CN213432005U - 一种微纳结构增强表面细胞黏附的钛合金人工植入体 - Google Patents
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Abstract
一种微纳结构增强表面细胞黏附的钛合金人工植入体，所述植入体本体上设有细胞粘附增强层；该细胞粘附增强层包括仿树蛙脚掌皮肤形貌的结构增强层，以及附着在结构增强层上的钛酸钠层。所述仿树蛙脚掌皮肤形貌的结构增强层是指由沟槽将钛合金材料表面分割成若干相互拼接的六边形的表面形貌，作为次级形貌的六边形结构以及六边形之间的沟槽结构均具有微米级尺寸。本实用新型中的具有仿树蛙脚掌皮肤形貌的结构增强层，可以增大钛合金材料表面积，提供更多的空间结构用于羟基磷灰石成核，从而生成稳定的羟基磷灰石结构，增强钛合金表面细胞黏附性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种医用材料技术领域，特别涉及一种微纳结构增强表面细胞黏附的钛合金人工植入体。
背景技术
随着社会的不断发展发展，人们也越来越重视自身的健康问题，每年需要骨植入的人群不断壮大。常用的生物金属材料主要有钴基合金、医用不锈钢以及钛合金这三大类。
其中，钴基合金和不锈钢材料中含有Ni、Co、Cr等易引起细胞毒副作用的元素，并且该类材料弹性模量高，耐腐蚀性差，虽被较早的应用于临床实验，但在后期的应用中呈现逐渐下降的趋势。钛及钛合金由于具有良好的综合性能，被广泛应用于医疗器械领域，据统计，世界上90%的植入体都是由钛及钛合金制成的。但是，钛合金的弹性模量与天然骨有一定差异，使骨组织与植入体之间无法形成稳定的生物化学结合，而是简单的机械嵌连，因此许多患者术后出现植入体骨组织结合速度慢、植入体周围炎症、植入体松动甚至脱落的情况，不得不再次进行手术。所以，钛合金更好的与骨组织结合，广泛的应用于临床还有很多问题需要解决。
综上所述目前亟待开发一种在钛合金人工骨骼上增强表面细胞黏附的微纳结构。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提出一种钛合金人工骨骼增强表面细胞黏附的微纳结构，能够提升钛合金人工骨骼表面的生物活性。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
通过对天然骨结构的研究，结合树蛙脚掌皮肤具有粘附性的特点，在钛合金表面仿生设计出微纳米复合结构的植入体表面形貌，所设计的六边形边长为150~300μm，六边形间沟槽宽100μm，纳米孔洞尺寸为10~150nm。
进一步的，一种微纳结构增强表面细胞黏附的钛合金人工植入体，包括植入体本体，所述植入体本体上设有细胞粘附增强层；该细胞粘附增强层包括仿树蛙脚掌皮肤形貌的结构增强层，以及附着在结构增强层上的钛酸钠层。所述仿树蛙脚掌皮肤形貌的结构增强层是指由沟槽将钛合金材料表面分割成若干相互拼接的六边形的表面形貌，作为次级形貌的六边形结构以及六边形之间的沟槽结构均具有微米级尺寸。所述作为次级形貌的六边形边长为150~300μm；相邻六边形间的沟槽宽度为100μm。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型通过光纤激光器和酸碱热的处理方法构建微纳米组合形貌，可以增大钛合金材料表面积，提供更多的空间结构用于羟基磷灰石成核，从而生成稳定的羟基磷灰石结构，增强钛合金表面细胞黏附性。
附图说明
图1为本实用新型的植入体示意图。
图2为本实用新型的植入体的表面细胞粘附增强层的结构示意图。
图3为本实用新型的仿树蛙脚掌皮肤的沟槽形貌的结构示意图。图中：1-植入体本体，2-细胞粘附增强层，3-钛合金基体，4-结构增强层，5-钛酸钠层，6-仿树蛙脚掌皮肤的仿生六边形形貌，7-树蛙脚掌皮肤的沟槽形貌。
图4为光纤激光器制备的微六边形SEM图。
图5为酸碱热法处理后的微六边形SEM图
图6为酸碱热处理后的微结构SEM图。
图7为激光和酸碱热处理后HA沉积图。
图8为激光加工和酸碱热处理法表面HA增重比对比图。
图9为细胞增殖对比扫描电镜图。左图为光滑钛合金表面MC3T3细胞培养7天后的细胞增殖照片，右图为激光和酸碱热法处理后的钛合金表面MC3T3细胞培养7天后的细胞增殖照片。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
第一实施例 产品结构
参见图1，图1为本实用新型的植入体示意图。当采用人工钛合金植入体植入生物体内时，由于钛合金植入体表面不利于细胞粘附，容易出现植入体骨组织结合速度慢、植入体周围炎症、植入体松动甚至脱落的情况。因此本实施例的目的就在于提供一种具有较好的细胞粘附能力的人工钛合金植入体。该植入体与现有植入体的区别在于，该植入体本体1表面设有细胞粘附增强层2。
参照图2，细胞粘附增强层2包括结构增强层4和钛酸钠层5。处理后，植入体由内至外依次是钛合金基体3、结构增强层4、钛酸钠层5。
参照图3，所述结构增强层4是指由沟槽7将钛合金材料表面分割成若干相互拼接的六边形6的表面形貌，作为次级形貌的六边形结构6以及六边形之间的沟槽7结构均具有微米级尺寸。
所述作为次级形貌的六边形6边长为150~300μm；相邻六边形间的沟槽7宽度为100μm。
优选的，微米级六边形7边长L=200μm。
第二实施例 制备实例
下面，本申请还提供了一种具有细胞粘附增强层的植入体的加工方法。但是本领域技术人员应当明白，以下方法的提供仅是为了提供一种较佳的得到本申请产品的方法，属于本领域常见的加工方法，本领域技术人员可根据以下方法置换为其他相似方法进行加工，得到相同或相似的产品。因此，本实施例提供产品的制备方法，不代表该产品仅能基于该方法得到，也不代表以下加工方法属于新的方法；该产品基于结构所取得的更好的细胞粘附的效果，亦不属于基于方法的改进而得到的。同时，该产品中也不包含对材料本身提出的改进。
参照图4-6，对于钛合金基体3表面的结构增强层4，可采用光纤激光器进行激光加工，本例给出一个较佳的实施参数。本例中，选择光纤激光器的加工参数为功率P=10~16W，速度V=0.2~1.4m/min，脉冲频率f=1000Hz，占空比50%，加工出结构增强层4中的由沟槽7将钛合金材料表面分割成若干相互拼接的六边形6的表面形貌。加工得到的边长为150~300μm的仿生六边形形貌6。
为了进一步在结构增强层4外部产生钛酸钠层5以进一步形成钛酸钠层5，本实施例采用酸碱热处理法对表面进行加工，即：先采用浓度较低的HCl和H2SO4混合液对钛合金样品表面进行浸泡，去除表面杂质，增加材料加工表面积；然后再令钛合金与NaOH溶液发生反应后使材料表面覆盖一层致密的钛酸钠水凝胶层；高温使该凝胶层脱水干燥，形成钛酸钠层和表面多孔结构。实施钛酸钠层5在模拟体液浸泡中有利于生成所需的羟基磷灰石涂层，从而改善钛合金人工骨骼的表面生物活性。
具体的酸碱热处理法过程主要分为三个步骤：
1）将质量分数18% HCl和48% H2SO4按体积比1:1进行混合，将实验样品放入其中，60℃恒温水浴锅中处理30min；
2）将酸蚀处理后的样品放入去离子水中超声清洗15min，配制10 mol/L NaOH溶液，将样品放入其中，60℃恒温水浴锅中处理24h；
3）取出样品放入刚玉坩埚，微型电阻炉600℃处理1h，自然冷却。
本领域技术人员应当明白的是，在本领域中，采用酸碱法处理钛金属表面以形成具有微观多孔的生物活性层，即钛酸钠凝胶层5的方法，属于多有报道的现有技术，本申请在实施例中提供这种方法，目的在于提供一种得到具有该结构的产品的示例，而不意味着本申请所述产品是通过方法的改进或者新方法而得到的产品。
测试
采用视频光学接触角仪对钛合金基体光滑表面与光纤激光器加酸碱热处理的钛合金表面进行接触角测量，得到钛合金基体光滑表面的接触角为59.6°。对比本申请实施例一所述产品，由光纤激光器加酸碱热处理法能有效降低钛合金表面接触角，可使接触角降到20.9°~25.9°，能够有效提升钛合金表面亲水性。亲水结构有利于羟基磷灰石的沉积，有利于骨组织的长入，有利于植入体表面生物活性。
参照图7，将实施例一产品置于模拟体液浸泡环境中进行HA沉积，观察植入体表面沉积情况。体外生物活性检测实验在密封的塑料杯中进行，恒温箱温度37℃，每个塑料杯中加入50mL模拟体液。实验周期15天，每两天更换一次浸泡溶液。采用扫描电镜观测样品表面形貌，X射线衍射仪进行表面物质分析。羟基磷灰石是自然界动物骨骼中的重要组成部分，配置标准模拟体液，观察羟基磷灰石沉积效果是检测植入材料体外生物活性的重要依据。
通过对光纤激光和酸碱热法处理后钛合金表面羟基磷灰石沉积效果图的观测和研究发现，该方法有利于钛合金表面羟基磷灰石沉积，但是不同微纳米结构沉积羟基磷灰石效果不同。其中当光纤激光制备的微六边形边长L=200μm时，钛合金表面几乎完全被羟基磷灰石沉积层覆盖，该材料表面微结构具有良好的羟基磷灰石沉积能力和较好的生物相容性；
参照图8，通过HA沉积实验发现，光纤激光和酸碱热处理后的微纳米表面形貌中，羟基磷灰石沉积质量呈现先增加再减小的趋势，且通过光纤激光和酸碱热处理的表面比只经过光纤激光处理的表面HA沉积效果更佳，其中微米级六边形L=200μm的微纳米结构上羟基磷灰石沉积最多，通过光纤激光和酸碱热处理的加工方法制得的不同尺寸微纳米结构的增重比为2.001%~2.93%。
将未作处理的光滑的钛合金作为对照组，与实施例一产品置于同样的环境中进行细胞增殖，比较增值结果。照片显示（图9），MC3T3细胞培养7天后，激光和酸碱热法处理后的钛合金表面微纳结构能够显著提高成骨细胞黏附和增殖。
综上所述，本实用新型通过光纤激光器和酸碱热的处理方法构建微纳米组合形貌，可以增大钛合金材料表面积，提供更多的空间结构用于羟基磷灰石成核，从而生成稳定的羟基磷灰石结构，增强钛合金表面细胞黏附性。
Claims (4)
1.一种微纳结构增强表面细胞黏附的钛合金人工植入体，包括植入体本体，其特征在于，所述植入体本体上设有细胞粘附增强层；该细胞粘附增强层包括仿树蛙脚掌皮肤形貌的结构增强层，以及附着在结构增强层上的钛酸钠层。
2.如权利要求1所述的植入体，其特征在于，所述仿树蛙脚掌皮肤形貌的结构增强层是指由沟槽将钛合金材料表面分割成若干相互拼接的六边形的表面形貌，作为次级形貌的六边形结构以及六边形之间的沟槽结构均具有微米级尺寸。
3.如权利要求2所述的植入体，其特征在于，所述作为次级形貌的六边形边长为150~300μm；相邻六边形间的沟槽宽度为100μm。
4.如权利要求3所述的植入体，其特征在于，所述作为次级形貌的六边形边长为200μm。
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| CN202020661756.1U CN213432005U (zh) | 2020-04-27 | 2020-04-27 | 一种微纳结构增强表面细胞黏附的钛合金人工植入体 |
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| CN202020661756.1U CN213432005U (zh) | 2020-04-27 | 2020-04-27 | 一种微纳结构增强表面细胞黏附的钛合金人工植入体 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115429940A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-12-06 | 电子科技大学 | 一种增强生物活性涂层稳定性的方法 |
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2020
- 2020-04-27 CN CN202020661756.1U patent/CN213432005U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN115429940A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-12-06 | 电子科技大学 | 一种增强生物活性涂层稳定性的方法 |
| CN115429940B (zh) * | 2022-08-30 | 2024-01-26 | 电子科技大学 | 一种增强生物活性涂层稳定性的方法 |
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