CN115887768A - 一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层，同时该涂层具有良好的生物相容性和稳定性能。首先，采用喷砂酸蚀技术处理钛合金表面，再利用硅烷化制备一层涂层，然后，再通过滴入自组装多肽PSV及其类似物溶液，制备出喷砂酸蚀‑硅烷化偶联载抗菌肽涂层。通过调整自组装多肽氨基酸的序列，可以调控骨细胞的生物反应，促周围软组织和新骨生长，调整涂层的稳定性，适合应用于钛合金骨植入体的表面处理。设计一种即能在口腔中稳定存在的生物涂层，又能提高钛种植体生物相容性，这对改善患者的生活质量有着至关重要的意义。

Description

一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医学技术领域，特别涉及一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层及其制备方法。

背景技术

种植体植入的早期，钛种植体植入患者口腔后能否与软组织有良好的亲和关系，以及术区牙槽骨与种植体表面是否能形成结构和功能性连接，即形成骨结合是种植体植入成功的关键。因此，如何能够提高钛种植体的生物相容性成为钛种植体在口腔中应用的研究热点。自组装多肽具有促进表皮细胞增殖和成骨分化的作用，因此，利用自组装多肽修饰钛种植体是解决牙种植体临床松动最为有效的方法之一。

自组装多肽在临床应用具体如下：

(1)自组装多肽的酸碱性

自组装多肽的pH值呈酸性，加入碱性溶液调节自组装多肽pH值至电中性的过程中，自组装多肽会因沉淀不能形成凝胶结构而影响其应用。例如自组装多肽RADA-16具有较好的生物活性、无免疫原性等优点，但是由于自组装多肽RADA-16的pH值约为3-4，可损伤细胞引起炎症，从而限制了RADA-16在细胞和动物水平的研究。

(2)自组装多肽的稳定性

自组装多肽由L型氨基酸组成，将钛种植体加载自组装多肽涂层应用于口腔环境中，需要考虑口腔环境中存在的物质(如唾液淀粉酶、溶菌酶等蛋白质酶)会对L型氨基酸组成的多肽产生降解作用，从而影响自组装多肽在临床中的应用。

为解决自组装多肽在临床应用中的问题，需要研究自组装多肽的酸碱性、稳定性以及自组装性能。自组装多肽的酸碱性主要是由肽链上的R基团以及游离的氨基和羧基在溶液中产生电离所决定；自组装多肽在生理环境中的稳定性主要由能否被蛋白酶降解所决定；多肽的自组装性能主要由多肽分子间非共价相互作用所决定，包括氢键、π-π堆积、静电力、疏水相互作用和范德华力。因此，本研究以化学复杂性低、合成难度小的短肽RADA8为模板。利用疏水性更强的缬氨酸(Val,V)取代丙氨酸(Ala,A)，并且在序列的N端交叉排列亲疏水性氨基酸，如天冬酰胺(Asn,N)、Vla、丝氨酸(Ser,S)、异亮氨酸(Ile,I)，增加多肽的自组装性能。此外，在多肽序列的N端加入促进无序卷曲形成的脯氨酸(Pro,P)，从而增加多肽的溶解度，进而保证多肽具有良好自组装性能的同时降低多肽的合成难度。利用带正电荷的赖氨酸(Lys,K)部分取代带负电荷的天冬氨酸(Asp,D)，增加多肽序列中的正电荷，提高自组装多肽的pH值，同时不影响多肽之间离子键的形成。选择具有蛋白酶抗性的D型氨基酸合成多肽，分别合成一组含有L/D构型氨基酸的自组装多肽，以其作为钛种植体表面改性的涂层，解决钛种植体植入后生物密封和骨结合的双重临床问题。

因此，发明一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层及其制备方法来解决上述问题很有必要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层，所述该涂层可增强种植体的软组织亲和及骨结合的复合涂层，该涂层由具有自组装多肽PSV及其类似物溶液组成，采用喷砂酸蚀技术处理钛合金表面，再利用硅烷化制备一层涂层，然后，再通过滴入自组装多肽PSV及其类似物溶液，制备出喷砂酸蚀-硅烷化偶联载抗菌肽涂层。

进一步的，所述复合涂层含有可吸收金属颗粒和有机物。

进一步的，所述的可吸收金属颗粒为纯钛、钛合金颗粒。

进一步的，所述的有机物可以是所有的可吸收氨基酸组成的多肽材料，包括赖氨酸(Lys,K)、天冬酰胺(Asn,N)、缬氨酸(Val，V)、丝氨酸(Ser，S)、精氨酸(Arg，R)、异亮氨酸(Ile，I)、天冬氨酸(Asp，D)、丙氨酸(Ala,A)和亮氨酸(Leu,L)。

本发明还公开了一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1抗菌肽的合成与制备：利用Fmoc多肽固相合成技术，使用Rink MBHA树脂为载体，进行多肽的化学合成，合成结束后，用三氟乙酸将合成好的粗肽从树脂上切下来，利用制备型高效液相色谱反相柱技术进行分离和纯化多肽；

S2钛种植体加载抗菌肽涂层的制备：利用硅酸和磷酸盐体系电解液，再经NaOH溶液处理，制备超声微弧氧化碱处理涂层，将无水乙醇与水按照10:1的体积比制成pH＝7的溶液，加入硅烷偶联剂，制备出超声微弧氧化碱处理硅烷涂层，滴入亲疏水性不同的抗菌肽溶液，制备出超声微弧氧化碱处理硅烷偶联载抗菌肽涂层。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明通过提供一种物医用钛合金加载促进细胞增殖的自组装多肽涂层，能在口腔中稳定存在的生物涂层，既能促进表皮细胞增殖，又能成骨分化的作用。具有良好的生物相容性，有机物均可产生一定抗菌效果，高分子聚合物在人体中可以通过CO2和H2O等方式排除体外，不会产生毒性。

2.本发明所述的生物医用系钛合金表面涂层，能在口腔中稳定存在的生物涂层，提高钛种植体生物相容性。通过合理的成分配比和制备方法，可以制备出促成骨能力和软组织亲和性能良好的复合涂层，可用作生物医用增强种植体的软组织亲和及骨结合的复合涂层的植入材料。

3.本发明所述的生物医用系钛合金表面涂层，能在口腔中稳定存在的生物涂层，能提高钛种植体生物相容性。该涂层是利用氨基酸合成，其制备工艺简单、且具有优异的性能和可靠性，易实现大规模化工业生产。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书和附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本发明实施例的自组装多肽L-PSV的三维结构图；

图2示出了本发明实施例的1％和3％浓度下自组装多肽L-PSV呈凝胶状态的比较图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供了一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层，所述该涂层可增强种植体的软组织亲和及骨结合的复合涂层，该涂层由具有自组装多肽PSV及其类似物溶液组成，采用喷砂酸蚀技术处理钛合金表面，再利用硅烷化制备一层涂层，然后，再通过滴入1％浓度的自组装多肽PSV及其类似物溶液，制备出喷砂酸蚀-硅烷化偶联载抗菌肽涂层。

作为本发明的一种具体实施方式，所述复合涂层含有可吸收金属颗粒和有机物；所述的可吸收金属颗粒为纯钛、钛合金颗粒；所述的有机物可以是所有的可吸收氨基酸组成的多肽材料，包括赖氨酸(Lys,K)、天冬酰胺(Asn,N)、缬氨酸(Val，V)、丝氨酸(Ser，S)、精氨酸(Arg，R)、异亮氨酸(Ile，I)、天冬氨酸(Asp，D)、丙氨酸(Ala,A)和亮氨酸(Leu,L)。

本发明还公开了一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1抗菌肽的合成与制备：利用Fmoc多肽固相合成技术，使用Rink MBHA树脂为载体，进行多肽的化学合成，合成结束后，用三氟乙酸将合成好的粗肽从树脂上切下来，利用制备型高效液相色谱反相柱技术进行分离和纯化多肽；需要说明的是，本实施例中采用赖氨酸(Lys,K)、天冬酰胺(Asn,N)、缬氨酸(Val，V)、丝氨酸(Ser，S)、精氨酸(Arg，R)、异亮氨酸(Ile，I)、天冬氨酸(Asp，D)、丙氨酸(Ala,A)和亮氨酸(Leu,L)中的一种或多种进行多肽的化学合成；

S2钛种植体加载抗菌肽涂层的制备：利用硅酸和磷酸盐体系电解液，再经NaOH溶液处理，制备超声微弧氧化碱处理涂层，将无水乙醇与水按照10:1的体积比制成pH＝7的溶液，加入硅烷偶联剂，制备出超声微弧氧化碱处理硅烷涂层，滴入亲疏水性不同的抗菌肽溶液，制备出超声微弧氧化碱处理硅烷偶联载抗菌肽涂层。

实施例2

本发明提供了一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层，所述该涂层可增强种植体的软组织亲和及骨结合的复合涂层，该涂层由具有自组装多肽PSV及其类似物溶液组成，采用喷砂酸蚀技术处理钛合金表面，再利用硅烷化制备一层涂层，然后，再通过滴入3％浓度的自组装多肽PSV及其类似物溶液，制备出喷砂酸蚀-硅烷化偶联载抗菌肽涂层。

作为本发明的一种具体实施方式，所述复合涂层含有可吸收金属颗粒和有机物；所述的可吸收金属颗粒为纯钛、钛合金颗粒；所述的有机物可以是所有的可吸收氨基酸组成的多肽材料，包括赖氨酸(Lys,K)、天冬酰胺(Asn,N)、缬氨酸(Val，V)、丝氨酸(Ser，S)、精氨酸(Arg，R)、异亮氨酸(Ile，I)、天冬氨酸(Asp，D)、丙氨酸(Ala,A)和亮氨酸(Leu,L)。

本发明还公开了一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1抗菌肽的合成与制备：利用Fmoc多肽固相合成技术，使用Rink MBHA树脂为载体，进行多肽的化学合成，合成结束后，用三氟乙酸将合成好的粗肽从树脂上切下来，利用制备型高效液相色谱反相柱技术进行分离和纯化多肽；需要说明的是，本实施例中采用赖氨酸(Lys,K)、天冬酰胺(Asn,N)、缬氨酸(Val，V)、丝氨酸(Ser，S)、精氨酸(Arg，R)、异亮氨酸(Ile，I)、天冬氨酸(Asp，D)、丙氨酸(Ala,A)和亮氨酸(Leu,L)中的一种或多种进行多肽的化学合成；

S2钛种植体加载抗菌肽涂层的制备：利用硅酸和磷酸盐体系电解液，再经NaOH溶液处理，制备超声微弧氧化碱处理涂层，将无水乙醇与水按照10:1的体积比制成pH＝7的溶液，加入硅烷偶联剂，制备出超声微弧氧化碱处理硅烷涂层，滴入亲疏水性不同的抗菌肽溶液，制备出超声微弧氧化碱处理硅烷偶联载抗菌肽涂层。

实施例3

本研究中，我们以自组装多肽RADA-16为模板，为了降低自组装多肽的合成成本，简化合成工艺，本研究将以自组装多肽RADA-8(RADARADA)作为基础，进行新型自组装多肽的设计。然而，RADA-8自组装能力相对较差，因此将丙氨酸(Ala,A)替换为疏水性更强的缬氨酸(Val,V)，从而合成了RVDV-8，改善了多肽的自组装性能。然而，自组装多肽RVDV-8溶解度差，导致其成本相对较高。因此，我们通过在自组装多肽序列的N端加入脯氨酸(Pro,P)，Pro侧链的吡咯环有利于无序卷曲的形成，使得多肽的溶解度得以增加，从而降低了合成成本。此外，我们在此基础上将RVDV-8序列的N端交叉加入亲疏水性氨基酸，如天冬酰胺(Asn,N)、缬氨酸(Val,V)、丝氨酸(Ser,S)、异亮氨酸(Ile,I)，从而进一步增加了多肽的自组装能力。利用赖氨酸(Lys,K)部分取代天冬氨酸(Asp,D)增加多肽序列中的正电荷，从而提高了自主装多肽的pH值。考虑口腔中含有的唾液淀粉酶等蛋白酶会对L型氨基酸产生降解作用，因此选择具有蛋白酶抗性的D型氨基酸合成多肽，从而合成构象不同的自组装多肽及其类似物(如表1)。

表1.本研究中的L/D型自组装多肽序列。

^a表中氨基酸用国际通用字母缩写代替。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层，其特征在于：所述涂层可增强种植体的软组织亲和及骨结合的复合涂层，所述涂层由具有自组装多肽PSV及其类似物溶液组成，采用喷砂酸蚀技术处理钛合金表面，再利用硅烷化制备一层涂层，再通过滴入自组装多肽PSV及其类似物溶液，制备出喷砂酸蚀-硅烷化偶联载抗菌肽涂层。

2.根据权利要求1所述的一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层，其特征在于：所述复合涂层含有可吸收金属颗粒和有机物。

3.根据权利要求2所述的一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层，其特征在于：所述的可吸收金属颗粒为纯钛、钛合金颗粒。

4.根据权利要求2所述的一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层，其特征在于：所述的有机物可以是所有的可吸收氨基酸组成的多肽材料，包括赖氨酸(Lys,K)、天冬酰胺(Asn,N)、缬氨酸(Val，V)、丝氨酸(Ser，S)、精氨酸(Arg，R)、异亮氨酸(Ile，I)、天冬氨酸(Asp，D)、丙氨酸(Ala,A)和亮氨酸(Leu,L)。

5.权利要求1-4任意一项所述的一种生物医用钛合金的自组装多肽涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1抗菌肽的合成与制备：利用Fmoc多肽固相合成技术，使用Rink MBHA树脂为载体，进行多肽的化学合成，合成结束后，用三氟乙酸将合成好的粗肽从树脂上切下来，利用制备型高效液相色谱反相柱技术进行分离和纯化多肽；

S2钛种植体加载抗菌肽涂层的制备：利用硅酸和磷酸盐体系电解液，再经NaOH溶液处理，制备超声微弧氧化碱处理涂层，将无水乙醇与水按照10:1的体积比制成pH＝7的溶液，加入硅烷偶联剂，制备出超声微弧氧化碱处理硅烷涂层，滴入亲疏水性不同的抗菌肽溶液，制备出超声微弧氧化碱处理硅烷偶联载抗菌肽涂层。

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