CN109825825A - 表面生物功能化修饰的钛/钛合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金及其制备方法和应用，以钛或钛合金为基底，在基底表面沉积聚多巴胺涂层作为中间层，在聚多巴胺涂层表面化学键接有生物分子作为功能化修饰层，共同构成表面生物功能化修饰的钛或钛合金。与现有技术相比，本申请工艺简单，条件温和，绿色环保，解决了传统生物化功能化修饰方法中修饰层稳定性差、生物活性低、生物相容性不好等重要难题，通过这种表面功能化修饰方法得到的钛/钛合金在医疗器械等领域具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金及其制备方法和应用。
背景技术
钛及钛合金(以下统称钛类金属)因其优异的机械性能、抗腐蚀性能及生物相容性，是经皮植入器械以及心血管支架主要的基底材料，在植入式假肢、种植牙、心脏支架、血管支架领域有着重要的应用。但是钛及钛合金是生物惰性材料，其表面与软组织的相互作用很弱，使得材料无法与软组织发生化学键性的整合，进而无法实现生物密封，在植入到生物体内后会形成窦袋、上皮下行，进而发生感染而导致植入失败。因此有必要对钛类金属进行生物功能化的改性，赋予材料表面一定的生物活性，促进细胞对材料的响应，进而有助于软组织与材料发生相互整合。
根据文献报道，钛类金属的表面生物功能化修饰方法主要通过以下两种方法：方法一，在未经任何表面处理的钛或钛合金表面直接滴加生物分子，通过物理吸附作用达到生物修饰的目的；方法二：使用硅烷偶联剂(如3-氨丙基三乙氧基硅烷)在钛或钛合金表面构建单分子层，以戊二醛或碳化二亚胺为交联剂，将生物分子于钛或钛合金表面化学交联，该方法使用较为普遍。
但是，方法一存在以下缺陷：(1)钛或钛合金表面生物分子吸附量十分有限；(2)生物分子与基底结合力很弱，因而形成的修饰层非常不稳定，将这样的材料植入到生物体内后，修饰层很容易脱落而失效。方法二存在以下缺陷：(1)生物分子的化学交联会降低其生物活性；(2)硅烷偶联剂在钛或钛合金构建单分子层的过程需要使用有毒的有机溶剂，容易导致溶剂在材料中残留而对组织产生毒副作用；(3)戊二醛等交联剂存在细胞毒性。
由于钛类金属表面生物功能化修饰层的稳定性、生物活性和生物相容性会严重影响后续的体外试验与体内试验等，进而严重地阻碍钛及其合金在生物医用材料领域的应用和发展。因此，如何通过简单易行的方法，兼顾修饰层的稳定性、生物活性与生物相容性，进而在钛类金属表面构建高质量的生物功能化修饰层就十分重要。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金及其制备方法和应用，能够构建高质量的生物功能化修饰层，兼顾修饰层的稳定性、生物活性与生物相容性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金的制备方法，以钛或钛合金为基底，在基底表面沉积聚多巴胺涂层作为中间层，在聚多巴胺涂层表面化学键接有生物分子作为功能化修饰层，共同构成表面生物功能化修饰的钛或钛合金，具体包括以下步骤：
(1)将钛或钛合金进行磨抛预处理、清洗表面；
(2)将预处理后的材料浸于氢氧化钠/过氧化氢混合水溶液中反应，之后取出清洗；
(3)将材料浸于多巴胺水溶液中反应，之后取出清洗、干燥表面，得到表面沉积有聚多巴胺涂层的钛或钛合金；
(4)将生物分子溶液滴加于步骤(3)的材料表面、静置，之后清洗、干燥表面，即得到表面生物功能化修饰的钛或钛合金。
进一步地，所述钛/钛合金为纯钛或钛的合金。
进一步地，所述生物分子为胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、细胞生长因子、纤维蛋白或纤维蛋白原中的一种或多种。
进一步地，步骤(1)磨抛预处理包括粗磨、细磨、粗抛和细抛，粗磨于300～400目碳化硅砂纸上进行，细磨于800～1200目碳化硅砂纸上进行，粗抛于TexMet P抛光布上使用3～4μm粒径MetaDi金刚石抛光液进行，细抛于Microcloth抛光布上使用0.5～1μm粒径MasterMet二氧化硅悬浮抛光液进行。
进一步地，步骤(2)于氢氧化钠/过氧化氢混合水溶液中在50～70℃下反应10～30分钟，氢氧化钠浓度为15～30g/L，过氧化氢浓度为20～40g/L。
进一步地，步骤(3)多巴胺水溶液浓度为1～5mg/mL，pH在8.0～9.0之间，材料浸于多巴胺水溶液中，在室温下静置6～24小时。
进一步地，步骤(4)所述生物分子溶液的浓度为0.1～1mg/mL，于0～10℃下静置24～48小时。
本发明提供的表面生物功能化修饰的钛/钛合金，可用于经皮器械、心脏支架以及血管支架。
本发明所提供的表面生物功能化修饰的钛/钛合金，其制备步骤首次将含有过氧化氢的氢氧化钠碱性水溶液应用于钛类金属表面生物功能化的预处理，与单独的氢氧化钠处理相比，其反应时间大幅缩短。通过这种新型的碱热处理方法得到的钛类金属，可以使多巴胺通过氧化自聚合的方式化学键接于钛类金属表面，得到聚多巴胺涂层，然后基于聚多巴胺的反应活性实现钛类金属的表面生物功能化修饰，增强了修饰层与基底材料的黏附力。因此，根据本发明制备得到的表面生物功能化修饰的钛或钛合金，综合了钛类金属优异的机械性能、抗腐蚀性能以及生物功能化修饰层良好的生物活性，在医疗器械等领域具有重要的应用价值。此外，本发明中的制备方法在整个制备过程中不涉及复杂的仪器设备，也不需要使用有毒的有机溶剂，工艺简单，条件温和，绿色环保。
附图说明
图1为本发明实施例1样品表面胶原分子荧光染色图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供的表面生物功能化修饰的钛或钛合金，其制备方法包含以下步骤：
步骤一，将钛或钛合金进行磨抛处理，然后清洗表面。
步骤二，将材料浸于氢氧化钠/过氧化氢混合水溶液中，于50～70℃下反应10～30分钟，然后清洗表面。
步骤三，将材料浸于1～5mg/mL多巴胺水溶液中，pH介于8.0～9.0之间，于室温下静置6～24小时。取出后清洗、干燥表面，得到表面沉积有聚多巴胺涂层的钛或钛合金。
步骤四，将浓度0.1～1mg/mL的生物分子溶液滴加于材料表面，于0～10℃下静置24～48小时。取出后清洗、干燥表面，得到表面生物功能化修饰的钛或钛合金。
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合具体实施例与附图，对本发明钛类金属合金的表面生物化功能化修饰作具体阐述。下述实施例中，采用的所有化学试剂，除特别注明，均为分析纯，且无需任何处理；反应温度单位为℃。
实施例1
实施例1中表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程包括以下步骤：
步骤一，将直径10mm，厚度1mm的钛铝钒合金材料于金相磨抛机上，用320目的碳化硅砂纸打磨1分钟，然后在1000目的碳化硅砂纸上打磨1分钟。打磨时磨抛机的转速为300转/分钟。随后使用3.5μm粒径MetaDi金刚石抛光液，将材料于TexMet P抛光布上抛光8分钟，然后使用0.5μm粒径MasterMet二氧化硅悬浮抛光液，将材料于Microcloth抛光布上抛光8分钟。抛光时磨抛机的转速为600转/分钟。随后材料依次经丙酮、乙醇和超纯水超声清洗各2次，每次5分钟。
步骤二将步骤一所得的材料浸于氢氧化钠/过氧化氢混合水溶液中，溶液中氢氧化钠浓度为20g/L，过氧化氢浓度为30g/L，于60℃空气氛围下碱热处理15分钟，然后用超纯水中清洗3次，每次5分钟。
步骤三将步骤二所得的材料浸于浓度为2mg/ml的多巴胺溶液中，溶液中三羟甲基氨基甲烷(Tris)浓度为10mM，pH值为8.5，室温下静置12h。反应结束后取出样品，用超纯水清洗3次，用氮气枪干燥表面，得到表面沉积了聚多巴胺涂层的钛。
步骤四于步骤三所得的材料表面滴加1mg/mL I型胶原水溶液，溶液中含有0.1M的醋酸，每个样品表面滴加100μL，用盖玻片覆盖表面，于4℃下静置24h。反应结束后取出样品，用超纯水清洗3次，每次5分钟，用氮气枪干燥表面，得到表面生物功能化的钛，密封保存于4℃冰箱。
实施例2
实施例2中表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。
本实施例的步骤二中，氢氧化钠浓度为15g/L，过氧化氢浓度为20g/L，碱热处理温度为70℃，处理时间为20分钟。
本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为5mg/mL，溶液pH值为8.4。
本实施例的步骤四中，I型胶原溶液的浓度为0.5mg/mL。
实施例3
实施例3中表面生物功能化修饰的钛制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。
本实施例的步骤三中，氢氧化钠浓度为25g/L，过氧化氢浓度为35g/L，碱热处理时间为10分钟。
本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为1mg/mL，溶液pH值为8.6，材料静置于多巴胺溶液的时间为24小时。
本实施例的步骤四中，所用生物分子为0.1mg/mL成纤维细胞生长因子溶液，静置时间为48小时。
实施例4
实施例4中的表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。
本实施例所用的钛类金属为纯钛。
本实施例的步骤一中，用320目的碳化硅砂纸打磨时间为1.5分钟，用1000目的碳化硅砂纸打磨时间为1.5分钟，于TexMet P抛光布上抛光时间为7.5分钟，于Microcloth抛光布上抛光时间为7.5分钟。
本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为3mg/mL，pH值为8.8，静置时间为8小时。
本实施例的步骤四中，所用生物分子为0.2mg/mL纤维蛋白溶液，静置时间为36小时。
实施例5
实施例5中的表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。
本实施例所用的钛类金属为纯钛。
本实施例的步骤一中，用320目的碳化硅砂纸打磨时间为2分钟，用1000目的碳化硅砂纸打磨时间为2分钟。于TexMet P抛光布上抛光时间为7.5分钟，于Microcloth抛光布上抛光时间为7.5分钟。
本实施例的步骤二中，氢氧化钠浓度为30g/L，过氧化氢浓度为40g/L，碱热处理时间为10分钟。
本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为2.5mg/mL，pH值为8.2，静置时间为24小时。
本实施例的步骤四中，所用生物分子溶液为0.1mg/mL的层粘连蛋白溶液。
实施例6
实施例6中表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。
本实施例所用的钛类金属为镍钛合金。
本实施例的步骤一中，用320目的碳化硅砂纸打磨时间为2分钟，用1000目的碳化硅砂纸打磨时间为2分钟。
本实施例的步骤二中，氢氧化钠浓度为30g/L，过氧化氢浓度为40g/L，碱热处理温度为50℃，时间为12分钟。
本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为2.5mg/mL，pH值为8.6，静置时间为18小时。
本实施例的步骤四中，所用生物分子溶液为0.2mg/mL的纤连蛋白溶液。
实施例7
实施例7中表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。
本实施例所用的钛类金属为锆钛合金。
本实施例的步骤二中，氢氧化钠浓度为25g/L，过氧化氢浓度为35g/L，碱热处理温度为55℃，时间为10分钟。
本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为1.5mg/mL，静置时间为18小时。
本实施例的步骤四中，所用生物分子溶液为0.1mg/mL的纤维蛋白原溶液。
实施例8
本实施例为根据实施例1中表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程，验证生物分子是否成功固定于材料表面。本实施例中通过使用能够使胶原分子显色的荧光标记物3-(4-羧基苯甲酰基)喹啉-2-甲醛(CBQCA)，使材料表面的胶原分子可视化，从而验证根据实施例1中的表面生物功能化修饰方法是否能够将胶原分子化学键接于材料表面。
本验证实验的实验组以实施例1中经过I型胶原分子生物功能化修饰的钛合金材料(Ti-PDA-Col)为实验材料，对照组为经过磨抛后未做任何表面修饰的材料(Ti)及表面沉积聚多巴胺的材料(Ti-PDA)。
实验组与对照组进行验证实验的过程相同，并且同时进行，具体步骤如下：
(1)在室温下将CBQCA分子与甲醇和氰化钾水溶液1:1混合后，其中甲醇和氰化钾的浓度均为10mM，与实施例1中的样品孵育2小时。
(2)使用荧光显微镜观察实验组和对照组样品表面I型胶原蛋白的荧光表达情况。
实验结果：
胶原分子荧光染色的验证实验的结果如图1所示，在化学键接胶原分子前，Ti和Ti-PDA样品表面几乎无荧光信号，而Ti-PDA-Col样品表面大面积分布着来源于胶原分子的荧光信号。胶原分子荧光染色的验证实验结果表明，I型胶原蛋白成功地接枝于涂有聚多巴胺的钛合金材料表面，采用本发明的方法能够简单、温和、快速、高效地实现钛表面的生物功能化修饰。
实施例的作用与效果
根据本发明所涉及的表面生物功能化修饰的钛/钛合金及其制备方法，其制备步骤首次将含有过氧化氢的氢氧化钠碱性水溶液应用于钛类金属表面生物功能化的预处理，与单独的氢氧化钠处理相比，其反应时间大幅缩短。通过这种新型的碱热处理方法得到的钛类金属，可以使多巴胺通过氧化自聚合的方式化学键接于钛类金属表面，得到聚多巴胺涂层，然后基于聚多巴胺的反应活性实现钛类金属的表面生物功能化修饰，增强了修饰层与基底材料的黏附力。因此，根据本发明制备得到的表面生物功能化修饰的钛或钛合金，综合了钛类金属优异的机械性能、抗腐蚀性能以及生物功能化修饰层良好的生物活性，从而达到生物功能化修饰的效果。
本发明所涉及的制备方法在整个生物功能化修饰的过程中不涉及复杂的仪器设备，也不需要使用有毒的有机溶剂和交联剂，工艺简单，条件温和，绿色环保。此外，采用本发明所涉及的表面生物功能化修饰的钛/钛合金还能够广泛应用于植入式假肢和种植牙等经皮器械领域，所制备的生物功能化修饰层能够促进器械与软组织的生物密封；还可以应用于心脏封堵器心脏支架以及血管支架领域，促进组织在材料周围的内皮化，具有很好的应用前景。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金的制备方法，其特征在于，以钛或钛合金为基底，在基底表面沉积聚多巴胺涂层作为中间层，在聚多巴胺涂层表面化学键接有生物分子作为功能化修饰层，共同构成表面生物功能化修饰的钛或钛合金，具体包括以下步骤：
(1)将钛或钛合金进行磨抛预处理、清洗表面；
(2)将预处理后的材料浸于氢氧化钠/过氧化氢混合水溶液中反应，之后取出清洗；
(3)将材料浸于多巴胺水溶液中反应，之后取出清洗、干燥表面，得到表面沉积有聚多巴胺涂层的钛或钛合金；
(4)将生物分子溶液滴加于步骤(3)的材料表面、静置，之后清洗、干燥表面，即得到表面生物功能化修饰的钛或钛合金。
2.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金的制备方法，其特征在于，所述钛/钛合金为纯钛或钛的合金。
3.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金的制备方法，其特征在于，所述生物分子为胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、细胞生长因子、纤维蛋白或纤维蛋白原中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)磨抛预处理包括粗磨、细磨、粗抛和细抛，粗磨于300～400目碳化硅砂纸上进行，细磨于800～1200目碳化硅砂纸上进行，粗抛于TexMet P抛光布上使用3～4μm粒径MetaDi金刚石抛光液进行，细抛于Microcloth抛光布上使用0.5～1μm粒径MasterMet二氧化硅悬浮抛光液进行。
5.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)于氢氧化钠/过氧化氢混合水溶液中在50～70℃下反应10～30分钟，氢氧化钠浓度为15～30g/L，过氧化氢浓度为20～40g/L。
6.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)多巴胺水溶液浓度为1～5mg/mL，pH在8.0～9.0之间，材料浸于多巴胺水溶液中，在室温下静置6～24小时。
7.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化修饰的钛/钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述生物分子溶液的浓度为0.1～1mg/mL，于0～10℃下静置24～48小时。
8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的表面生物功能化修饰的钛/钛合金。
9.如权利要求8所述的表面生物功能化修饰的钛/钛合金的应用，用于经皮器械、心脏支架以及血管支架。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190531 |
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