CN111803231A - 一种仿生微/纳米抗菌结构及其制造方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种仿生微/纳米抗菌结构及其制造方法与应用，所述仿生微/纳米抗菌结构应用于口腔种植体，包括：种植体基台；设置于所述种植体基台上并与所述种植体基台紧密结合为一体的微/纳米突刺。本发明将具有抗菌功能的微/纳米突刺结构应用于种植体基台表面，使种植体基台具有很好的抗菌性能，能够持久地抑制种植体周围的细菌，消除或减缓种植体周围炎，且对人体无害。

Description

一种仿生微/纳米抗菌结构及其制造方法与应用
技术领域
本发明属于仿生医学技术领域，尤其涉及一种仿生微/纳米抗菌结构及其制造方法与应用。
背景技术
随着口腔种植修复学的发展和进步，种植修复逐步取代活动修复技术，成为人们治疗牙列缺损或缺失病例的首选。然而，在病例数量迅猛增长的同时，种植修复的许多并发症也逐渐暴露。其中，最为突出的当属“种植体周围炎”，这一并发症可直接导致整个种植手术的失败。科学家们探究发现，造成种植体周围炎的主要原因是在种植体植入后，侵入的细菌于种植体基台表面和种植体-骨界面积聚形成生物膜，进而引起炎症反应。最新报告显示，种植体周围炎发生率约为28％～56％，种植术后5～10年种植体周围炎发病率约为10％～20％。
应对种植体周围炎，临床上主要有两种方法，一种方法为口服抗生素，此种方法作用时间短，易产生抗药性，且口腔黏膜作为循环的末枝药效较低；另一种方法为在种植体表面做涂层改性，从载体中释放银纳米粒子进行抗菌，但银纳米粒子会进入人体器官，导致不可逆氧化应激、细胞或器官损伤、哮喘甚至癌症。
因此，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种仿生微/纳米抗菌结构及其制造方法与应用，旨在解决现阶段抑制种植体周围炎的方法中口服抗生素易产生抗药性、药效低；利用银粒子抗菌易导致不可逆性氧化应激、细胞或器官损伤、哮喘甚至癌症等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种仿生微/纳米抗菌结构，其中，应用于口腔种植体，包括：种植体基台；设置于所述种植体基台上并与所述种植体基台紧密结合为一体的微/纳米突刺。
所述的仿生微/纳米抗菌结构，其中，所述微/纳米突刺基于蝉的翅膀表面结构特征仿生设计。
所述的仿生微/纳米抗菌结构，其中，所述微/纳米突刺基于壁虎皮肤表面结构特征仿生设计。
所述的仿生微/纳米抗菌结构，其中，所述种植体基台为钛种植体基台，所述微/纳米突刺为氧化钛微/纳米突刺。
所述的仿生微/纳米抗菌结构，其中，所述微/纳米突刺通过以多聚纳米球薄膜层为光阻剂，对所述种植体基台进行等离子刻蚀和真空喷镀得到。
所述的仿生微/纳米抗菌结构，其中，所述微/纳米突刺通过对所述种植体基台进行电化学刻蚀得到。
所述的仿生微/纳米抗菌结构，其中，所述刻蚀时间为2h。
一种所述的仿生微/纳米抗菌结构的制造方法，其中，包括步骤：
将所述种植体基台抛光并清洗后，在所述种植体基台表面涂覆单层多聚纳米球薄膜层；
通过等离子刻蚀和真空喷镀技术在所述种植体基台表面形成微/纳米突刺；
使用有机溶剂去除所述多聚纳米球薄膜层，得到所述仿生微/纳米抗菌结构。
一种所述的仿生微/纳米抗菌结构的制造方法，其中，包括步骤：
用砂纸机械抛光所述种植体基台，得到抛光后的种植体基台；
在10V电压下，以抛光后的所述种植体基台为阳极，碳棒为阴极，在温度为80℃以及浓度为30％的H2O2溶液中对抛光后的所述种植体基台进行电化学刻蚀，得到表面有微/纳米突刺的种植体基台；
对所述表面有微/纳米突刺的种植体基台进行加热及退火处理，得到所述仿生微/纳米抗菌结构。
一种所述的仿生微/纳米抗菌结构在口腔种植体上的应用。
有益效果，本发明提供了一种仿生微/纳米抗菌结构及其制造方法与应用，结构包括：种植体基台；设置于所述种植体基台上并与所述种植体基台紧密结合为一体的微/纳米突刺。本发明通过将具有抗菌功能的微/纳米突刺结构应用于种植体基台表面，使种植体基台具有很好的抗菌性能，能够持久地抑制种植体周围的细菌，消除或减缓种植体周围炎，不会对人体造成损伤。
附图说明
图1是附着有细菌的蝉翅膀表面的扫描电子显微镜图；
图2中A和B分别为附着牙龈卟啉单胞菌3天和7天后的壁虎皮肤表面的扫描电子显微镜图；
图3中a和b分别为奋森氏梭杆菌在抛光后的种植体基台表面孵育1h后的扫描电子显微镜图和激光共聚焦显微镜图；c和d分别为奋森氏梭杆菌在电化学刻蚀2h后的种植体基台表面孵育1h后的扫描电子显微镜图和激光共聚焦显微镜图；e和f分别为奋森氏梭杆菌在电化学刻蚀3h后的种植体基台表面孵育1h后的扫描电子显微镜图和激光共聚焦显微镜图；
图4是本发明实施例二中提供的一种仿生微/纳米抗菌结构的制造方法的流程示意图；
图5是本发明实施例三中提供的一种仿生微/纳米抗菌结构的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
种植体基台是锚固于骨内的种植体平台上，用于链接、支持和固位口腔种植体的基台，也称为穿黏膜基台。科学家们发现在种植体植入口腔后，侵入的细菌于种植体基台表面和种植体-骨界面积聚形成生物膜，造成种植体周围炎。应对种植体周围炎，现阶段临床上主要有两种方法，一种方法为口服抗生素，此种方法作用时间短，易产生抗药性，且口腔黏膜作为循环的末枝药效较低；另一种方法为在种植体表面做涂层改性，从载体中释放银纳米粒子进行抗菌，但银纳米粒子会进入人体器官，导致不可逆氧化应激、细胞或器官损伤、哮喘甚至癌症。为解决现有技术中的上述问题，本发明实施例一中提供了一种仿生微/纳米抗菌结构，所述仿生微/纳米抗菌结构应用于口腔种植体基台，包括：种植体基台；设置于所述种植体基台上并与所述种植体基台紧密结合为一体的氧化钛微/纳米突起状氧化钛。本实施例中将具有抗菌功能的微/纳米突刺结构应用于种植体基台表面，使种植体基台具有很好的抗菌性能，能够持久地抑制种植体周围的细菌，消除或减缓种植体周围炎，不会对人体造成损伤。
在一具体实施方式中，所述微/纳米突刺基于蝉的翅膀表面结构特征仿生设计。如图1所示为附着有细菌的蝉翅膀表面的扫描电子显微镜图，研究表明，蝉翅膀表面具有微/纳米级别的突刺结构，这种突刺结构可以影响细菌的附着，进而减弱细菌繁殖。受蝉翅膀表面突刺结构的启发，本实施例中在种植体基台表面形成与所述种植体基台紧密结合为一体的微/纳米突刺，种植体基台表面的微/纳米突刺能够抑制种植体周围的细菌，消除或减缓种植体周围炎。
在一具体实施方式中，所述微/纳米突刺基于壁虎皮肤表面结构特征仿生设计。如图2所示为附着牙龈卟啉单胞菌3天和7天后的壁虎皮肤表面的扫描电子显微镜图，由图2可以看出，附着牙龈卟啉单胞菌7天后的壁虎皮肤表面的细菌浓度明显低于附着牙龈卟啉单胞菌3天后的壁虎皮肤表面的细菌浓度。这主要是由于壁虎皮肤表面具有微/纳米级别的突刺结构，这种突刺结构可以影响细菌的附着，进而减弱细菌繁殖。受壁虎皮肤表面突刺结构的启发，本实施例中在种植体基台表面形成与所述种植体基台紧密结合为一体的微/纳米突刺，种植体基台表面的微/纳米突刺能够抑制种植体周围的细菌，消除或减缓种植体周围炎。
具体实施时，所述种植体基台为钛种植体基台，所述微/纳米突刺为氧化钛微/纳米突刺，钛及钛合金作为种植体基台具有优良的生物相容性、机械性能、较低的弹性模量等优点。
在一具体实施方式中，所述微/纳米突刺通过以多聚纳米球薄膜层为光阻剂，对所述种植体基台进行等离子刻蚀和真空喷镀得到。具体地，将种植体基台抛光并清洁后，在其表面涂上单层多聚纳米球薄膜层作为光阻剂，通过等离子体刻蚀和真空喷镀技术，在种植体基台表面形成微/纳米突刺，最后用有机溶剂将多聚薄膜层去除干净。通过采用不同直径的多聚纳米球以及调整刻蚀时间等参数，可以在种植体基台表面得到不同直径、形态一致，排列规则的微/纳米突刺结构。
在一具体实施方式中，所述微/纳米突刺通过对所述种植体基台进行电化学刻蚀得到。具体地，用砂纸机械抛光牙科级别的种植体基台(CP2级或更高级别)以降低种植体基台表面粗糙度。然后在10V电压下，以抛光后的种植体基台为阳极，碳棒为阴极，在温度为80℃以及浓度为30％的H2O2溶液中对抛光后的所述种植体基台进行电化学刻蚀，从而在种植体基台表面形成微/纳米突刺。最后对表面形成有微/纳米突刺的种植体基台进行加热处理，以去除多余的溶剂，并通过热退火控制微/纳米突刺结构的晶相。与干刻蚀法相比，H2O2电化学刻蚀法可以更简便、更低成本的在大面积平面及非平面种植体基台表面制备不规则、非周期性排列的微/纳米突刺结构，且微/纳米突刺结构的尺寸和锐度可通过化学添加剂、施加压力、蚀刻时间和温度控制。与传统的H2O2氧化方法相比，微/纳米突刺结构更锐利，并且结构的间距可调整。
具体实施时，牙龈卟啉单胞菌(P.gingivalis)和奋森氏梭杆菌(F.nucleatum)是口腔环境中引起牙周炎及种植体周围炎的两种主要病菌。植入口腔种植体后，这些细菌将与骨细胞竞争附着于种植体表面，并有可能附着于种植体基台，引起炎症反应，导致最终种植体与骨结合失败。为了研究不同电化学刻蚀时间得到的微/纳米突刺的形貌及抗菌性能，本实施例中用砂纸机械抛光种植体基台后，使用上述所述的电化学刻蚀法对抛光后的种植体基台分别刻蚀2h和3h后得到仿生微/纳米抗菌结构A和仿生微/纳米抗菌结构B。然后将奋森氏梭杆菌分别在上述抛光后的种植体基台、仿生微/纳米抗菌结构A以及仿生微/纳米抗菌结构B表面孵育1h后，进行扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(CLSM)检测，得到扫描电子显微镜图和激光共聚焦显微镜图，其中激光共聚焦显微镜图中的荧光代表细菌浓度。如图3所示。其中，图3中a和b为奋森氏梭杆菌在抛光后的种植体基台表面孵育1h后的扫描电子显微镜图和激光共聚焦显微镜图；c和d为奋森氏梭杆菌在电化学刻蚀2h后的种植体基台表面孵育1h后的扫描电子显微镜图和激光共聚焦显微镜图；e和f为奋森氏梭杆菌在电化学刻蚀2h后的种植体基台表面孵育1h后的扫描电子显微镜图和激光共聚焦显微镜图。由图3中的扫描电子显微镜图可以看出，抛光后的种植体基台表面平坦，刻蚀2h和3h后表面形成了微/纳米突刺结构。由图3中的激光共聚焦显微镜图可以看出，孵育1h后，奋森氏梭杆菌在种植体基台表面的浓度最高，在电化学刻蚀2h后的种植体基台表面的浓度最低，这主要是由于电化学刻蚀2h后的种植体基台和电化学刻蚀2h后的种植体基台表面的微/纳米突刺可以影响奋森氏梭杆菌的附着及抑制奋森氏梭杆菌的繁殖。而电化学刻蚀2h后的种植体基台表面的奋森氏梭杆菌浓度低于电化学刻蚀3h后的种植体基台表面的奋森氏梭杆菌浓度，主要是由于对抛光后的种植体基台刻蚀3h造成种植体基台表面过度刻蚀，破坏了种植体基台表面的微/纳米突刺结构，降低了仿生微/纳米抗菌结构的抗菌性能。
本发明实施例二中提供了一种上述所述的仿生微/纳米抗菌结构的制造方法，所述方法用于在种植体基台表面制造微/纳米突刺，包括步骤：
S100、将所述种植体基台抛光并清洗后，在所述种植体基台表面涂覆单层多聚纳米球薄膜层；
S200、通过等离子刻蚀和真空喷镀技术在所述种植体基台表面形成微/纳米突刺；
S300、使用有机溶剂去除所述多聚纳米球薄膜层，得到所述仿生微/纳米抗菌结构。
具体实施时，为了制造上述所述的仿生微/纳米抗菌结构，如图4所示，本实施例中使用干刻蚀法，首先对钛金属种植体基台抛光并清洗；然后在抛光后的钛金属种植体基台表面涂覆单层多聚纳米球薄膜层作为光阻剂，并通过氧等离子刻蚀和钛/氧化钛真空喷镀技术，在钛金属种植体基台表面形成微/纳米突刺；最后用有机溶剂去除多聚纳米球薄膜层，得到本发明所述的仿生微/纳米抗菌结构。本实施例中所述的仿生微/纳米抗菌结构的制造方法，通过采用不同直径的多聚物以及调整刻蚀时间等参数，在钛金属种植体基台表面可以制备出不同直径、形态一致、排列规则的微/纳米突刺。
本发明实施例三中提供了一种上述所述的仿生微/纳米抗菌结构的制造方法，所述方法用于在种植体基台表面制造微/纳米突刺，包括步骤：
M100、用砂纸机械抛光所述种植体基台，得到抛光后的种植体基台；
M200、在10V电压下，以抛光后的所述种植体基台为阳极，碳棒为阴极，在温度为80℃以及浓度为30％的H2O2溶液中对抛光后的所述种植体基台进行电化学刻蚀，得到表面有微/纳米突刺的种植体基台；
M300、对所述表面有微/纳米突刺的种植体基台进行加热及退火处理，得到所述仿生微/纳米抗菌结构。
具体实施时，为了制造上述所述的仿生微/纳米抗菌结构，如图5所示，本实施例中使用湿刻蚀法，首先用砂纸机械抛光牙科级别的钛金属种植体基台(CP2级或更高级别)，以降低微米级钛金属种植体基台表面粗糙度；然后以抛光后的钛金属种植体基台为阳极，碳棒为阴极，在温度为80℃以及浓度为30％的H2O2溶液中对抛光后的所述钛金属种植体基台进行电化学刻蚀，在钛金属种植体基台表面制造微/纳米突刺结构；最后将钛金属种植体基台加热到不同温度，以去除多余溶剂，并通过热退火控制微/纳米突刺结构晶相。本实施例中所述的仿生微/纳米抗菌结构的制造方法，相比于干刻蚀法，微/纳米突刺的尺寸和锐度可通过化学添加剂、施加电压、刻蚀时间以及温度进行调节。与传统的H2O2氧化法方法相比，微/纳米突刺结构更锐利，并且结构的间距可调整。
本发明实施例四中提供了一种上述所述的仿生微/纳米抗菌结构在口腔种植体上的应用，通过将具有抗菌功能的微/纳米突刺结构应用于种植体基台表面上，使种植体基台具有很好的抗菌性能，能够持久地抑制种植体周围的细菌，消除或减缓种植体周围炎，不会对人体造成损伤。
综上所述，本发明提供了一种仿生微/纳米抗菌结构及其制造方法与应用，所述仿生微/纳米抗菌结构应用于口腔种植体，包括：种植体基台；设置于所述种植体基台上并与所述种植体基台紧密结合为一体的微/纳米突刺。本发明将具有抗菌功能的微/纳米突刺结构应用于种植体基台表面，使种植体基台具有很好的抗菌性能，能够持久地抑制种植体周围的细菌，消除或减缓种植体周围炎，不会对人体造成损伤。
应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生微/纳米抗菌结构，其特征在于，应用于口腔种植体，包括：种植体基台；设置于所述种植体基台上并与所述种植体基台紧密结合为一体的微/纳米突刺。
2.根据权利要求1所述的仿生微/纳米抗菌结构，其特征在于，所述微/纳米突刺基于蝉的翅膀表面结构特征仿生设计。
3.根据权利要求1所述的仿生微/纳米抗菌结构，其特征在于，所述微/纳米突刺基于壁虎皮肤表面结构特征仿生设计。
4.根据权利要求1所述的仿生微/纳米抗菌结构，其特征在于，所述种植体基台为钛种植体基台，所述微/纳米突刺为氧化钛微/纳米突刺。
5.根据权利要求4所述的仿生微/纳米抗菌结构，其特征在于，所述微/纳米突刺通过以多聚纳米球薄膜层为光阻剂，对所述种植体基台进行等离子刻蚀和真空喷镀得到。
6.根据权利要求4所述的仿生微/纳米抗菌结构，其特征在于，所述微/纳米突刺通过对所述种植体基台进行电化学刻蚀得到。
7.根据权利要求6所述的仿生微/纳米抗菌结构，其特征在于，所述刻蚀时间为2h。
8.一种如权利要求1所述的仿生微/纳米抗菌结构的制造方法，其特征在于，包括步骤：
将所述种植体基台抛光并清洗后，在所述种植体基台表面涂覆单层多聚纳米球薄膜层；
通过等离子刻蚀和真空喷镀技术在所述种植体基台表面形成微/纳米突刺；
使用有机溶剂去除所述多聚纳米球薄膜层，得到所述仿生微/纳米抗菌结构。
9.一种如权利要求1所述的仿生微/纳米抗菌结构的制造方法，其特征在于，包括步骤：
用砂纸机械抛光所述种植体基台，得到抛光后的种植体基台；
在10V电压下，以抛光后的所述种植体基台为阳极，碳棒为阴极，在温度为80℃以及浓度为30％的H2O2溶液中对抛光后的所述种植体基台进行电化学刻蚀，得到表面有微/纳米突刺的种植体基台；
对所述表面有微/纳米突刺的种植体基台进行加热及退火处理，得到所述仿生微/纳米抗菌结构。
10.一种如权利要求1～7任一项所述的仿生微/纳米抗菌结构在口腔种植体上的应用。
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