CN111529756B - 一种骨科植入器械表面涂层的制备方法 - Google Patents

一种骨科植入器械表面涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及骨科植入器械表面涂层改性技术领域，具体为一种骨科植入器械表面涂层的制备方法，提供了一种通过聚多巴胺在骨科植入器械表面载入并控释铜‑柠檬酸盐纳米簇的方法。该涂层的制备方法简单方便，适用范围广，能够应用于各种类型的骨科植入器械。此外，该发明能够通过聚多巴胺响应ph值变化，调控铜离子释放浓度，从而控制植入器械成骨和抗菌功能之间的转换。

Description

一种骨科植入器械表面涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种骨科植入器械表面改性方法，属于医用器械表面改性及药物缓释领域。
背景技术
骨科植入器械在植入人体后时常会出现植入失败的现象，而植入器械骨结合不足和细菌感染是导致植入失败的主要原因。为了进一步提高植入成功率，减少植入失败对人体生命健康带来的危害，需要赋予植入器械优异的促成骨和抗菌性能。但在大多数情况下，许多能够赋予植入器械骨诱导性能的方法并没有考虑细菌感染的风险，甚至促进细胞粘附和增殖的方法同时有利于细菌的粘附和菌膜的形成。相反的，致力于抑制细菌定植的策略可能会损害细胞的成骨分化潜力。
细菌自响应的成骨抗菌涂层能够使得骨科植入器械同时具有成骨和抗菌性能。该策略基于细菌的新陈代谢能够产生乙酸、乳酸和甲酸等酸性物质，从而酸化环境、导致pH降低。因此在细菌出现的时候，环境pH降低，引发具有pH响应特性涂层释放抗菌剂，达到杀灭细菌抑制感染的目的；而在没有细菌出现的时候，材料表面的促成骨元素发挥作用促进新骨的生成。该策略能够实现更低浓度的抗菌剂在感染位置的局部有效杀菌，降低细菌耐药性出现的可能性。为实现该策略，其中药物控释材料的选择成为关键。
聚多巴胺由于其结构中氨基的存在使得其具有一定的pH响应特性，此外，聚多巴胺本身能粘附在几乎所有无机和有机材料表面，且具有很强的结合力。因此聚多巴胺能够很好的充当药物的控释涂层。这是因为用于药物控释的物质需要通过质子化/去质子化实现对环境pH值变化的动态响应，因此需要具有弱酸或弱碱性基团来接收或释放质子，氨基便是其中一种弱碱性基团。同时，考虑到部分骨科植入器械基体材料表面具有惰性，为了提高膜层与基体的结合力，用于药物控释的物质最好与不同基体材料都具有优异的结合性能。聚多巴胺能满足以上所有要求，因此其能充当药物控释膜层。
铜离子具有优异的抗菌、成骨和成血管功能，被广泛用于骨科植入器械表面。更重要的是其具有低浓度促成骨、高浓度抗菌的性能。基于实现植入器械pH响应的成骨和抗菌功能之间转换的目的，需要植入器械中抗菌剂长期存在且在完成抗菌之后能够将自身生物功能转换为促成骨。传统策略是在植入器械表面分别载入成骨因子和抗菌剂并通过pH响应控制其释放，从而实现成骨和抗菌。但在该方法中pH响应控释涂层无法完全阻挡抗菌剂在无感染条件下的释放，因此会造成一定的毒性甚至低浓度的抗菌剂会导致细菌耐药性的出现。而铜离子低浓度促成骨、高浓度抗菌的性能能够解决上述问题的困扰，能够很好的通过pH变化控制其释放浓度从而实现生物功能的转换。但铜的抗菌所需浓度与成骨和血管生成所需浓度之间有较大差异，分别为256μg/mL和6.4μg/mL。考虑到聚多巴胺膜层的pH响应控释性能有限，而铜离子抗菌和成骨之间所需浓度差距较大，导致聚多巴胺膜层难以使材料同时满足抗菌和成骨功能。因此，需要找到一种能与铜离子协同抗菌降低铜离子抗菌所需浓度的物质，从而能够降低铜离子抗菌和成骨之间的浓度差。有研究报道有机酸能够促进金属离子进入到细菌内，从而增加抗菌效率。其中柠檬酸盐本身能够穿透细菌膜层，导致细菌死亡，因此选用铜和柠檬酸盐共同使用以达到协同抗菌的效果。此外，柠檬酸盐也具有优异的成骨活性，能够促进新骨生成。
骨科植入器械表面的聚多巴胺控释铜-柠檬酸盐复合纳米簇涂层，通过调控铜-柠檬酸盐在溶液中的浓度从而控制植入器械的生物功能。在pH为7.4的生理环境条件下，聚多巴胺膜层将控制铜离子缓慢释放，从而有利于细胞成骨分化和成血管分化；而当细菌出现酸化环境降低pH时，铜离子释放速率和释放量都将大大增加，从而产生有效的杀菌效果。更重要的是，该涂层的制备方法简单易行，能够应用于各种形貌、各种基体的骨科植入器械表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具提高骨结合力并降低细菌感染发生率的骨科植入器械表面涂层的制备方法。本发明能够实现植入器械成骨和抗菌功能之间的智能转换，且本发明提高的涂层制备方法工艺简单，方便有效，能够应用于各种不同基体、不同形貌的骨科植入器械表面。
具体的，本发明的技术方案如下：
1)对骨科植入器械进行预处理：即经打磨清洗获得光滑平整表面，或经表面粗糙化、酸/碱刻蚀、阳极氧化、微弧氧化、电化学沉积、等离子体喷涂和离子注入等手段微纳米结构；
2)进行铜-柠檬酸盐复合纳米簇的制备：将铜盐与柠檬酸盐混合，制备成溶液，加入还原剂，在加热搅拌条件下反应，直至溶液颜色变深。将反应后的溶液离心，得的铜-柠檬酸盐复合纳米簇；
3)使用pH为8.5的10mM Tris-HCl缓冲液为溶剂，配制2mg/mL的多巴胺溶液，向其中加入适量的铜-柠檬酸盐复合纳米簇。随后将该混合液加入到材料表面，避光反应。完成植入器械表面膜层的制备；
4)使用去离子水对材料进行润洗，并自然烘干。
优选的，上述步骤1)中，所述骨科植入器械可以是聚醚醚酮(PEEK)植入材料、合金、聚合物材料和无机陶瓷材料。
优选的，上述步骤1)中，微纳米结构可通过对PEEK进行磺化处理得到三维多孔结构，所述微纳米结构包括纳米管、纳米孔以及微米或纳米尺寸的凹坑、多孔、网状、丝状或片层针状结构。
优选的，上述步骤2)中，所述铜-柠檬酸盐复合纳米簇制备方法可以是将1.2g柠檬酸钠溶于40mL去离子水中，加入体积40mL的50mM CuSO4·5H2O溶液，加热至80℃再滴加体积为4mL的10％(w/v)的抗坏血酸，反应6h。
优选的。上述步骤2)中，所述离心参数为转速8500rpm，离心时间为20min。
优选的，上述步骤3)中，铜-柠檬酸盐复合纳米簇的浓度为20mM。
优选的，上述步骤3)中，多巴胺溶液在材料表面反应聚合12h。
优选的，所述预处理即经打磨清洗获得光滑平整表面，或经表面粗糙化、酸/碱刻蚀、阳极氧化、微弧氧化、电化学沉积、等离子体喷涂和离子注入手段获得微纳米结构。
优选的，所述骨科植入器械是聚醚醚酮植入材料，所述微纳米结构可通过对聚醚醚酮进行磺化处理得到三维多孔结构。
优选的，所述铜盐来源于硫酸铜、硝酸铜和氯化铜中的一种或多种，所述还原剂为抗坏血酸、水合肼和硼氢化钠中的一种或多种。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的涂层制备方法简单方便，不受基体材料的种类、形状以及形貌的影响。同时，该涂层中存在的柠檬酸盐能促进铜离子进入到细胞内，从而能够展现出更好的促成骨效果和抗菌效果。更重要的是，涂层中聚多巴胺膜层的存在能够对pH值变化发生响应，控制铜离子的释放浓度，从而控制植入器械抗菌成骨生物功能的转换。
附图说明
图1是多孔聚醚醚酮材料表面涂层制备流程图。
图2为载有铜-柠檬酸盐复合纳米簇的聚多巴胺涂层在多孔聚醚醚酮材料表面的SEM形貌。
图3是铜-柠檬酸盐复合纳米簇的TEM图。
图4是多孔聚醚醚酮材料表面沉积载有铜-柠檬酸盐复合纳米簇的聚多巴胺涂层后的XPS光谱图。
图5是改性后植入物表面铜离子在不同pH条件下的释放曲线图。
具体实施方式
本发明实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
实施例1
在聚醚醚酮表面制备含有铜-柠檬酸盐复合纳米簇的聚多巴胺涂层的流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)基体材料预处理：选用医用级PEEK棒材，利用机械加工技术将其切割为Φ15x1.5mm3的圆片，经400#、800#、1200#、1500#和2000#的金相砂纸逐级打磨，然后依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗20分钟，用滤纸吸干表面水分后自然风干，置于真空干燥箱保存；
(2)聚醚醚酮磺化处理：将PEEK试样加入到浓硫酸中，超声搅拌5分钟。随后取出试样，将其置于去离子水中超声清洗20分钟。清洗完成之后将试样放入加有去离子水的烧杯中，在电阻炉上加热，沸腾4小时。取出样品后用滤纸吸干表面水分后自然风干，置于真空干燥箱保存备用。
(3)铜-柠檬酸盐纳米簇制备：先将0.5g的CuSO4·5H2O和还原试剂抗坏血酸(1g)溶解于90mL的去离子水溶液中，然后加入作为分散剂的1.2g柠檬酸三钠。将该混合液在烧杯中于80℃条件下电磁搅拌反应直至溶液变成黑色。将反应液于8500rpm转速下离心20min，收集沉淀，完成铜纳米簇的制备。
(4)聚醚醚酮表面涂层的构建：配制含有2mg/mL多巴胺的Tris-HCl缓冲液(10mM，pH＝8.5)，然后利用该溶液为溶剂配制20mM的铜-柠檬酸盐复合纳米簇溶液。将磺化后的聚醚醚酮材料置于24孔板中，每孔加入2mL上述配制的溶液，放入摇床中于37℃温度下反应12h。完成之后将试样取出并用去离子水润洗，完成材料表面涂层的构建。

Claims (10)

1.一种骨科植入器械的表面涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对骨科植入器械基体进行预处理，在其表面获得光滑或具有微纳米结构的表面形貌；
2）在骨科材料预处理之后，将制备好的铜-柠檬酸盐复合纳米簇加入到制备好的多巴胺溶液中形成混合溶液，然后将植入器械加入该混合溶液中反应一段时间，利用聚多巴胺优异的结合性能将铜-柠檬酸盐纳米簇固定在植入器械表面；
3）使用去离子水对材料进行润洗，并自然烘干。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述预处理即经打磨清洗获得光滑平整表面，或经酸/碱刻蚀、阳极氧化、微弧氧化、电化学沉积、等离子体喷涂和离子注入手段获得微纳米结构。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述骨科植入器械是聚醚醚酮植入材料，所述微纳米结构可通过对聚醚醚酮进行磺化处理得到三维多孔结构。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：铜-柠檬酸盐复合纳米簇的制备方法为：将铜盐与柠檬酸盐混合，制备成溶液，加入还原剂，在加热搅拌条件下反应，得到铜-柠檬酸盐复合纳米簇。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述铜盐来源于硫酸铜、硝酸铜和氯化铜中的一种或多种。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述还原剂为抗坏血酸、水合肼和硼氢化钠中的一种或多种。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：复合纳米簇的尺寸分布为1-10 nm。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：多巴胺溶液的制备需先配制pH为8.5的10 mMTris-HCl缓冲溶液，使用该溶液制备2mg/mL的多巴胺溶液。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述骨科植入物器械的基体材料为金属、聚合物材料和无机陶瓷材料。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述微纳米结构包括纳米管、纳米孔以及微米或纳米尺寸的凹坑和微米或纳米尺寸的网状、丝状或片层针状结构。
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