CN112663057B - 一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法 - Google Patents

一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，将微弧氧化处理的钛试样浸泡于碱性溶液进行水热处理，在微弧氧化钛表面形成羟基磷灰石生物活性涂层；将铝制模板放在培养皿中，然后加入PDMS的预聚体和固化剂混合物，固化，得到PDMS模板；向壳聚糖水溶液和海藻酸钠水溶液混合中加入药物，得到载药水凝胶溶液，向载药水凝胶溶液中，加入光引发剂，然后滴在模板上，将试样放在PDMS模板上，在紫外光下固化，冷冻干燥即可。该方法通过微弧氧化和水热处理生成多孔结构和纳米棒状的复合涂层，改善植入物与骨的结合强度和生物活性。通过PDMS模板将载药的复合水凝胶负载在微弧氧化钛表面，赋予植入物涂层更多的生物功能。

Description

一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制 备方法
技术领域
本发明涉及一种金属表面改性技术领域，具体涉及一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法。
背景技术
钛及钛合金作为生物相容性良好的金属材料，在医用种植体领域有广泛的应用。但其与骨组织的结合较差，弹性模量与骨组织不匹配。并且其生物惰性限制了它的发展和应用。微弧氧化可以形成微观多孔结构的氧化层，改善植入物与骨组织的结合。羟基磷灰石成分与骨组织类似，有良好的骨诱导能力和生物活性。壳聚糖具有良好的生物相容性，生物降解性和抗菌性，常被用作医用敷料和药物缓释载体，但其力学性能较差。海藻酸钠是一种良好的生物活性材料，其水凝胶具有一定强度，且韧性较好。将海藻酸钠与壳聚糖溶液混合制备成复合水凝胶可以改善壳聚糖的力学性能，且赋予凝胶更多的生物功能。使用不同的PDMS模板将水凝胶负载在微弧氧化钛基体上，可以实现复合水凝胶的图案化区域负载，提高植入物的抗菌性和生物活性。现有技术不能增强钛植入物与骨的结合，且植入物表面生物活性较差。不能制备力学性能可控的壳聚糖水凝胶，且不能实现凝胶的可控区域化负载。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，该方法通过微弧氧化和水热处理生成多孔结构和纳米棒状的复合涂层，改善植入物与骨的结合强度和生物活性。通过PDMS模板将载药的复合水凝胶负载在微弧氧化钛表面，赋予植入物涂层更多的生物功能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
1）将锂盐、钙盐、锡盐、镁盐、钾盐和钠盐中的一种或多种溶于水中形成电解液，以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，将钛试样浸没于电解液中进行微弧氧化，在钛试样表面形成微弧氧化涂层；
2）将经步骤1）微弧氧化处理的钛试样浸泡于碱性溶液进行水热处理，在微弧氧化钛表面形成羟基磷灰石生物活性涂层；
3）将铝制模板放在培养皿中，然后加入PDMS的预聚体和固化剂混合物，固化，得到PDMS模板；
4）将壳聚糖水溶液和海藻酸钠水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入药物，得到载药水凝胶溶液，向载药水凝胶溶液中加入光引发剂，然后滴在模板上，将试样放在PDMS模板上，在紫外光下固化，冷冻干燥，在微弧氧化钛表面形成微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。
本发明进一步的改进在于，步骤1）中，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压250~550V，负压0~100V，微弧氧化脉冲频率为200~800Hz，占空比为6%~30%，微弧氧化时间为5~15mim。
本发明进一步的改进在于，钛试样为TA2、TA3、TA4工业纯钛或TC4钛合金；锂盐为磷酸锂、硅酸锂或硫酸锂，钙盐为磷酸二氢钙，锡盐为硫酸亚锡或焦磷酸亚锡，镁盐为硫酸镁，钾盐为硅酸钾、磷酸二氢钾或硫酸钾，钠盐为EDTA二钠、硫酸钠、磷酸三钠或硅酸钠。
本发明进一步的改进在于，步骤1）中，将钛试样置于0~40℃的电解液当中进行微弧氧化；电解液中锂盐、钙盐、锡盐、镁盐、钾盐或钠盐的浓度为1~15g/L。
本发明进一步的改进在于，步骤2）中，碱性溶液为浓度为0.01~0.1mol/L的NaOH溶液。
本发明进一步的改进在于，步骤2）中，水热处理的温度为80~120℃，时间为8~24h。
本发明进一步的改进在于，步骤3）中，铝制模板上开设有若干孔，孔径为0.2-2mm，孔深为0.2-2mm，孔的形状为方形、圆形、三角形或星形。
本发明进一步的改进在于，步骤4）中，壳聚糖水溶液通过以下过程制得：将壳聚糖溶于水中，逐滴加入甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8-10，搅拌均匀，得到壳聚糖水溶液；壳聚糖水溶液中壳聚糖浓度为10~20g/L，甲基丙烯酸酐的加入量为壳聚糖物质的量的2~20倍。
本发明进一步的改进在于，步骤4）中，海藻酸钠水溶液通过以下过程制得：将海藻酸钠溶于水中，然后逐滴加入甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8-10，搅拌均匀，得到海藻酸钠水溶液；海藻酸钠水溶液中海藻酸钠浓度为10~20g/L，甲基丙烯酸酐的加入量为海藻酸物质的量的2~20倍。
本发明进一步的改进在于，步骤4）中，壳聚糖和海藻酸钠的质量比为1:10~10:1；固化时间为1-10min；光引发剂的加入量为载药水凝胶溶液体积的0.05-0.2%；光引发剂的型号为I2959；药物为利福平、甲磺酸帕珠沙星或姜黄素；载药水凝胶溶液中药物浓度为1~25μg/mL，紫外光通过100W紫外光灯照射实现，紫外强度为4800μW/cm2。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明通过微弧氧化处理，在钛表面形成了微观多孔结构的氧化层，新骨可以朝向孔洞生长，改善了植入物与骨的结合强度。
（2）本发明采用水热法在微观多孔结构的微弧氧化钛涂层表面生长羟基磷灰石纳米棒涂层，形成具有生物活性的陶瓷涂层。
（3）本发明通过制备不同孔径和孔深的PDMS模板，实现了微弧氧化钛表面图案和高度可控的复合微凝胶涂层。
（4）本发明制备的壳聚糖和海藻酸钠复合水凝胶具有性能可控的优点，海藻酸钠有良好的塑韧性，加入海藻酸钠可以改善壳聚糖水凝胶的脆性，优化凝胶的力学性能。控制两种溶液的混合比例可以调控水凝胶的力学性能，最高可以使壳聚糖的断裂强度从2MPa提升至6MPa。同时使复合水凝胶兼具壳聚糖的抗菌性和海藻酸钠的生物活性。该涂层具备良好的磷灰石诱导能力，在模拟体液中浸泡两天后可以诱导生成羟基磷灰石。该水凝胶载药后负载在种植体表面或内部，有望在抗菌敷料和药物控释领域获得广泛的应用。
附图说明
图1是本发明制备的微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层结构示意图。
图2是图1中涂层的俯视图。
图3是本发明制得的用来控制水凝胶图案化负载的PDMS模板。其中，（a）为孔径0.2mm，孔深0.2mm的模板，（b）为孔径1mm，孔深0.8mm的模板。
图4是本发明制得的微弧氧化涂层的表面形貌。
图5是本发明制得的羟基磷灰石涂层的表面形貌。
图6是本发明制得的微弧氧化钛表面复合水凝胶涂层的表面形貌。
图中，1为钛基体，2为微弧氧化涂层，3为羟基磷灰石纳米棒，4为所制备的区域化负载微凝胶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
1）将锂盐、钙盐、锡盐、镁盐、钾盐和钠盐中的一种或多种溶于水中形成电解液，以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，将钛试样浸没于电解液中进行微弧氧化，在钛试样表面形成微弧氧化涂层；其中，锂盐为磷酸锂、硅酸锂或硫酸锂，钙盐为磷酸二氢钙，锡盐为硫酸亚锡或焦磷酸亚锡，镁盐为硫酸镁，钾盐为硅酸钾、磷酸二氢钾或硫酸钾，钠盐为EDTA二钠、硫酸钠、磷酸三钠或硅酸钠。
2）将经步骤1）微弧氧化处理的钛试样浸泡于碱性溶液进行水热处理，在微弧氧化钛表面形成羟基磷灰石生物活性涂层；
3）将铝制模板放在培养皿中，然后加入质量比10:1的PDMS（聚二甲基硅氧烷）的预聚体和固化剂以10:1的质量比混合均匀后倒入培养皿，在70-100℃固化后脱模，得到PDMS模板；
4）载药水凝胶的制备：将壳聚糖水溶液和海藻酸钠水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入药物，得到药物浓度为1~25μg/mL的载药水凝胶溶液，向载药水凝胶溶液中，加入光引发剂，然后滴在模板上，将试样放在PDMS模板上，在100W紫外光灯(紫外强度4800μW/cm2)下固化，冷冻干燥，在微弧氧化钛表面形成微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。
步骤1）中，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压250~550V，负压0~100V，微弧氧化脉冲频率为200~800Hz，占空比为6%~30%，微弧氧化时间为5~15mim。
步骤1）中，钛试样为TA2、TA3、TA4工业纯钛或TC4钛合金。
步骤1）中，钛试样置于0~40℃的电解液当中进行微弧氧化。
步骤1）中，电解液中每种含有生物活性元素的化合物的浓度为1~30g/L。
优选的，步骤1）中，当加入EDTA二钠、Ca(H2PO4)2和NaOH时，电解液中EDTA二钠的浓度为5~30g/L，Ca(H2PO4)2的浓度为5~30g/L，NaOH的浓度为1~15g/L。
步骤2）中，碱性溶液为浓度为0.01~0.1mol/L的NaOH溶液。
步骤2）中，水热处理的温度为80~120℃，时间为8~24h。
步骤3）中，铝制模板上开设有若干孔，孔径为0.2-2mm，孔深为0.2-2mm，孔的形状为方形、圆形、三角形或星形。
步骤4）中，壳聚糖水溶液通过以下过程制得：将壳聚糖溶于水中，逐滴加入甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8-10，搅拌均匀，得到壳聚糖水溶液；壳聚糖水溶液中壳聚糖浓度为10~20g/L，甲基丙烯酸酐的加入量为壳聚糖物质的量的2~20倍。
步骤4）中，海藻酸钠水溶液通过以下过程制得：将海藻酸钠溶于水中，逐滴加入甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8-10，搅拌均匀，得到海藻酸钠水溶液；海藻酸钠水溶液中海藻酸钠浓度为10~20g/L，甲基丙烯酸酐的加入量为海藻酸物质的量的2~20倍。
步骤4）中，壳聚糖和海藻酸钠的质量比为1:10~10:1；固化时间为1-10min；
步骤4）中，光引发剂的加入量为载药水凝胶溶液体积的0.05-0.2%；光引发剂的型号为I2959。
步骤4）中，药物为利福平、甲磺酸帕珠沙星或姜黄素，药物浓度为1~25μg/mL。
下面为具体实施例。
实施例1
1）微弧氧化处理：将EDTA二钠，Ca(H2PO4)2和NaOH溶于水中形成电解液，电解液中EDTA二钠的浓度为15g/L，Ca(H2PO4)2的浓度为12g/L，NaOH的浓度为5g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于30℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压250V，负压80V，微弧氧化脉冲频率为400Hz，占空比为10%，微弧氧化时间为5mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TA2工业纯钛。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.05mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在100℃水热处理18h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为10g/L的溶液。逐滴加入壳聚糖物质的量的20倍的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为10g/L的溶液。逐滴加入然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的2倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径0.5mm，孔深0.3mm的方孔型铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:1混合，得到复合水凝胶溶液，向复合水凝胶溶液中加入利福平，药物浓度为5μg/mL。并加入载药水凝胶溶液体积的0.1%的光引发剂，溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯下固化5min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。
图1为本实施例制备的羟基磷灰石/载药水凝胶微弧氧化钛试样结构示意图。下层为钛基体1，中层为微弧氧化涂层2，上层为羟基磷灰石纳米棒3。最上方小圆柱为所制备的区域化负载微凝胶4，俯视图如图2所示，凝胶图案可控。本发明通过使用不同孔径和孔深的PDMS模板，实现了微弧氧化钛表面图案和高度可控的复合微凝胶涂层。
图3中（a）为本实施例使用的PDMS模板。
采用扫描电镜对本实验得到的微弧氧化涂层进行观察，结果如图4所示。涂层表面结构完整，呈现多孔的纳米结构。羟基磷灰石涂层呈纳米棒状规则排列，且分布状态均匀，如图5所示。对微凝胶涂层进行观察，微凝呈规则区域化排列，形状保留完整，如图6所示。测得该水凝胶的断裂强度为4MPa。
实施例2
1）微弧氧化处理：将磷酸锂，硫酸钙和NaOH溶于水中形成电解液，电解液中磷酸锂的浓度为10g/L，硫酸钙的浓度为15g/L，NaOH的浓度为5g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于20℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压500V，负压80V，微弧氧化脉冲频率为500Hz，占空比为20%，微弧氧化时间为7mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TA3工业纯钛。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.01mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在80℃水热处理24h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为15g/L的溶液。逐滴加入壳聚糖物质的量的20倍的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为20g/L的溶液。然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的2倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径1mm，孔深0.5mm的方孔型铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:1混合，得到复合水凝胶溶液，向复合水凝胶溶液中加入利福平，药物浓度为15μg/mL。并加入载药水凝胶溶液体积的0.1%的光引发剂，溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯下固化2min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。测得该水凝胶的断裂强度为6MPa。
图3中（b）为本实施例使用的PDMS模板。
实施例3
1）微弧氧化处理：将焦磷酸亚锡，硅酸钾和NaOH溶于水中形成电解液，电解液中焦磷酸亚锡的浓度为20g/L，硅酸钾的浓度为10g/L，NaOH的浓度为10g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于30℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压550V，负压100V，微弧氧化脉冲频率为800Hz，占空比为6%，微弧氧化时间为10mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TA4工业纯钛。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.1mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在120℃水热处理8h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为10g/L的溶液。逐滴加入壳聚糖物质的量的20倍的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为10g/L的溶液。然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的5倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径0.5mm，孔深0.3mm的圆孔型铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:1混合，得到复合水凝胶溶液，向复合水凝胶溶液中加入姜黄素，药物浓度为15μg/mL。并加入载药水凝胶溶液体积的0.1%的光引发剂，溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯下固化6min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。测得该水凝胶的断裂强度为3MPa。
实施例4
1）微弧氧化处理：将磷酸二氢钾，硫酸锂和EDTA二钠溶于水中形成电解液，电解液中磷酸二氢钾的浓度为15g/L，硫酸锂的浓度为15g/L，EDTA二钠的浓度为5g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于10℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压450V，负压100V，微弧氧化脉冲频率为400Hz，占空比为15%，微弧氧化时间为5mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TA2工业纯钛。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.05mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在150℃水热处理8h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为15g/L的溶液。逐滴加入壳聚糖物质的量的10倍的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为10g/L的溶液。然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的5倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径0.5mm，孔深0.3mm的圆孔型铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:2混合，得到复合水凝胶溶液，向复合水凝胶溶液中加入甲磺酸帕珠沙星，药物浓度为5μg/mL。并加入载药水凝胶溶液体积的0.1%的光引发剂，溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯下固化7min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。测得该水凝胶的断裂强度为3MPa。
实施例5
1）微弧氧化处理：将硫酸镁，Ca(H2PO4)2和硅酸钠溶于水中形成电解液，电解液中硫酸镁的浓度为25g/L，Ca(H2PO4)2的浓度为15g/L，硅酸钠的浓度为15g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于20℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压350V，负压0V，微弧氧化脉冲频率为400Hz，占空比为15%，微弧氧化时间为12mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TC4钛合金。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.05mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在120℃水热处理14h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为20g/L的溶液。逐滴加入壳聚糖物质的量的5倍的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为10g/L的溶液。然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的5倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径0.5mm，孔深0.3mm的三角形孔铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:2混合，得到复合水凝胶溶液，向复合水凝胶溶液中加入康普瑞丁磷酸二钠，药物浓度为5μg/mL。并加入载药水凝胶溶液体积的0.1%的光引发剂，溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯下固化3min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。测得该水凝胶的断裂强度为4MPa。
实施例6
1）微弧氧化处理：将磷酸锂，硫酸亚锡和硫酸钠溶于水中形成电解液，电解液中磷酸锂的浓度为30g/L，硫酸亚锡的浓度为1g/L，硫酸钠的浓度为15g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于30℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压250V，负压80V，微弧氧化脉冲频率为400Hz，占空比为10%，微弧氧化时间为5mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TA2工业纯钛。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.01mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在80℃水热处理24h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为10g/L的溶液。然后逐滴加入壳聚糖物质的量的15倍的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。
将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为10g/L的溶液。然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的2倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。
将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径0.5mm，孔深0.3mm的方孔型铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:1混合，得到复合水凝胶溶液，向复合水凝胶溶液中加入康普瑞丁磷酸二钠，药物浓度为20μg/mL。并加入载药水凝胶溶液体积的0.05%的光引发剂I2959。溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯（功率为100W，紫外强度为4800μW/cm2）下固化5min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。
实施例7
1）微弧氧化处理：将硫酸锂，Ca(H2PO4)2和硅酸钠溶于水中形成电解液，电解液中硫酸锂的浓度为1g/L，Ca(H2PO4)2的浓度为20g/L，硅酸钠的浓度为30g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于30℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压250V，负压80V，微弧氧化脉冲频率为400Hz，占空比为10%，微弧氧化时间为5mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TA3工业纯钛。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.1mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在120℃水热处理8h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为15g/L的溶液。逐滴加入壳聚糖物质的量的7倍的的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为9，充分搅拌得到均一的溶液。
将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为10g/L的溶液。然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的20倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。
将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径0.5mm，孔深0.3mm的方孔型铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:1混合，得到复合水凝胶溶液，向复合水凝胶溶液中加入姜黄素，药物浓度为1μg/mL。并加入载药水凝胶溶液体积的0.2%的光引发剂I2959。溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯下固化5min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。
实施例8
1）微弧氧化处理：将硫酸亚锡，硫酸镁和磷酸三钠溶于水中形成电解液，电解液中硫酸亚锡的浓度为30g/L，硫酸镁的浓度为10g/L，磷酸三钠的浓度为15g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于30℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压250V，负压80V，微弧氧化脉冲频率为400Hz，占空比为10%，微弧氧化时间为5mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TA4工业纯钛。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.03mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在90℃水热处理20h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为20g/L的溶液。逐滴加入壳聚糖物质的量的2倍的的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为10，充分搅拌得到均一的溶液。
将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为10g/L的溶液。然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的10倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。
将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径0.5mm，孔深0.3mm的方孔型铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:1混合，得到复合水凝胶溶液，向复合水凝胶溶液中加入甲磺酸帕珠沙星，药物浓度为25μg/mL。并加入载药水凝胶溶液体积的0.1%的光引发剂I2959。溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯下固化5min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。
实施例9
1）微弧氧化处理：将硅酸钾，磷酸二氢钾和NaOH溶于水中形成电解液，电解液中硅酸钾的浓度为20g/L，磷酸二氢钾的浓度为1g/L，NaOH的浓度为30g/L。以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，不锈钢槽体中加入电解液，将钛试样浸没于30℃的电解液中进行微弧氧化，微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压250V，负压80V，微弧氧化脉冲频率为400Hz，占空比为10%，微弧氧化时间为5mim。得到钛表面的微弧氧化涂层。其中，钛试样为TA2工业纯钛。
2）水热处理：将NaOH加入水中形成碱性溶液，NaOH浓度为0.08mol/L。将溶液注入水热反应釜中，再将步骤1）中的微弧氧化钛试样清洗烘干后浸泡于溶液中，在100℃水热处理18h，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石生物活性涂层。
3）水凝胶溶液的制备：将壳聚糖溶于水中，制备壳聚糖浓度为10g/L的溶液。逐滴加入壳聚糖物质的量的10倍的甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。
将海藻酸钠溶于水中，制备海藻酸钠浓度为10g/L的溶液。然后逐滴加入海藻酸钠物质的量的15倍的甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8，充分搅拌得到均一的溶液。
将得到的两种溶液均使用5-8KD的透析袋透析1~3天，冷冻干燥备用。
4）水凝胶模板的制备：将孔径0.5mm，孔深0.3mm的方孔型铝制模板图案朝上放在培养皿中，将PDMS的主剂与硬化剂以10:1比例混合均匀后倒入培养皿，高度没过模板，真空抽气去除内部气泡后放在烘箱中使其高温固化后取出脱模，即得到PDMS模板。
5）载药水凝胶的制备：将壳聚糖和海藻酸钠溶液以1:1混合，得到复合水凝胶溶液。向复合水凝胶溶液中加入康普瑞丁磷酸二钠，药物浓度为10μg/mL。，并加入载药水凝胶溶液体积的0.2%的光引发剂I2959。溶液混匀后涂抹在PDMS模板上，将水热处理后的试样放在模板上，在紫外光灯下固化5min。
将固化好的样品放在液氮中速冻定型，冷冻干燥后脱模，即在微弧氧化钛表面得到羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层。
本发明对钛试样进行微弧氧化，生成微观多孔结构的氧化层，用以改善植入物与骨组织的结合。采用水热法在微观多孔结构的微弧氧化钛涂层表面生长羟基磷灰石纳米棒涂层，形成具有生物活性的陶瓷涂层。将壳聚糖和海藻酸钠溶液通过甲基丙烯酸酐改性后混合，加入所需药物，通过紫外光固化的方法制备性能优化的水凝胶。该复合水凝胶兼具壳聚糖的抗菌性和海藻酸钠的生物活性，具备良好的磷灰石诱导能力，在模拟体液中浸泡两天后可以诱导生成羟基磷灰石，且具有药物缓释效果。负载在种植体表面或内部，有望在抗菌敷料和药物控释领域获得广泛的应用。
本发明得到的微弧氧化复合水凝胶涂层具有如下特征：涂层为复合涂层，内层为氧化层，呈微观多孔结构，中间是磷灰石层，羟基磷灰石以纳米棒状均匀排列。外层为凝胶层，呈图案化排布。氧化层提高了植入物与骨组织的结合，磷灰石层提高了试样的骨诱导能力，凝胶层提高了植入物的抗菌性和生物活性。使用不同孔径和孔深的PDMS模板，实现了微弧氧化钛表面图案和高度可控的复合微凝胶区域化负载涂层。
本发明通过制备不同孔径和孔深的PDMS模板，实现了微弧氧化钛表面图案和高度可控的复合微凝胶涂层。水凝胶的图案化区域负载，既保留了微弧氧化涂层原本结构和性能，又赋予植入物良好的抗菌性和药物控释能力。

Claims (8)

1.一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将锂盐、钙盐、锡盐、镁盐、钾盐和钠盐中的一种或多种溶于水中形成电解液，以钛试样为阳极，以不锈钢槽体为阴极，将钛试样浸没于电解液中进行微弧氧化，在钛试样表面形成微弧氧化涂层；微弧氧化参数如下：氧化采用脉冲电压，正压250~550V，负压0~100V，微弧氧化脉冲频率为200~800Hz，占空比为6%~30%，微弧氧化时间为5~15mim；
2）将经步骤1）微弧氧化处理的钛试样浸泡于碱性溶液进行水热处理，在微弧氧化钛表面形成羟基磷灰石生物活性涂层；
3）将铝制模板放在培养皿中，然后加入PDMS的预聚体和固化剂混合物，固化，得到PDMS模板；
4）将壳聚糖水溶液和海藻酸钠水溶液混合，得到混合溶液，向混合溶液中加入药物，得到载药水凝胶溶液，向载药水凝胶溶液中加入光引发剂，然后滴在模板上，将试样放在PDMS模板上，在紫外光下固化，冷冻干燥，在微弧氧化钛表面形成微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层；
壳聚糖水溶液通过以下过程制得：将壳聚糖溶于水中，逐滴加入甲基丙烯酸酐，并用碳酸氢钠溶液调节pH为8-10，搅拌均匀，得到壳聚糖水溶液；壳聚糖水溶液中壳聚糖浓度为10~20g/L，甲基丙烯酸酐的加入量为壳聚糖物质的量的2~20倍；
药物为利福平、甲磺酸帕珠沙星或姜黄素。
2.根据权利要求1所述的一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤1）中，钛试样为TA2、TA3、TA4工业纯钛或TC4钛合金；锂盐为磷酸锂、硅酸锂或硫酸锂，钙盐为磷酸二氢钙，锡盐为硫酸亚锡或焦磷酸亚锡，镁盐为硫酸镁，钾盐为硅酸钾、磷酸二氢钾或硫酸钾，钠盐为EDTA二钠、硫酸钠、磷酸三钠或硅酸钠。
3.根据权利要求1所述的一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤1）中，将钛试样置于0~40℃的电解液当中进行微弧氧化；电解液中锂盐、钙盐、锡盐、镁盐、钾盐或钠盐的浓度为1~15g/L。
4.根据权利要求1所述的一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤2）中，碱性溶液为浓度为0.01~0.1mol/L的NaOH溶液。
5.根据权利要求1所述的一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤2）中，水热处理的温度为80~120℃，时间为8~24h。
6.根据权利要求1所述的一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤3）中，铝制模板上开设有若干孔，孔径为0.2-2mm，孔深为0.2-2mm，孔的形状为方形、圆形、三角形或星形。
7.根据权利要求1所述的一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤4）中，海藻酸钠水溶液通过以下过程制得：将海藻酸钠溶于水中，然后逐滴加入甲基丙烯酸酐，并用氢氧化钠溶液调节pH为8-10，搅拌均匀，得到海藻酸钠水溶液；海藻酸钠水溶液中海藻酸钠浓度为10~20g/L，甲基丙烯酸酐的加入量为海藻酸物质的量的2~20倍。
8.根据权利要求1所述的一种微弧氧化钛表面羟基磷灰石/载药水凝胶复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤4）中，壳聚糖和海藻酸钠的质量比为1:10~10:1；固化时间为1-10min；
光引发剂的加入量为载药水凝胶溶液体积的0.05-0.2%；光引发剂的型号为I2959；载药水凝胶溶液中药物浓度为1~25μg/mL，紫外光通过100W紫外光灯照射实现，紫外强度为4800μW/cm2。
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