CN114146216B - 一种表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明为一种表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料及其制备方法和应用。所述改性薄膜为纳米镍镶嵌的镍钛氧化物TimNinO2m+n。所述纳米镍为单质，形状为球形，半径为2‑20nm；镍纳米颗粒的密度为5‑30个每平方微米。所述镍钛氧化物呈片状结构，片层的长度和宽度在0.5‑2μm之间，厚度为10‑40nm。制备方法中先生成镍钛层状双氢氧化物，然后通过加热还原，得到单质镍镶嵌的镍钛氧化物薄膜。本发明所构建的纳米镍成本明显降低，同时有效解决了非贵金属纳米金属颗粒易被氧化，光热效果不能长期保持的难题；还具有良好的成骨性能，提高了医用金属的生物活性，适用于硬组织植入器械的表面改性。

Description

一种表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明涉及一种医用金属表面改性薄膜及其制备方法和应用，具体说，是涉及一种医用金属为基底，先后通过水热反应和热还原得到的具有光热效应和成骨作用的功能薄膜材料，属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术
锌、镁、铁、钛及上述金属的合金材料由于具有良好的力学性能和生物相容性被广泛的应用于硬组织替换材料。目前许多植入场景需要材料具有抗癌作用。例如，对于骨癌患者，患处被植入体替代后，癌症仍有复发的可能，但如果植入体本身就有抗肿瘤的能力将降低其复发的可能性。鉴于，肿瘤组织对热的敏感性，光热疗法逐渐成为赋予医用金属抗癌作用的有效方式。
得益于表面等离子体共振效应，金属纳米颗粒是应用最为广泛的光热材料，将金属纳米颗粒负载于医用金属表面是现阶段赋予医用金属光热作用的常见方法。但是由于普通金属纳米颗粒极易氧化进而丧失光热效果，能够长期以单质形态存在的纳米材料只有贵金属，而贵金属价格高昂。开发可稳定存在的非贵金属的光热材料可有效降低成本，具有较高产业价值。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料及其制备方法与应用。该医用材料的改性薄膜为镶嵌有镍单质的镍钛氧化物薄膜，镍单质从镍钛氧化物中原位析出，均匀分布在镍钛氧化物中；制备方法中先生成镍钛层状双氢氧化物，然后通过加热还原，得到单质镍镶嵌的镍钛氧化物薄膜；采用这种方法可保证镍单质能够以纳米颗粒的形式均匀的从镍钛氧化物中析出，同时可以保证薄膜中大部分镍、氧仍以氧化物形式存在。与传统贵金属光热材料相比，本发明所构建的纳米镍成本明显降低，同时有效解决了非贵金属纳米金属颗粒易被氧化，光热效果不能长期保持的难题。此外，本发明开发的镍纳米颗粒镶嵌的镍钛氧化物薄膜还具有良好的成骨性能，提高了医用金属的生物活性，适用于硬组织植入器械的表面改性。
本发明的技术方案为：
一种表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料，所述医用金属材料表面具有光热特性改性薄膜，改性薄膜为纳米镍镶嵌的镍钛氧化物；
所述的镍钛氧化物为TimNinO2m+n，m取值在1-3之间，n为1-9。
所述纳米镍为单质，形状为球形，半径为2-20nm；镍纳米颗粒的密度为5-30个每平方微米。
所述镍钛氧化物呈片状结构，片层的长度和宽度在0.5-2μm之间，厚度为10-40nm。
所述的医用金属表面具有光热特性的改性薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将医用金属浸没于反应釜中的水热介质中，密闭后100-180℃下反应8-36h，得到含有镍钛层状双氢氧化物的医用金属；
其中，水热介质含有可溶性镍盐、可溶性钛盐和尿素，可溶性镍盐的浓度为2-20mM，可溶性镍盐与可溶性钛盐的摩尔比为1:1-5：1；尿素与镍盐的摩尔比为10:1-60:1；
所述的医用金属具体为医用钛、医用镁、医用锌、医用铁或其合金；所述的合金具体为NiTi、Ti6Al4V、AZ31或316不锈钢。
(2)将上步得到的材料在400-600℃、非氧化气氛下热处理1-4h，得到表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料；
所述的反应釜的填充度为25-65％；
所述可溶镍盐为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍中的至少一种，
所述可溶钛盐为氯化钛、硫酸钛、硫酸氧钛中的至少一种；
所述非氧化气氛为纯氩气，或氩气与氢气的混合气。
所述氢气的流量为0-10sccm，所述氩气的流量为10-20sccm。
所述水热介质中尿素的浓度优选为4-8g/L；
所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料的应用，在硬组织替换金属植入器械中的应用。
本发明的实质性特点为：
本发明的医用金属材料表面的改性薄膜为镶嵌有镍单质的镍钛氧化物薄膜，镍单质从镍钛氧化物中原位析出，均匀分布在镍钛氧化物中；镍钛氧化物具有良好的光热作用和生物活性，所述纳米镍为单质，纳米镍原位形成于镍钛氧化物基体中。纳米镍原位形成于镍钛氧化物中，可保证纳米镍与镍钛氧化物的良好接触，从而保证电子在两种材料中的自由转移，而电子的转移对于防止纳米镍被氧化，保证纳米镍长期具有光热效果至关重要；得益于单质镍与镍钛氧化物能带结构差异，单质镍中的电子可转移至镍钛氧化物，使其电子能量降低，从而防止纳米镍被氧化，使得镍能长期保持单质状态，从而表现出持久的光热效果。
依据表面等离子共振理论，纳米金属的光热效应与其半径呈反比；而随着纳米金属半径的减小，颗粒的稳定性逐渐降低。半径在2-20nm之间可在维持纳米镍稳定的前提下，保证其光热效果。所述镍钛氧化物呈片状结构，可提高材料表面的比表面积，进而提高镶嵌的金属镍的含量。
制备中，首先将医用金属置于含有可溶性镍盐、可溶性钛盐、以及尿素的混合溶液中，进行水热反应，在医用金属表面构建出镍钛层状双氢氧化物。然后通过在氩气和氢气混合的还原气氛下热处理，使纳米级单质镍析出，从而在医用金属表面构建出单质镍镶嵌的镍钛氧化物薄膜。
本发明的有益效果为：
光热材料的本质是由于局部等离子体共振效应，即光照引起材料内电子的振动，而电子的振动又进一步带动晶格原子的振动。具有良好的光热效应的材料应具有以下特征(1)材料内有较高的电子浓度，这样能够保证光照时能激发足够多的电子进行振动，(2)材料的尺寸要尽量小，这样晶格原子数量少更容易被电子振动带动，进而产热。因此，同时具有较高电子浓度和较小尺寸的纳米金属颗粒成为目前使用最广泛的光热材料。但当普通金属材料尺寸降低至纳米级别后，反应活性急剧增加，极易被氧化，使材料内电子浓度降低，贵金属(如铂、金)纳米颗粒等虽然不易氧化但价格极为高昂。为此，本发明提出了一个新的设计理念，即将普通金属纳米颗粒镶嵌到氧化物薄膜中，由于能带差异，氧化物薄膜和纳米金属颗粒之间可反生电子转移，防止纳米金属被氧化，使得普通金属纳米颗粒也能长期表现出良好的光热效果，大大降低了光热材料的成本。以实施例1为例，所构建的镍纳米颗粒镶嵌镍钛氧化物薄膜(图4)在模拟生理环境的磷酸缓冲液中浸泡30天后，镍纳米颗粒仍保持为单质状态(图6)，且仍保持良好的光热效果。另一方面，传统医用金属材料为生物惰性材料不具备抗肿瘤和成骨能力，而经本发明处理的医用金属具有良好的光热抗肿瘤作用和促成骨作用，如图8所示，在经实施例1处理的样品表面培养的癌细胞经红外光辐照后活性大大降低，而对比医用金属表面癌细胞仍维持较高的细胞活性。经实施例1处理样品表面培养的干细胞成骨相关基因的表达是传统医用金属的3倍以上。因此，本发明构建的材料应用于硬组织替换植入医疗器械以及与肿瘤接触的医疗器械可获明显收益。
附图说明
图1为实施例1得到的样品的扫描电镜形貌图。
图2为实施例1得到样品的X射线光电子能谱图的全谱。
图3为实施例1得到样品中钛和镍的高分辨X射线光电子能谱，其中，图3a为钛的高分辨X射线光电子能谱图，图3b为镍的高分辨X射线光电子能谱图。
图4为实施例1得到样品的透射电镜高分辨谱，以及不同区域的放大图片和傅里叶转换图片。
图5为未处理样品和经实施例1处理样品在近红外光辐照后的升温曲线。
图6为经实施例1处理样品在磷酸缓冲液中浸泡30天后，样品中镍的X射线光电子能谱。
图7为经实施例1处理样品在磷酸缓冲液中浸泡30天后，在近红外光辐照后的升温曲线。
图8为未处理样品和经实施例1处理样品表面培养的骨肉瘤细胞在经过近红外光辐照之后的细胞活性对比图。
图9为未处理样品和经实施例1处理样品表面培养的大鼠骨髓间充质干细胞胞内的成骨相关基因ALP、COL-Ⅰ以及RUNX2(c)的表达量的对比图；其中，图9a为ALP的表达量对比图，图9b为COL-Ⅰ的表达量对比图，图9c为RUX2的表达量对比图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应理解，以下实施例只用于对本发明进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
将直径为10mm厚度为1mm的镍钛(原子比1:1，纯度99.99％)合金圆片，依次用酒精、去离子水和超声清洗干净，每次15min。以含有3mM氯化镍、1mM氯化钛，6.5g/L尿素(即108mM)的溶液作为水热介质对样品进行密闭条件下水热处理，水热温度为120℃，时间为24h。水热釜的填充度为35％。水热处理后用大量去离子水清洗至清洗液pH降至7。样品烘干后，置于在氩气/氢气的混合气氛中进行热处理，氩气流量为20sccm、氢气流量为5sccm，热处理温度为450℃，热处理时间为1h。
图1是经本实例改性得到的样品表面形貌的扫描电镜图片，从图中可以看到，竖直生长着微米级晶片，完全覆盖金属表面，形成薄膜；所制备的薄膜呈现片状结构，片层的长度和宽度约为1μm、厚度为30nm。图2为经本实施例改性得到薄膜的X射线光电子能谱(XPS)，从图中可看到，薄膜化学成分包含镍、钛、氧、碳。XPS高分辨谱证实，样品表面的钛元素为正四价(图3a)镍元素包含零价和正二价两种价态(图3b)。图4为经本实施例处理得到样品的透射电镜高分辨图片。从图中可观察到样品表面有两套晶格条纹，通过傅里叶变化可知，两种晶相分别对应于镍钛氧化物(NiTiO3)和单质镍。
根据透射电镜图片，可以看到单质镍均匀分布在镍钛氧化物中，单质镍的直径约为5nm。通过image J软件分析可得到，镍纳米颗粒的密度约为15个每平方微米。
实施例2
将直径为10mm厚度为1mm的镍钛合金(镍与钛原子比1:1，纯度99.99％)圆片，依次用酒精、去离子水和超声清洗干净，每次15min。以含有3mM氯化镍、1mM氯化钛，6.5g/L尿素(108mM)的溶液作为水热介质对样品进行水热处理，水热温度为120℃，时间为24h。水热釜的填充度为35％。水热处理后用大量去离子水清洗至清洗液pH降至7。样品烘干后，置于在氩气中进行热处理，氩气流量为20sccm，热处理温度为450℃，热处理时间为1h。
实施例3
将直径为10mm厚度为1mm的镍钛合金(镍与钛原子比1:1，纯度99.99％)圆片，依次用酒精、去离子水和超声清洗干净，每次15min。以含有6mM氯化镍4mM氯化钛，6.5g/L尿素(108Mm)的溶液作为水热介质对样品进行水热处理，水热温度为120℃，时间为24h。水热釜的填充度为35％。水热处理后用大量去离子水清洗至清洗液pH降至7。样品烘干后，置于在氩气/氢气的混合气氛中进行热处理，氩气流量为20sccm、氢气流量为5sccm，热处理温度为450℃，热处理时间为1h。
实施例4
将直径为10mm厚度为1mm的医用纯钛，依次用酒精、去离子水和超声清洗干净，每次15min。以含有3mM氯化镍、1mM氯化钛，6.5g/L尿素(108mM)的溶液作为水热介质对样品进行密闭条件下水热处理，水热温度为120℃，时间为24h。水热釜的填充度为35％。水热处理后用大量去离子水清洗至清洗液pH降至7。样品烘干后，置于在氩气/氢气的混合气氛中进行热处理，氩气流量为20sccm、氢气流量为5sccm，热处理温度为450℃，热处理时间为1h。
实施例5
采用红外红外成像仪测定未经处理的镍钛合金样品以及经过实施例1处理的样品的光热效应，近红外光源为808nm红外光激光器。将样品置于24孔板，每孔加入500μL超纯水，近红外光强为1W，测试时间为10min。将经实施例1处理的样品在磷酸缓冲液中浸泡30天，按照上述方式再次测试其光热效果。
图5为在金红外光辐照下未处理的镍钛合金和经过实施例1处理样品的升温曲线。从图中可以看出未经处理样品在近红外光辐照下可见超纯水的温度升高至42℃，而经实施例1处理后的样品可将超纯水温度升高至50℃以上，证实经发明制备的薄膜具有良好的光热效果。图6为30天浸泡之后，实施例1样品中镍的XPS高分辨图，从图中可看到，经过浸泡后样品中仍有大量镍保持单质状态。图7为浸泡30天后经实施例1处理样品，在近红外光辐照下的升温曲线。在经过浸泡之后，经实施例1处理的样品仍保持良好的光热效果，在近红外光辐照下，可将超纯水温度升高至50℃以上。
实施例6
采用骨肉瘤细胞体外实验评估经实施1改性后样品在金红外光辐照下的抗癌效果。具体方法如下：
1)样品用75％酒精灭菌2小时(每30分钟换一次液体)并干燥，将干燥的样品放置于24孔细胞培养板中，每孔滴加0.2mL密度为5×104cell/mL细胞悬液和0.8mL培养基；
2)将细胞培养板放入5％CO2饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃培养；
3)细胞培养4天后，采用808nm激光器辐照样品5min，激光功率为1W；
4)吸去原培养液，加入含有10％阿尔玛蓝(AlamarBlue TM)染液的新培养液，将培养板置于培养箱中培养4h后，从每孔取出100μL培养液放入96孔板中；
利用酶标仪测量各孔在25℃，560nm激发下，590nm处的荧光强度，荧光强度与细胞活性成正比。
图8为经近红外光辐照后，镍钛合金样品表面细胞和经实施例1处理后样品表面细胞的活性。由图可知，经近红外光辐照后经实施例1处理样品表面癌细胞活性显著下降(活性降为初始活性的30％)，证明经实施例1处理的样品具有较强的光热抗癌特性。
实施例7
采用大鼠骨髓间充质干细胞进行体外培养实验评估未经改性镍钛合金样品和上述实施例1样品的促成骨性能，即通过实时定量聚合酶链式反应(RT-PCR)测定成骨相关基因碱性磷酸酶(ALP)、Ⅰ型胶原(COL-Ⅰ)、RUNT相关转录因子2(RUNX2)的表达。具体方法如下：
1)样品用75％酒精灭菌2小时(每30分钟换一次液体)并干燥，将干燥的样品放置于24孔细胞培养板中，每孔滴加0.2mL密度为1×104cell/mL(培养7天)和密度为0.5×104cell/mL(培养14天)细胞悬液和0.8mL培养基；
2)将细胞培养板放入5％CO2饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃培养；
3)细胞培养7天和14天后，1mL的TRIzol试剂提取细胞至1.5ml离心管并于-80℃冻存；
4)将提取的细胞置于常温解冻，每管加入0.2mL氯仿并剧烈振荡15s，室温放置2-3min后进行离心(12000g，15min，4℃)；离心后可见液体分层，取出上层清液至新的1.5ml离心管，每管加入0.5mL异丙醇并上下轻微晃动，室温放置10min后进行离心(12000xg，10min，4℃)；缓慢吸出所有液体，保留底部RNA胶体，并加入1mL用DEPC水配制的75％酒精进行离心(7500xg，5min，4℃)，吸出所有液体，并室温放置5～10min进行干燥；加入20-50μL去RNA酶水，于55～60℃水浴锅中孵育10～15min，置于-80℃冻存；
5)根据SYBR Green I PCR Kit试剂盒的相关操作规程，在Roche LightCycler480系统中运行PCR得到相关基因的相对表达值。本工作测试的具体基因主要包括成骨相关的ALP、COL-Ⅰ以及RUNX2的表达，以F-actin为参比基因对上述各个基因的表达值进行归一化。
图9a、图9b、图9c分别为未处理镍钛合金和经过实施例1处理样品表面培养的细胞内ALP、COL-Ⅰ以及RUNX2的表达，从图中可以看出，培养7天和14天后经实施例1处理样品表面培养细胞内成骨相关基因的表达量明显高于对照样，说明通过本发明可以提高医用金属的成骨性能。
通过以上实施例我们可以看出，本发明得到的医用金属表面改性薄膜具有良好的光热效果，在近红外光辐照下，可有效提高周围环境温度。肿瘤细胞对热具有较高的敏感性，细胞实验结果表明，经本发明改性的医用金属在近红外光辐照下可有效抑制癌细胞的生长。同时，所构建薄膜还表现出良好的成骨作用，能够促进干细胞的成骨分化，有望促进骨组织修复，可应用于硬组织替换金属植入医疗器械的表面改性。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (8)

1.一种表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料，其特征为所述医用金属材料表面具有光热特性改性薄膜，改性薄膜为纳米镍镶嵌的镍钛氧化物；
所述的镍钛氧化物为TimNinO2m+n，m取值在1-3之间， n为1-9；
所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将医用金属浸没于反应釜中的水热介质中，密闭后100-180℃下反应8-36 h，得到含有镍钛层状双氢氧化物的医用金属；
其中，水热介质含有可溶性镍盐、可溶性钛盐和尿素，可溶性镍盐的浓度为2-20 mM，可溶性镍盐与可溶性钛盐的摩尔比为1:1-5:1；尿素与镍盐的摩尔比为10:1-60:1；
（2）将上步得到的材料在400-600℃、非氧化气氛下热处理1-4 h，得到表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料。
2.如权利要求1所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料，其特征为所述纳米镍为单质，形状为球形，半径为2-20 nm；纳米镍的密度为5-30个每平方微米；
所述镍钛氧化物呈片状结构，片层的长度和宽度在0.5-2 μm之间，厚度为10-40 nm。
3.如权利要求1所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料，其特征为所述的医用金属具体为医用纯钛、医用纯镁、医用纯锌、医用纯铁或其合金；所述的合金具体为镍钛诺（NiTi）、Ti6Al4V、AZ31或316不锈钢。
4.如权利要求1所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料，其特征为制备方法中所述的反应釜的填充度为25-65%。
5.如权利要求1所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料，其特征为制备方法中所述可溶性镍盐为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍中的至少一种；所述可溶性钛盐为氯化钛、硫酸钛、硫酸氧钛中的至少一种；所述非氧化气氛为纯氩气，或氩气与氢气的混合气。
6.如权利要求5所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料，其特征为制备方法中所述氢气的流量为0-10 sccm，所述氩气的流量为10-20 sccm。
7.如权利要求1所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料，其特征为制备方法中所述水热介质中尿素的浓度为4-8 g/L。
8.如权利要求1所述的表面具有光热特性改性薄膜的医用金属材料的应用，其特征为在制备硬组织替换金属植入器械中的应用。
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