清白蛋白自组装层。
2.如权利要求1所述的改性的钛或其合金，其特征在于，所述钛或其合金基底为喷砂酸蚀处理的钛片。
3.如权利要求1所述的改性的钛或其合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a)将钛或其合金基底材料置入碱液中，在超声条件下进行微纳刻蚀，在所述钛或其合金基底材料表面获得微纳结构；
b)采用层层自组装技术将单宁酸与庆大霉素、单宁酸与壳聚糖、或单宁酸与牛血清白蛋白自组装在微纳结构，从而获得表面被改性的钛或其合金。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述基底材料为喷砂酸蚀钛片SLA。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括对微纳刻蚀后的钛或其合金基底材料进行后处理的步骤，所述后处理是指去除碱液，煅烧后再使氧化钛晶型转变为锐钛矿型。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述后处理包括以下步骤：
a1)超声后，将置入碱液中的所述钛或其合金基底材料于60℃-80℃恒温放置12-24小时；
a2)超纯水清洗经步骤a1)处理的材料，除去残留碱液；
a3)将经步骤a2)处理的材料置于35℃-45℃放置40-60小时，获得超亲水性表面；
a4)在氮气保护下，煅烧步骤a3)获得的材料，使氧化钛晶型转变为锐钛矿型。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)层层自组装通过旋涂方式进行自组装。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述旋涂是指在将步骤a)获得的表面具有微纳结构的材料置于旋涂仪上，依次加入单宁酸溶液、磷酸缓冲溶液、庆大霉素溶液或壳聚糖溶液或牛血清白蛋白溶液、磷酸缓冲溶液进行自组装。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述旋涂仪的转速为转速1和转速2，通过转速1将各溶液铺满材料，再通过转速2甩掉多余溶液，其中转速1为500-900转/分钟，时间为10秒-20秒；转速2为2000-3200转/分钟，时间为50-80秒。
10.如权利要求1所述的改性的钛或其合金的用途，其特征在于，用于制备硬组织修复材料。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111320493A (zh) * 2020-03-11 2020-06-23 广东工业大学 一种氮化硅材料的表面改性方法和生物陶瓷材料
CN112095104A (zh) * 2020-09-07 2020-12-18 山东大学 一种在钛表面制备复合膜层的方法、复合材料和应用
CN112142462A (zh) * 2020-09-02 2020-12-29 佳木斯大学 一种具有层层自组装涂层的抗炎牙齿修复材料的制造方法
CN112842582A (zh) * 2020-12-31 2021-05-28 深圳新致美精密齿研有限公司 一种义齿种植体的表面处理方法
CN113005388A (zh) * 2020-11-18 2021-06-22 河海大学 超疏水耐蚀防污铝基非晶涂层及其制备方法
CN113329855A (zh) * 2019-01-24 2021-08-31 尼尔技术有限责任公司 用于液体处理的具有自清洁性的部件
CN114404672A (zh) * 2022-01-19 2022-04-29 四川大学 一种联合多酚和抗菌肽的纤维膜及其制备方法和应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101411893A (zh) * 2008-11-20 2009-04-22 重庆大学 表面改性的钛或钛合金材料及其制备方法和应用
CN101411894A (zh) * 2008-11-20 2009-04-22 重庆大学 逐层自组装修饰的钛或钛合金材料及其制备方法和应用
CN101603196A (zh) * 2009-07-24 2009-12-16 厦门大学 一种提高医用金属钛生物性能的表面处理方法
US20100303722A1 (en) * 2006-06-23 2010-12-02 Sungho Jin Articles comprising large-surface-area bio-compatible materials and methods for making and using them
CN102000360A (zh) * 2010-10-26 2011-04-06 华南理工大学 一种生物活性表面修饰的金属植入体及其制备方法
CN102560598A (zh) * 2012-01-18 2012-07-11 重庆大学 具有良好抗癌抗菌性能的医用钛材的制备方法
CN104013997A (zh) * 2014-05-06 2014-09-03 重庆大学 一种具有生物仿生多层结构界面的医用钛合金制备方法
CN105688278A (zh) * 2016-03-09 2016-06-22 武汉大学 一种钛种植体表面制备抗菌涂层的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100303722A1 (en) * 2006-06-23 2010-12-02 Sungho Jin Articles comprising large-surface-area bio-compatible materials and methods for making and using them
CN101411893A (zh) * 2008-11-20 2009-04-22 重庆大学 表面改性的钛或钛合金材料及其制备方法和应用
CN101411894A (zh) * 2008-11-20 2009-04-22 重庆大学 逐层自组装修饰的钛或钛合金材料及其制备方法和应用
CN101603196A (zh) * 2009-07-24 2009-12-16 厦门大学 一种提高医用金属钛生物性能的表面处理方法
CN102000360A (zh) * 2010-10-26 2011-04-06 华南理工大学 一种生物活性表面修饰的金属植入体及其制备方法
CN102560598A (zh) * 2012-01-18 2012-07-11 重庆大学 具有良好抗癌抗菌性能的医用钛材的制备方法
CN104013997A (zh) * 2014-05-06 2014-09-03 重庆大学 一种具有生物仿生多层结构界面的医用钛合金制备方法
CN105688278A (zh) * 2016-03-09 2016-06-22 武汉大学 一种钛种植体表面制备抗菌涂层的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KAIYONG CAI ET AL: "《Polysaccharide-protein surface modification of titanium via a layer-by-layer technique:Characterizatition and cell behaviour aspects》", 《BIOMATERIALS》 *
陈诚等: "《钛表面自组装牛血清白蛋白以控制血小板粘附行为的研究》", 《功能材料》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113329855A (zh) * 2019-01-24 2021-08-31 尼尔技术有限责任公司 用于液体处理的具有自清洁性的部件
CN111320493A (zh) * 2020-03-11 2020-06-23 广东工业大学 一种氮化硅材料的表面改性方法和生物陶瓷材料
CN112142462A (zh) * 2020-09-02 2020-12-29 佳木斯大学 一种具有层层自组装涂层的抗炎牙齿修复材料的制造方法
CN112142462B (zh) * 2020-09-02 2021-10-08 佳木斯大学 一种具有层层自组装涂层的抗炎牙齿修复材料的制造方法
CN112095104A (zh) * 2020-09-07 2020-12-18 山东大学 一种在钛表面制备复合膜层的方法、复合材料和应用
CN112095104B (zh) * 2020-09-07 2021-08-27 山东大学 一种在钛表面制备复合膜层的方法、复合材料和应用
CN113005388A (zh) * 2020-11-18 2021-06-22 河海大学 超疏水耐蚀防污铝基非晶涂层及其制备方法
CN112842582A (zh) * 2020-12-31 2021-05-28 深圳新致美精密齿研有限公司 一种义齿种植体的表面处理方法
CN114404672A (zh) * 2022-01-19 2022-04-29 四川大学 一种联合多酚和抗菌肽的纤维膜及其制备方法和应用

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