CN112869897A - 一种氧化锆种植体表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医用生物植入材料技术领域，具体公开一种氧化锆种植体表面处理方法，氧化锆种植体表面经喷砂处理后，先在碱性溶液中羟基化处理，再于室温避光条件下浸泡于3‑巯丙基三甲氧基硅烷和3‑氨丙基三乙氧基硅烷硅烷溶液中充分反应24小时，超声清洗去除游离反应物后于65℃真空干燥。本发明方法工艺简单易行，能够使硅烷实现在氧化锆植体表面的稳定化学结合，并有效地诱导氧化锆种植体表面细胞的早期成骨分化，进而促进氧化锆种植体表面骨结合，有较好的应用前景。

Description

一种氧化锆种植体表面处理方法
技术领域
本发明涉及医用生物植入材料技术领域，具体涉及一种氧化锆种植体表面处理方法。
背景技术
近十年来，氧化钇稳定的氧化锆陶瓷材料(Y-TZP)在牙科领域得到了广泛的应用，涉及嵌体，高嵌体，全冠，多单元桥体以及种植体基台等。最近有学者提出氧化锆陶瓷有望成为牙科种植体的候选材料，因其具有良好的生物相容性，美学效果以及力学性能如高断裂韧性和高抗弯强度。此外相较于传统的钛种植体，氧化锆在炎症反应及骨吸收方面表现出优势。
临床数据表明，氧化锆种植体5年存活率在95.4％至98.4％之间，但现阶段氧化锆种植体的远期失败率仍高于钛种植体，主要表现为边缘骨吸收较大(平均每年0.7mm)和较高比例的牙周炎症。永久的骨结合是临床种植成功的最重要的条件之一。近年的研究认为长期骨结合的稳定性偏低是氧化锆种植体失败率较高的主要原因。增强氧化锆种植体骨结合的长期稳定性成为亟需解决的科学问题。
材料成分和表面形貌在骨结合中起着重要作用。目前已有多种物理化学方法来改善氧化锆种植体表面性能，比如：喷砂，酸蚀，激光处理，化学气相沉积以及涂层(二氧化硅、镁、石墨烯、多巴胺涂层)等。但以上处理方式都存在不足之处，喷砂、酸蚀会降低氧化锆的疲劳抗力，对氧化锆表面施加应力，加速t-m相变，同时在材料表面产生微裂纹。氧化硅、羟基磷灰石、RKKP、多巴胺、石墨烯、青花素等涂层的制备也都被先后尝试用于提高氧化锆的生物活性，分别呈现了减少细菌粘附、诱导羟磷灰石形成、刺激成骨细胞增殖、增强蛋白质的吸附和细胞、促进纤维蛋白网络形成、改善软组织粘附等能力。涂层虽不至于对氧化锆实体产生破坏，但远期存在剥脱的可能。因此，如何克服氧化锆材料的化学惰性，找到一种有效结合的表面改性技术同时有利于种植体骨结合是目前研究的难点所在。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种氧化锆种植体表面处理方法，通过采用化学共缩合法在羟基化处理的氧化锆表面接枝硅烷偶联剂以达到促进早期成骨分化，实现良好的骨结合的技术目的。
本发明的技术方案之一，一种氧化锆种植体表面处理方法，对氧化锆种植体表面进行喷砂处理后清洗干燥，置于碱性溶液中羟基化处理，再浸渍于硅烷溶液中避光反应，取出清洗干燥得经过表面处理的氧化锆种植体。
进一步地，所述喷砂处理选用氧化锆颗粒、氧化铝颗粒、氧化锆微球或氧化铝微球，颗粒或微球粒径30-120μm，压力0.4-0.6MPa，喷嘴与氧化锆之间的距离10-15mm，喷砂时间5-10s。
进一步地，在进行喷砂处理后清洗干燥前，还进行紫外处理，紫外处理条件：照射强度20mW/cm2，时长1h，光源波长250-280nm，光源距离10-20cm。
喷砂处理是为了增加氧化锆表面积，提高表面能，另外粗糙的表面是能够促进细胞的初期黏附；紫外处理过程能够提高氧化锆表面的亲水性，而一个亲水性的表面是有利于细胞黏附和增殖。
进一步地，所述碱性溶液pH值10-14；具体可选用5mol/L氢氧化钠溶液或相应pH值的碳酸钠或碳酸氢钠溶液。
进一步地，羟基化处理温度60℃，羟基化处理时间24h。
进一步地，所述硅烷溶液浓度为1-5vt％，避光反应在常温下进行。
进一步地，所述硅烷溶液的溶剂为醇和水的混合体系；其中醇可以是甲醇或者乙醇。因为硅烷不能完全溶解在水相中，在醇溶剂中具有较好的分散性，因此本发明选用醇和水的混合体系，优选的，醇水体积比为9：1。
硅烷浓度过高，硅烷之间容易自缩合形成多聚体，导致硅烷凝胶的出现，不利于硅烷在氧化锆表面接枝。而硅烷浓度过低则会导致氧化锆表面硅烷的接枝数量不足。
进一步地，所述硅烷溶液选自3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)或3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)。
进一步地，所述清洗为依次经乙醇、去离子水超声清洗，干燥为65℃真空干燥或65℃烘箱干燥。
本发明还提供上述氧化锆种植体表面处理方法所得到的氧化锆种植体。
进一步地，氧化锆种植体表面硅烷质量浓度28-30％。
本发明还提供上述氧化锆种植体作为牙科种植体的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在本发明的技术方案中，首先将经过喷砂处理的氧化锆置于碱性溶液中进行羟基化处理，使氧化锆表面连接少量羟基，可以吸附血红蛋白，促使表面血小板和成骨细胞的迁移，提高氧化锆的生物活性；但成骨细胞并不能直接在其表面自然生长，因此对羟基化氧化锆种植体表面改性以促进蛋白质粘附和成骨细胞迁移是必要的。基于此，本发明将羟基化处理的氧化锆种植体进一步置于硅烷溶液中，硅烷首先在溶剂中水解成硅醇，然后与氧化锆表面的羟基发生脱水缩合从而接枝在氧化锆表面，得到硅烷改性的氧化锆种植体；
硅烷改性的材料表面亲水还是疏水主要取决于分子结构的末端基团，在玻璃/硅片表面形成自组装单分子层(SAM)时，甲基、溴和乙烯基末端的硅烷导致疏水性，氨基、羧基末端、聚乙二醇和羟基末端则导致亲水性。除润湿性之外，硅烷分子表面电荷被发现影响细胞黏附，以带正电荷的氨基末端的硅烷将聚酰胺多胺树枝状大分子固定在硅片表面，诱导人MG63成骨细胞与肌动蛋白应力纤维的紧密结合和良好扩散，而带负电荷的羧基和甲基末端的硅烷却引起细胞粘附和扩散减少，并具有较高的凋亡可能。因此，特定亲水末端基团的硅烷对氧化锆种植体表面改性具有潜在的成骨活性。在本发明技术方案中，通过将硅烷溶液3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)或3-氨丙基三乙氧基硅烷接枝在氧化锆表面，巯基末端呈酸性，氨基末端呈碱性，而酸性或者碱性的环境有利于硅烷的水解，形成更多的羟基，从而促进与氧化锆表面的羟基发生脱水缩合。此外，巯基、氨基都是亲水基团，可以提高氧化锆表面亲水性，促进细胞增殖与黏附。
在氧化锆植体表面接枝硅烷的工艺简单，设备要求低，原材料容易获得，接枝能实现硅烷与氧化锆种植体表面的化学结合，结合稳定有效。
经过本发明的工艺在氧化锆种植体表面接枝硅烷后，能够有效促进细胞黏附和成骨分化，即具有较好的促进成骨活性能力，有很好的临床应用前景。
附图说明
图1为本发明氧化锆种植体表面处理流程图；
图2为本发明效果验证1经过四种不同末端基团硅烷偶联剂处理后的氧化锆表面谱图；其中图2A为本发明实施例1接枝四种不同末端基团硅烷的氧化锆的XPS总谱；图2B为未处理氧化锆的XPS氧谱；图2C为γ-MPS接枝氧化锆的XPS氧谱；图2D为MTMS接枝氧化锆的XPS氧谱；图2E为MPTS接枝氧化锆的XPS氧谱；图2F为APTES接枝氧化锆的XPS氧谱；
图3为本发明效果验证2中激光共聚焦显微镜下观察到的MC3T3-E1细胞在经过四种不同末端基团硅烷偶联剂处理后的氧化锆表面培养6h的细胞形态图；图3A-图3C为未处理氧化锆；图3D-图3F为γ-MPS接枝氧化锆；图3G-图3I为MTMS接枝氧化锆；图3J-图3L为MPTS接枝氧化锆；图3M-图3O为APTES接枝氧化锆(绿色：肌动蛋白；蓝色：细胞核)；
图4为本发明效果验证2中蛋白质印迹法检测在未处理或接枝不同硅烷的氧化锆表面MC3T3-E1细胞在第7和14天COL-1,RUNX2,OCN蛋白的表达量图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
参考图1，本实施提供了一种氧化锆种植体表面接枝不同末端基团硅烷的处理方法，具体如下：
选取直径分别为5mm和13mm，厚度1mm的氧化锆陶瓷瓷片(5％Y2O3，95％ZrO2，珠海粤博佳新材料有限公司，中国)表面经球状砂粒为80目的氧化铝微球喷砂，压力为0.5MPa，喷嘴与氧化锆之间的距离为10mm，喷砂时间为10s。
经喷砂处理的瓷片浸渍于5mol/L氢氧化钠溶液(调整pH值为14)中羟基化处理，反应温度为60℃，反应时间为24小时。
将无水乙醇与纯净水按体积比为9：1配制溶剂，混匀后将四种不同末端基团的硅烷添加到醇溶液中，浓度为5vt％。四种不同末端基团的5vt％的硅烷溶液中，四种不同末端基团的硅烷分别为：
γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS，阿拉丁，中国)；
甲基三甲氧基硅烷(MTMS，阿拉丁)；
3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS，阿拉丁)；
3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES，阿拉丁)。
超声处理1小时充分混匀硅烷溶液后，将喷砂处理+羟基化处理的瓷片浸泡于硅烷溶液中，室温避光24小时充分反应，取出后分别经乙醇、纯水超声清洗3次，去除游离的反应物和溶剂，65℃真空干燥。
以未经过硅烷处理的氧化锆瓷片为对照组。
效果验证1
通过XPS(Escalab 250xi，Thermo Fisher Scientific，英国)检测四种不同末端基团硅烷与氧化锆的有效结合。具体为：在225W下用单色AlKa辐照(1486.7eV)进行测量，入射角为90°。通过CasaXPS软件对XPS氧谱分析，用C1(285.0eV)校准每个光谱的结合能。结果见表1和图2；
表1
Figure BDA0002898363870000051
Figure BDA0002898363870000061
由表1可以得出γ-MPS、MTMS、MPTS、APTES接枝的氧化锆表面的Si含量明显增加；图2可以得出，γ-MPS、MTMS、MPTS、APTES接枝的氧化锆表面Si-O-Zr键的峰面积分别为32.17％、28.38％、29.33％、28.29％。
效果验证2
(1)免疫荧光
MC3T3-E1细胞(中国科学院上海细胞库)在直径5mm的经过实施例1表面处理后的氧化锆圆盘上培养6小时，用PBS冲洗三次去除未黏附的细胞，用4％多聚甲醛固定30min，0.1％Triton X-100通透细胞，然后采用DAPI(ApexBio，美国)和鬼笔环肽(ApexBio)分别染色细胞核和细胞骨架，使用激光共聚焦扫描显微镜(ZEISS LSM710，CarlZeiss，德国)观察样本，结果见图3；由图3得出MPTS及APTES接枝的氧化锆表面培养的细胞呈现出扁平的多边形形态和明显的肌动蛋白应力纤维，表明细胞在界面处有很强的粘附力。
(2)蛋白质印迹法
用RIPA裂解缓冲液(碧云天，中国)提取第7和14天的蛋白，在10％SDS-PAGE凝胶(BioFroxx，德国)上分离蛋白质后，将样品转移到PVDF膜(密理博，德国)上。用5％无脂牛奶封闭后，一抗4℃下孵育过夜，二抗标记1小时，所有抗体在1:1000稀释度下使用，GAPDH设为内参。观察蛋白质印迹法检测在未处理或接枝不同硅烷的氧化锆表面MC3T3-E1细胞在第7和14天COL-1,RUNX2,OCN蛋白的表达量，结果见图4；由图4可以得出，MPTS及APTES接枝的氧化锆表面MC3T3-E1细胞的COL-1,RUNX2,OCN蛋白表达量有明显提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧化锆种植体表面处理方法，其特征在于，对氧化锆种植体表面进行喷砂处理后清洗干燥，置于碱性溶液中羟基化处理，再浸渍于硅烷溶液中避光反应，取出清洗干燥得经过表面处理的氧化锆种植体。
2.根据权利要求1所述的氧化锆种植体表面处理方法，其特征在于，所述喷砂处理选用氧化锆颗粒、氧化铝颗粒、氧化锆微球或氧化铝微球，颗粒或微球粒径30-120μm，压力0.4-0.6MPa，喷嘴与氧化锆之间的距离10-15mm，喷砂时间5-10s。
3.根据权利要求1所述的氧化锆种植体表面处理方法，其特征在于，所述碱性溶液pH值10-14，羟基化处理温度60℃，羟基化处理时间24h。
4.根据权利要求1所述的氧化锆种植体表面处理方法，其特征在于，所述硅烷溶液浓度为1-5vt％，避光反应在常温下进行。
5.根据权利要求4所述的氧化锆种植体表面处理方法，其特征在于，所述硅烷溶液的溶剂为醇和水的混合体系。
6.根据权利要求1所述的氧化锆种植体表面处理方法，其特征在于，所述硅烷溶液选自3-巯丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基三乙氧基硅烷。
7.根据权利要求1所述的氧化锆种植体表面处理方法，其特征在于，所述清洗为依次经乙醇、去离子水超声清洗，干燥为65℃真空干燥或65℃烘箱干燥。
8.一种经过权利要求1-7任一项所述的氧化锆种植体表面处理方法所得到的氧化锆种植体。
9.根据权利要求8所述的氧化锆种植体，其特征在于，氧化锆种植体表面硅烷质量浓度28-30％。
10.一种根据权利要求8-9任一项所述的氧化锆种植体作为牙科种植体的应用。
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