CN114306730B

CN114306730B - 一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法

Info

Publication number: CN114306730B
Application number: CN202111129124.6A
Authority: CN
Inventors: 任义军; 王翊凯
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2041-09-28
Also published as: CN114306730A

Abstract

本发明提供了一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法，属于生物医药材料技术领域，具体是先对钛合金材料进行切割和碱热处理，然后清洗去除碱液，随后利用改良模拟体液进行高温高压处理，最后再进行清洗烘干、灭菌存储即得。本发明通过在钛合金表面进行碱热反应，以及特定pH值及温度下改良模拟体液的仿生矿化反应在钛合金表面制备具有针状形态的拓扑结构，利用此结构能够有效地发挥抗菌效应。此外，由于磷酸钙类材料优异的骨整合效应，该抗菌表面还兼具出色的骨整合效应，在临床转化应用上有着实际且广阔的前景。

Description

一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法

技术领域

本发明属于生物医药材料技术领域，具体涉及一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法。

背景技术

多篇文献报道蝉和蜻蜓的翅膀表面大量间隔排列的纳米针状结构对铜绿假单胞菌(一种机会性的人类病原体)具有强大的杀菌活性。而且这种杀菌性能来源于表面纳米针状结构的物理抗菌作用，与蝉或蜻蜓翅膀的生化功能无关。最近另有多项研究表明，尖端锋利的纳米针状结构可以诱导细胞膜的物理皱缩，导致细菌破裂，从而有效地杀灭细菌。另有报道显示，纳米针状结构表面除了具有破坏和分解细菌的能力外，还可以改变细菌的基因组和蛋白质组学特征，诱导细菌表达细胞膜损伤和氧化应激相关的高水平应激反应蛋白，从而导致细菌的凋亡崩解。

因此，基于材料表面纳米形貌结构改性的杀菌表面成为近年来活性生物膜抗菌材料领域研究的热点。通过具有特定拓扑结构的物理表面可以提供一种有效抗菌策略，可以防止生物膜的形成以及医疗植入材料的感染，同时可以减少传统的使用抗生素浸渍材料的用量。比如，采用纳米制造技术合成具有抗菌纳米形貌表面的黑硅(bSi)、高分子聚合物等。但是，这些材料在骨科领域的应用非常有限，而且这些材料本身欠佳的生物相容性限制了其在医疗领域的应用。另外，钛合金是骨科和口腔科领域最常用的内植入材料成分，广大骨科医生和科学家迫切需要制备出具备抗菌性能的钛合金内植入假体材料。

发明内容

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法。本发明通过在钛合金表面进行碱热反应，以及特定pH值及温度下改良模拟体液(mSBF,文中两种表述的含义相同)的仿生矿化反应在钛合金表面制备具有针状结构的拓扑结构，从而有效发挥抗菌效应。同时，由于磷酸钙类材料优异的骨整合效应，该抗菌表面还兼具出色的骨整合效应，具有巨大临床转化应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法，包括如下步骤：

先对钛合金材料进行切割和碱热处理，然后清洗去除碱液，随后利用mSBF溶液进行高温高压处理，最后再进行清洗烘干、灭菌存储即可。

进一步的，所述的切割处理具体是对钛合金进行机械切割，然后用梯度粗糙砂纸打磨并抛光，最后用丙酮、乙醇和超纯水分别超声清洗3次，每次各10min。

进一步的，所述的碱热处理具体是将切割后的钛合金片材悬垂于5mol/L NaOH溶液中，控制在60℃恒定温度条件下浸泡处理18h，期间每隔2h震荡一次，完成取出得碱热处理钛片。

进一步的，所述的清洗去除碱液具体是采用超纯水和无水乙醇分别超声清洗碱热处理钛片3遍，每遍5min；并控制超声清洗时的功率为300W、频率为40kHz。

进一步的，所述的mSBF溶液是由如下对应成分组成：NaCl、KCl、MgSO₄、MgCl₂、NaHCO₃、Hepes、CaCl₂、KH₂PO₄、NaF、去离子水。

进一步的，所述的mSBF溶液是由如下对应含量的成分组成：NaCl 141.0mmol/L、KCl 4.0mmol/L、MgSO₄ 0.5mmol/L、MgCl₂ 1mmol/L、NaHCO₃ 4.2mmol/L、Hepes 20mmol/L、CaCl₂ 5.0mmol/L、KH₂PO₄ 2.0mmol/L、NaF 1.0mmol/L，去离子水为余量。

进一步的，所述的高温高压处理具体是：在高温高压蒸汽灭菌锅中120℃高温高压处理2h。

进一步的，所述的清洗烘干具体是先用超纯水对钛片清洗3遍，每遍5min，然后置于60℃烘箱内烘干2h。

进一步的，所述的灭菌存储具体是先用紫外线辐照灭菌，再密封干燥保存。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1.目前的骨科钛合金植入假体不具有抗菌效应，植入体内后如果有切口污染或者手术植入细菌或者是患者机体的免疫功能下降，极容易导致植入假体感染，从而导致假体松动，植入手术失败；

2.现有的在钛合金表面通过离子喷涂，或者离子取代或者构建金属离子涂层的方式，实现了一定的抗菌效应，但是金属离子的生物相容性不佳，极易对正常人体组织造成伤害。本发明的针状CaP涂层通过接触抗菌机械抗菌的模式进行抗菌，磷酸钙是与人体骨骼成分一致的物质，经常被用作骨缺损的填充材料，已在临床上使用了很多年，具备极佳的生物相容性。

3.现在通过在钛合金表面构建抗菌涂层的方式，涂层的结合强度不佳，仅能在植入人体后的短期内发挥抗菌效应。

4现有抗菌材料的骨整合效果不佳：本发明的针状磷酸钙结构主要成分为磷酸钙，具有促进成骨的活性，可以高效发挥骨整合效应。

附图说明

图1是钛合金(Ti)表面针状磷酸钙涂层(Needle-CaP)制备模式图。

图2是钛合金表面涂层形貌的扫描电镜照片。

图3是Neddle-CaP涂层在扫描电镜能谱元素含量分析图。

图4是不同涂层制备后表面接触抗菌表现的扫描电镜图。

图5是AT与Needle-CaP涂层与两种骨科常见易感菌液共培养后的细菌涂板效果图片。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例所使用试剂纯度均不低于其分析纯试剂纯度指标。

实施例中所用的mSBF模拟体液的组成如下表1所示：

表1 mSBF溶液配制组成

配制时先加去离子水，开启搅拌，按此顺序加入各个组分，需等待上一组分充分溶解，溶液澄清，方可加入下一组分；NaF配制为1Mol/L(即取20.995g NaF加入500mL H₂O中搅拌均匀，塑料瓶4℃储存，使用时取1mL加入1L的mSBF溶液中即为1mMol/L)；pH调定为6.2(用NaOH和HCl调节)。

实施例1

一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法：

(1)材料准备：钛合金(Ti-6Al-4V即TC4，全文简称Ti)样品通过机械切割处理制成10mm×10mm×2mm后的正方形块状样品，然后梯度粗糙砂纸(600#，800#，1000#，2000#，由粗到细)打磨并抛光钛片直到镜面光亮，然后用丙酮、乙醇和超纯水分别超声清洗3次，每次各10min；

(2)配制5mol/L NaOH溶液：称量40g NaOH粉末放入200mL的超纯水中，磁力搅拌充分溶解；

(3)钛片碱热处理：将钛片悬垂在5mol/L NaOH溶液中，在60℃恒定温度条件下浸泡处理18h，每隔2h震荡一次，使得溶液浓度保持均匀，最后在钛合金样品表面形成钛酸氢钠的海绵状纤维孔状结构(AT)；

(4)清除残留的NaOH：采用超纯水和无水乙醇分别超声(300W,40kHz)清洗样品3遍，每遍5min；

(5)mSBF溶液配制：按表1中的要求，分别称取相应质量的粉末，置于800mL超纯水中，采用磁力搅拌充分溶解，向溶液中加入适量的NaF溶液，定容至1L，保证NaF溶液浓度为1mMol/L，用NaHCl调节pH值为6.2，充分搅拌溶解均匀；

(6)高温矿化处理：将完成碱热处理后的样品悬垂于mSBF溶液中，在高温高压蒸汽灭菌锅中120℃高温高压处理2h，即可在钛酸氢盐表面制备出针状的类骨磷酸钙涂层结构(Needle-CaP)；

(7)清洗：将高温矿化处理结束后样品用超纯水清洗3遍，每遍5min，置于60℃烘箱烘干2h；

(8)消毒与储存：样品经过辐照灭菌后密封干燥保存。

为了对本发明做更好的说明，参阅附图，其中对应的为：

附图1是钛合金(Ti)表面制备针状磷酸钙涂层(Needle-CaP)模式图。钛合金表面进行碱热处理以后形成海绵状的纤维孔状结构(AT)，然后在高温矿化的条件下形成了针状的磷酸钙结构(Needle-CaP)，在Neddle-CaP表面培养的细菌在接触杀菌的模式下发生了细菌凋亡裂解。

附图2是钛合金表面涂层形貌的扫描电镜照片。观察各样品的表面形貌，钛合金(Ti)表面是一个相对光滑的表面，有一些划痕(实施例1)。碱热处理的钛合金(AT)是钛片经过碱热处理表面形貌，呈海绵状的纤维孔状结构(实施例1)。然后经过高温矿化后在AT表面形成针状磷酸钙涂层(Needle-CaP),表面布满了呈针状的磷酸钙结构涂层。

附图3是Needle-CaP涂层在扫描电镜能谱元素含量分析图。可见涂层中主要元素为Ca(占11.85wt％),P(占9.56wt％),针状结构成分主要为磷酸钙。

附图4是不同涂层制备后表面接触抗菌表现的扫描电镜图。钛合金(Ti)和碱蚀钛合金(AT)表面菌量较多，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌菌膜光滑完整，两类细菌生长良好(实施例1)。经过高温仿生矿化后表面由Needle-CaP涂层包覆后，针状纳米晶片的连续矿物层涂层表面的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌两类菌量很少，很难分辨，表面两类细菌已经死亡脱落。

附图5是AT与Needle-CaP涂层与两种骨科常见易感菌液共培养后的细菌涂板效果图片。对照组(AT)，可见平皿上大量的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌菌菌落，分布均匀广泛。实验组(Needle-CaP)涂层表面的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表面的细菌菌落数很少，分布不均匀，表明大量细菌已经死亡。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

先对钛合金材料进行切割和碱热处理，然后清洗去除碱液，随后利用改良模拟体液进行高温高压矿化处理，最后再进行清洗烘干、灭菌存储即可；

所述的改良模拟体液是由如下对应含量的成分组成：NaCl 141.0mmol/L、KCl4.0mmol/L、MgSO₄0.5 mmol/L、MgCl₂1 mmol/L、NaHCO₃4.2 mmol/L、Hepes 20mmol/L、CaCl₂5.0 mmol/L、KH₂PO₄2.0 mmol/L、NaF 1.0mmol/L，去离子水为余量；

所述的高温高压处理具体条件是：在高温高压蒸汽灭菌锅中120℃高温高压处理2h。

2.根据权利要求1所述的一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法，其特征在于，所述的切割处理具体是对钛合金进行机械切割，然后用梯度粗糙砂纸打磨并抛光，最后用丙酮、乙醇和超纯水分别超声清洗3次，每次各10min。

3.根据权利要求2所述的一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法，其特征在于，所述的碱热处理具体是将切割后的钛合金片材悬垂于5mol/LNaOH溶液中，控制在60℃恒定温度条件下浸泡处理18h，期间每隔2h震荡一次，完成取出得碱热处理钛片。

4.根据权利要求3所述的一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法，其特征在于，所述的清洗去除碱液具体是采用超纯水和无水乙醇分别超声清洗处理钛片3遍，每遍5min；并控制超声清洗时的功率为300W、频率为40kHz。

5.根据权利要求1所述的一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法，其特征在于，所述的清洗烘干具体是先用超纯水对钛片清洗3遍，每遍5min，然后置于60℃烘箱内烘干2h。

6.根据权利要求5所述的一种具有接触抗菌效应的针状磷酸钙结构的钛合金表面涂层的制备方法，其特征在于，所述的灭菌存储具体是先用紫外线辐照灭菌，再密封干燥保存。