CN111643732A - 一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法 - Google Patents

一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法，包括以下步骤：在预处理后的医用钛或钛合金样品表面通过微弧氧化技术制备Ti02纳米涂层，然后将样本材料在多巴胺溶液中聚合一层聚多巴胺，再将样本置于金属卟啉有机框架合成的前驱体溶液中，在多孔的表面上通过PDA的诱导原位生长金属卟啉有机框架涂层，最后将所获得的样品材料浸泡于骨活性因子材料溶液中进行负载。本发明具有与基地结合牢固，生物相容性好，良好的光动力抗菌作用以及与骨诱导再生的效果，可操作性强，作为医疗器械植入材料具有良好的临床应用前景。

Description

一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法。
背景技术
在生物医用金属材料中，Ti及其Ti合金，凭借其优良的生物相容性、耐腐蚀性逐渐成为牙种植体、骨刨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，但是植入医疗器械被细菌感染，会导致诸多健康问题，严重的会导致死亡，同时植入器械后也需要良好的骨再生能力，因此，亟需制造一种既可以有效杀菌，又能够有良好的成骨的生物相容性好的植入器械。抗生素类药物的问世挽救了很多细菌感染的病人，但无论是天然抗生素还是人工合成的抗生素类药物长期使用会导致细菌的耐药问题，出现“超级菌”。光动力治疗(PDT)已被开发为一种微创治疗方式，以征服多药耐药性细菌。在光的照射下，光敏剂可以产生活性(MOF)氧自由基(ROS)来破坏细菌。Ti02可作为光敏剂，由于固有缺陷，只能被紫外光以及以下光激发抗菌，并且光生电子空穴对容易复合，导致其见光利用效率低和光催化效果不理想。金属卟啉有机骨架其良好的生物可降解性，以及光敏性，光源广泛性，可作为深度光动力抗菌的候选者，虽然将Ti02涂层与金属卟啉有机框架复合会提高光催化效果，但是也可能会出现结合不够牢固，多巴胺(DA)具有超强的粘附性能以及生物相容性，可作为Ti02/金属有机框架异质结涂层牢固桥梁，同时进一步提高材料的生物相容性。多巴胺(DA)还具有超强的粘附性能与金属卟啉有机框架的微孔也可以负载一些活性因子，从而能够解决医疗器械植入细菌感染与骨诱导的问题。现阶段，大多数涂层能够同时兼具抗菌与骨修复的涂层材料不多，而且或多或少也会存在涂层结合不牢固，或者生物相容性不好，制备成本高，工艺复杂等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法。旨在以医用钛或钛合金为基体，在基体上覆盖一层具有光控杀菌与成骨活性的Ti02/金属卟啉有机框架涂层，该涂层不仅与基地结合牢固，生物相容性好，还具有良好的光动力抗菌作用以及骨诱导再生的效果。以克服Ti及其Ti合金医疗器械植入细菌感染与骨生长缺陷。
本发明的一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：预处理后的医用钛或钛合金样品表面通过微弧氧化技术制备Ti02纳米涂层；
步骤2：Ti02纳米涂层在多巴胺溶液中表面原位聚合一层聚多巴胺；
步骤3：利用水热反应在经多巴胺处理的Ti02材料上面原位生长金属卟啉有机框架；
步骤4：将步骤3的样品材料浸泡于骨活性因子材料溶液中进行负载。
上述步骤1中医用钛或钛合金样品的预处理为：
将钛或者钛合金切割成需要的形状，然后用砂纸打磨进行抛光处理，直至表面光滑，然后用丙酮，乙醇，去离子水，超声清洗，最后进行混合酸处理，再次去离子水超声处理，最后烘干备用；上述混合酸组成为4％HF以及44％HNO3。
上述步骤1中通过微弧氧化技术制备Ti02纳米涂层具体为：
在可编程的高精度的恒压DC电源中，石墨作为阴极，Ti片作为阳极，打磨Ti片光滑的一面与石墨形成对照，在电压100～300V，电流1.0～9.0A，硫酸作为电解质，浓度为0.8～5mM条件下，微弧氧化时间为0.5～5min，结束后去离子水中进行超声清洗，烘干备用。
上述步骤2具体为：
将步骤1制备好的样本置入浓度为0.5～5mg/ml的DA溶液，并将PH调制成8.5～13，进行表面原位聚合一层多巴胺处理；避光，1～12小时后，取出材料，用去离子水轻轻冲洗，烘干，备用。
上述步骤3中的金属卟啉有机框架的金属是六水氯化铁，配体是苯甲酸，以及中-四(4-羧基苯基)卟吩，金属离子包含铁，铜，锌，钴，锰，锆中的任何一种。
上述步骤4中的骨活性因子是骨形态发生蛋白是BMP-2、BMP-4、BMP-6、BMP-7、BMP-9中的任何一种。
上述步骤3具体为：
将步骤2制备的样本材料，放入金属卟啉MOF纳米颗粒的合成前驱体体系中，在高压反应釜聚四氟乙烯内胆中水热反应一段时间，最后得到最终产物。
上述金属卟啉MOF纳米颗粒的合成前驱体体系制备步骤：量取5～45ml N，N-二甲基甲酰胺，称取0.5～2g苯甲酸加入容器里面，进行磁力搅拌均匀，然后再称取40～400mg六水氯化铁，加入其中，进行剧烈搅拌5～50min，使其均匀混合，最后进行80℃～150℃保温1～4小时，冷却至室温后，加入30～100mg中-四(4-羧基苯基)卟吩，进行搅拌5～30min，再进行超声5～30min，最后进行搅拌5～30min，然后将溶液转移至高压反应釜聚四氟乙烯内胆中，进行80℃～150℃保温16～36小时。
上述步骤4具体为：
配置好浓度为0.5～5mg/mL的BMP-2，将步骤3的产物放入其中，泡2～24小时，最后拿出备用。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.本发明制备出的MOF不仅与基地结合牢固分散均匀，还具有良好的生物相容性。可操作性强。可为医疗器械植入材料提供思路。
2.金属卟啉(卟吩及其衍生物(卟啉)与金属离子形成配位化合物)有机框架纳米颗粒与Ti02形成类似异质结，Ti02不仅可作为MOF植入载体而且可以有效地导引并分散金属卟啉有机框架纳米颗粒的电子。使其光动力产生更多的活性氧(ROS)。同时PDA的引入可以提高细菌的捕获，加强杀菌的效果，能有效克服现有效果不好等所存在的多种缺陷或不足。
3.采用本发明方法制备的抗菌涂层中的抗菌主要来源，金属有机框架卟啉光敏剂(PSs)产生的活性氧(ROS)杀死细菌，不可能产生细菌抗性和局部可控性。
4.由于金属卟啉有机框架的优异多孔载药性与多巴胺的粘附，使其不仅具有抗菌性还可以有良好载骨修复因子的软骨修复性，mof可以起到生物活性因子保护与缓慢释放，实现长期的骨修复，与mof光动力可控抗菌能够达到兼具抗菌与骨修复的目的。
附图说明
图1为本发明制备出的微弧氧化Ti02电镜扫描图。
图2为本发明制备出的铁基金属卟啉有机框架电镜扫描图。
图3为本发明制备出的Ti02/铁基金属卟啉有机框架电镜扫描图。
图4为本发明制备出的具有多巴胺的Ti02/铁基金属卟啉有机框架电镜扫描图。
具体实施方式
实施例1：
步骤1：
预处理后的医用钛或钛合金样品表面通过微弧氧化技术制备Ti02纳米涂层：
101：将Ti片切割成直径1cm，厚度1.5mm的Ti片，随后砂纸打磨进行抛光处理，然后用丙酮，乙醇，去离子水，在超声机器里面分别超声清洗。然后进行酸处理。酸处理浓度为(4％HF，44％HNO3)，然后放入去离子水中超声清洗，最后烘干备用。
102：微弧氧化Ti02，在可编程的高精度的恒压DC电源中，石墨作为阴极，Ti片作为阳极，进行电压150V，电流2.5A，硫酸的浓度为1mM，微弧氧化时间为1min，完成后置入酒精，去离子水水中进行超声清洗，烘干备用。
步骤2：
Ti02纳米涂层在多巴胺溶液中表面原位聚合一层聚多巴胺：
配制浓度为2mg/ml的DA溶液，并将PH调制成8.5溶液，搅拌均匀，随后将微弧氧化Ti02的钛片放入其中，避光，一个小时后，取出材料，用去离子水轻轻冲洗，烘干，备用。
步骤3：
在经过多巴胺处理的Ti02材料上面原位生长铁基金属卟啉有机框架
烧杯量取10ml N，N-二甲基甲酰胺，称取1.35g苯甲酸加入里面，进行磁力搅拌均匀，再称取90mg氯化铁六水，加入其中，进行剧烈搅拌30min，使其均匀混合。最后进行80℃保温2小时，冷却至室温后，加入47mg中-四(4-羧基苯基)卟吩，进行搅拌10min，再进行超声20min，最后再进行搅拌10min，先将经过多巴胺处理的Ti02放入25ml的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，然后将配体溶液也转移至其中，进行80℃保温24小时，反应结束后，冷却至室温，取出材料，用甲醇与乙醇连续漂洗数次，最后进行干燥备用。
步骤4：
将前面处理好的样品材料浸泡到活性因子材料溶液里面进行负载
配置1mg/mL的BMP-2，将步骤3的材料放入其中，进行浸泡负载12小时，最后拿出备用。
实施例2：
步骤1：
在待处理医用钛或钛合金样品表面制备Ti02纳米孔涂层；
101：将
Figure BDA0002521578830000041
的钛丝切成1.75cm的钛棒，然后用丙酮，乙醇，去离子水，在超声机器里面分别超声清洗。接着进行酸处理。酸处理浓度为(4％HF，44％HNO3)，然后放入去离子水中超声清洗处理，最后烘干备用。
102：微弧氧化Ti02，在可编程的高精度的恒压DC电源中，石墨作为阴极，Ti棒作为阳极，进行电压150V，电流2.5A，硫酸的浓度为1mM，微弧氧化时间为1min，完成后置入酒精，去离子水水中进行超声清洗，烘干备用。
步骤2：
Ti02纳米涂层在多巴胺溶液中表面原位聚合一层聚多巴胺；
配制浓度为2mg/ml的DA溶液，并将PH调制成8.5溶液，搅拌均匀，随后将微弧氧化Ti02钛棒放入其中，避光，一个小时后，取出材料，用去离子水轻轻冲洗，烘干，备用。
步骤3：
在经过多巴胺处理的Ti02材料上面原位生长金属卟啉有机框架
烧杯量取10ml N，N-二甲基甲酰胺，称取1.35g苯甲酸加入里面，进行磁力搅拌均匀，再称取90mg氯化铁六水，加入其中，进行剧烈搅拌30min，使其均匀混合。最后进行80℃保温2小时，冷却至室温后，加入47mg中-四(4-羧基苯基)卟吩，进行搅拌10min，再进行超声20min，最后再进行搅拌10min，先将经过多巴胺处理的Ti02棒放入25ml的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，然后将配体溶液也转移至其中，进行80℃保温24小时，反应结束后，冷却至室温，取出材料，用甲醇与乙醇连续漂洗数次，最后进行干燥备用。
步骤4：
将步骤3的材料浸泡到骨修复材料溶液里面进行负载。
配置1mg/mL的BMP-2，将步骤3的钛棒材料放入其中，进行浸泡负载12小时，最后拿出备用。
实施例3：
与步骤实例1基本相同，修改部分为101步骤的进行电压150V改为130V，电流2.5A改为5A，硫酸的浓度1mM改为2mM，步骤3的温度80℃改为100℃。
实施例4：
与步骤实例2基本相同，修改部分为101步骤的电流2.5A改为5A，102步骤中的浓度1mM改为2mM，步骤3的温度80℃改为100℃。
实施例5：
与步骤实例1基本相同，修改部分为其中90mg氯化铁六水改为120mg，1.35g苯甲酸改为1.0g苯甲酸，47mg中-四(4-羧基苯基)卟吩改为57mg。
以上所述,仅是本发明的实际实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明上述实施例，所作的任何简单修改、变更以及等效变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：预处理后的医用钛或钛合金样品表面通过微弧氧化技术制备Ti02纳米涂层；
步骤2：Ti02纳米涂层在多巴胺溶液中表面原位聚合一层聚多巴胺；
步骤3：利用水热反应在经多巴胺处理的Ti02材料上面原位生长金属卟啉有机框架；
步骤4：将步骤3的样品材料浸泡于骨活性因子材料溶液中进行负载。
2.根据权利要求1所述的一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法，其特征在于，所述步骤1中医用钛或钛合金样品的预处理为：
将钛或者钛合金切割成需要的形状，然后用砂纸打磨进行抛光处理，直至表面光滑，然后用丙酮，乙醇，去离子水，超声清洗，最后进行混合酸处理，再次去离子水超声处理，最后烘干备用；上述混合酸组成为4％HF以及44％HNO3；
所述步骤1中通过微弧氧化技术制备Ti02纳米涂层具体为：
在可编程的高精度的恒压DC电源中，石墨作为阴极，Ti片作为阳极，打磨Ti片光滑的一面与石墨形成对照，在电压100～300V，电流1.0～9.0A，硫酸作为电解质，浓度为0.8～5mM条件下，微弧氧化时间为0.5～5min，结束后去离子水中进行超声清洗，烘干备用；
所述步骤2具体为：
将步骤1制备好的样本置入浓度为0.5～5mg/ml的DA溶液，并将PH调制成8.5～13，进行表面原位聚合一层多巴胺处理；避光，1～12小时后，取出材料，用去离子水轻轻冲洗，烘干，备用；
所述步骤3中的金属卟啉有机框架的金属是六水氯化铁，配体是苯甲酸，以及中-四(4-羧基苯基)卟吩，金属离子包含铁，铜，锌，钴，锰，锆中的任何一种；
所述步骤4中的骨活性因子是骨形态发生蛋白是BMP-2、BMP-4、BMP-6、BMP-7、BMP-9中的任何一种。
3.根据权利要求1所述的一种具有二氧化钛金属卟啉涂层的医用植入材料制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
将步骤2制备的样本材料，放入金属卟啉MOF纳米颗粒的合成前驱体体系中，在高压反应釜聚四氟乙烯内胆中水热反应一段时间，最后得到最终产物；
上述金属卟啉MOF纳米颗粒的合成前驱体体系制备步骤：量取5～45ml N，N-二甲基甲酰胺，称取0.5～2g苯甲酸加入容器里面，进行磁力搅拌均匀，然后再称取40～400mg六水氯化铁，加入其中，进行剧烈搅拌5～50min，使其均匀混合，最后进行80℃～150℃保温1～4小时，冷却至室温后，加入30～100mg中-四(4-羧基苯基)卟吩，进行搅拌5～30min，再进行超声5～30min，最后进行搅拌5～30min，然后将溶液转移至高压反应釜聚四氟乙烯内胆中，进行80℃～150℃保温16～36小时；
所述步骤4具体为：
配置好浓度为0.5～5mg/mL的BMP-2，将步骤3的产物放入其中，泡2～24小时，最后拿出备用。
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