專利名稱：載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)及其制備方法，特別涉及一種選用純鈦或
鈦合金加工基體，采用堿液水熱合成技術(shù)獲得微孔鈦酸鈉生物活性涂層，通過溶液浸漬離 子交換摻銀，使用離心負(fù)載技術(shù)負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白的人工關(guān)節(jié)及其制備方法，屬于人工 關(guān)節(jié)材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，人工關(guān)節(jié)植入人體的病例數(shù)量每年可達(dá)120萬例，是國內(nèi)外骨科需求量最 大的植入材料之一。通常使用的人工關(guān)節(jié)是金屬材料，因其是生物惰性材料，與人體骨組 織之間不能形成牢固的生理結(jié)合，在植入幾年后，常常會發(fā)生松動、下沉，導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)置 換失敗，二次手術(shù)不可避免。采用表面改性技術(shù)在人工關(guān)節(jié)金屬基體表面制備生物涂層 (膜)，可降低人體環(huán)境下有害金屬離子的溶出，提高其生物相容性和生物活性，使得人工 關(guān)節(jié)與人體骨組織之間形成牢固的生理結(jié)合。 據(jù)研究表明銀具有廣譜抗菌、殺菌效率高、不易產(chǎn)生抗藥性等特點，它接觸微生物 并與菌體蛋白酶的-SH基結(jié)合，使微生物喪失活性而致細(xì)菌死亡。此外銀可與致病菌DNA 堿基結(jié)合并形成交叉鏈接，置換嘌呤和嘧啶中相鄰氮之間的氫鍵，使DNA變性而不能復(fù)制， 起到抑制或殺滅細(xì)菌的效果。進(jìn)行外科移植的人工關(guān)節(jié)，在植入前后都或多或少的會與外 部環(huán)境接觸，從而發(fā)生污染。而摻入銀元素的人工關(guān)節(jié)材料，能夠極大的提高人工關(guān)節(jié)自身 的抗菌消毒能力，增強(qiáng)其臨床應(yīng)用上的安全性。但是銀離子易隨人體血液循環(huán)排出體外，必 須要尋找合適方法控制其緩慢釋放。 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)是廣泛存在于骨基質(zhì)中的一種低分子糖蛋白多肽，可以作 用于間充質(zhì)細(xì)胞表面受體，誘導(dǎo)血管周圍的未分化間充質(zhì)細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為軟骨 和骨細(xì)胞，具有誘導(dǎo)骨形成的生物特性。在人工關(guān)節(jié)表面負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)，可以 顯著提高植入初期人工關(guān)節(jié)表面誘導(dǎo)成骨的能力。但是BMP易被較快吸收、降解，必須要有 合適的載體起到提高其釋放周期的作用。 人體硬組織的主要無機(jī)質(zhì)是鈣磷相，而鈦酸鈉鹽在體液中可以轉(zhuǎn)變?yōu)樗隙?化鈦，使金屬表面原位形成許多Ti-0H基團(tuán)，從而誘導(dǎo)體液中的鈣、磷沉積，形成磷灰石層 (Ceramics International, 1996， 79 (24) :1127-1129)。另外由于鈦酸鈉晶體的特殊結(jié)構(gòu)， 使得鈉離子有著很強(qiáng)的交換能力，可以與多種陽離子進(jìn)行置換，從而進(jìn)行離子緩釋，加強(qiáng)鈦 酸鈉結(jié)構(gòu)層的功能性。同時表面微孔的特殊形貌增大了比表面積，使得鈦酸鈉結(jié)構(gòu)層在負(fù) 載能力方面得到極大的增強(qiáng)。 制備具有生物活性的鈦酸鈉結(jié)構(gòu)的常用方法是堿液水熱合成技術(shù)。中國專利 ZL02117866. 6 "—種制備水合鈦酸鈉鹽以及系列鈦酸鹽納米管的工藝方法"公開了一種基 于堿液水熱合成技術(shù)制備鈦酸鈉納米結(jié)構(gòu)的方法，即在密閉容器中使用二氧化鈦粉體或者 偏鈦酸粉體與氫氧化鈉溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，最終制得具有管狀結(jié)構(gòu)的分散的鈦酸鈉鹽。但 該制備方法只能制備出分散的鈦酸鹽結(jié)構(gòu)，并沒有涉及金屬基體表面的制備。而鈦酸鈉作為一種極具潛力的生物醫(yī)用材料，還很少有應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)材料技術(shù)領(lǐng)域。因此尋找合適 的工藝在人工關(guān)節(jié)金屬基體表面制備具有特殊結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性涂層，并且增強(qiáng)其功 能性和負(fù)載能力，將越來越受到人工關(guān)節(jié)材料技術(shù)領(lǐng)域的重視。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對人工關(guān)節(jié)材料上述不足，提出一種具有微量元素 銀緩釋功能，并且可以顯著提高植入初期人工關(guān)節(jié)表面誘導(dǎo)成骨能力的人工關(guān)節(jié)及其制備 方法。 技術(shù)方案這種載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)在金屬基體表面有一層采用堿液水熱合成 技術(shù)制備的具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性層，其表面利用溶液浸漬離子交換進(jìn)行摻銀， 并且使用離心負(fù)載技術(shù)復(fù)合有骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性層 與金屬基體結(jié)合強(qiáng)度高，由于鈦酸鈉微孔結(jié)構(gòu)交替堆疊生長于基體表面，具有很好的生物 活性并且能促進(jìn)磷灰石層的沉積生長，銀元素?fù)饺牒笤谌斯りP(guān)節(jié)表面緩釋，可有效的殺菌、 消毒，提高其植入安全性，同時微孔結(jié)構(gòu)也是BMP的理想載體。人工關(guān)節(jié)與BMP復(fù)合通常采 用離心負(fù)載技術(shù)，BMP可通過離心效應(yīng)與毛細(xì)管效應(yīng)的雙重作用深入滲透到微孔鈦酸鈉涂 層中，使人工關(guān)節(jié)表面BMP的攜帶量大大提高。人工關(guān)節(jié)植入人體后，其表面BMP釋放周期 延長，有利于BMP誘導(dǎo)成骨作用的充分發(fā)揮。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn) 在這種載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)金屬基體表面有一層具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物
活性涂層，微孔涂層上進(jìn)一步摻銀，并且復(fù)合有骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。 所述及的微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性涂層與金屬基體表面結(jié)合，由鈦或者鈦合金
基體表面與氫氧化鈉溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)生成的鈦酸鈉微孔結(jié)構(gòu)相互交替堆疊而成；所述及
的銀元素通過溶液浸漬與鈦酸鈉的鈉離子進(jìn)行陽離子交換；所述及的BMP由離心負(fù)載技術(shù)
復(fù)合于微孔結(jié)構(gòu)涂層中。 其制備的步驟如下 1)首先選用純鈦或者鈦合金加工好人工關(guān)節(jié)； 2)把人工關(guān)節(jié)進(jìn)行表面預(yù)處理，通過物理打磨拋光以及清洗，然后通過水熱處理 獲得具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性涂層； 3)將表面有微孔結(jié)構(gòu)的生物活性涂層的人工關(guān)節(jié)浸泡在AgN03溶液中，恒溫水浴 下攪拌浸泡，取出，清洗，干燥。 4)將摻銀之后的人工關(guān)節(jié)置于由骨形態(tài)發(fā)生蛋白和磷酸緩沖鹽溶液組成的混合 溶液中，利用離心負(fù)載技術(shù)進(jìn)行表面活化，取出。 5)將上述取出人工關(guān)節(jié)用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后無菌保存，備用，即可得 本發(fā)明載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)。 所述的水熱處理采用濃度為5 15mol/L的NaOH水溶液，處理時間為4 200小 時，處理溫度為60 180攝氏度；所述的浸漬摻銀采用濃度為5X10—2 2X10—^ol/L的 Ag冊3水溶液，工作溫度為60 IO(TC，浸泡時間為2 12小時；所述的離心負(fù)載技術(shù)，采用 濃度為0. 1 50mg/L的骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶液組成的混合溶液， 工作轉(zhuǎn)速2000 80000rpm，工作時間5 30min，工作溫度4 40°C 。
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有益效果 (1)銀具有廣譜抗菌、殺菌效率高、不易產(chǎn)生抗藥性等特點。本發(fā)明載銀抗菌型的 人工關(guān)節(jié)在金屬基體表面有一層采用堿液水熱合成技術(shù)制備的具微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物 活性涂層，其表面進(jìn)一步通過溶液浸漬離子交換浸漬摻銀，并且采用離心負(fù)載技術(shù)復(fù)合有 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)，該人工關(guān)節(jié)材料有很好的生物活性、殺菌消毒作用以及誘導(dǎo)成骨效 應(yīng)，可在短期內(nèi)安全地與骨組織形成牢固的生理結(jié)合。 (2)人工關(guān)節(jié)表面鈦酸鈉生物活性涂層與金屬基體結(jié)合強(qiáng)度高，并具有理想的微 孔結(jié)構(gòu)，可作為"晶核基面"促進(jìn)磷灰石層的沉積生長，鈦酸鈉結(jié)構(gòu)中的鈉陽離子易于進(jìn)行 離子交換摻入各種元素；摻銀之后的鈦酸鈉結(jié)構(gòu)具有殺菌消毒作用，同時微孔也是BMP理 想的載體，有利于BMP誘導(dǎo)成骨作用的充分發(fā)揮。


圖1為本發(fā)明人工關(guān)節(jié)表面具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉表面層形態(tài)的掃描電鏡(SEM) 照片； 圖2是本發(fā)明人工關(guān)節(jié)表面具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉表面層的X射線衍射(XRD) 譜。
具體實施方式

實施例1 (1)首先選用Ti6A14V合金加工好人工關(guān)節(jié)； (2)人工關(guān)節(jié)表面水熱處理將人工關(guān)節(jié)打磨拋光，然后用丙酮、70%的酒精、蒸 餾水超聲清洗，采用濃度為10mol/L的氫氧化鈉水溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，工作溫度120攝氏 度，處理時間為6小時，在人工關(guān)節(jié)表面獲得具微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性涂層。
(3)浸漬法摻銀處理將表面水熱處理過的人工關(guān)節(jié)浸入濃度為5X 10—2mol/L的 AgN03溶液中，工作溫度為60°C的AgN03溶液中，采用水浴方法恒定。采用磁力攪拌器攪動， 浸漬處理2 12小時后取出，蒸餾水超聲清洗，室溫干燥。 (4)BMP的離心負(fù)載處理將表面具微孔結(jié)構(gòu)的摻銀鈦酸鈉生物活性涂層的人工 關(guān)節(jié)固定于離心筒內(nèi)，倒入0. 1 50mg/L的骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶 液組成的混合溶液，并淹過兩倍以上高度，以6000rpm的離心速度工作時間5 30min，保持 工作溫度4 40。C，取出； (5)將上述取出人工關(guān)節(jié)用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后無菌保存，備用，即可得 本發(fā)明載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)。
實施例2 (1)首先選用Ti6A14V合金加工好人工關(guān)節(jié)； (2)人工關(guān)節(jié)表面水熱處理將人工關(guān)節(jié)打磨拋光，然后用丙酮、70%的酒精、蒸 餾水超聲清洗，采用濃度為1Omol/L的氫氧化鈉水溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，工作溫度120攝氏 度，處理時間為6小時。 (3)浸漬法摻銀處理將表面水熱處理過的人工關(guān)節(jié)浸入濃度為2X 10—^ol/L的 AgN03溶液中，工作溫度為60°C的AgN03溶液中，采用水浴方法恒定。采用磁力攪拌器攪動，浸漬處理2 12小時后取出，蒸餾水超聲清洗，室溫干燥。 (4)BMP的離心負(fù)載處理將表面具微孔結(jié)構(gòu)的摻銀鈦酸鈉生物活性涂層的人工 關(guān)節(jié)固定于離心筒內(nèi)，倒入0. 1 50mg/L的骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶 液組成的混合溶液，并淹過兩倍以上高度，以8000rpm的離心速度工作時間5 30min，保持 工作溫度4 40。C，取出； (5)將上述取出人工關(guān)節(jié)用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后無菌保存，備用，即可得 本發(fā)明載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)。
實施例3 (1)首先選用Ti6A14V合金加工好人工關(guān)節(jié)； (2)人工關(guān)節(jié)表面水熱處理將人工關(guān)節(jié)打磨拋光，然后用丙酮、70%的酒精、蒸 餾水超聲清洗，采用濃度為1Omol/L的氫氧化鈉水溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，工作溫度150攝氏 度，處理時間為72小時，在人工關(guān)節(jié)表面獲得具微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性涂層，其SEM照 片和XRD譜分別見圖l和圖2。 (3)浸漬法摻銀處理將表面水熱處理過的人工關(guān)節(jié)浸入濃度為5X 10—2mol/L的 AgN03溶液中，工作溫度為60°C的AgN03溶液中，采用水浴方法恒定。采用磁力攪拌器攪動， 浸漬處理2 12小時后取出，蒸餾水超聲清洗，室溫干燥。 (4)BMP的離心負(fù)載處理將表面具微孔結(jié)構(gòu)的摻銀鈦酸鈉生物活性涂層的人工 關(guān)節(jié)固定于離心筒內(nèi)，倒入0. 1 50mg/L的骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶 液組成的混合溶液，并淹過兩倍以上高度，以6000rpm的離心速度工作時間5 30min，保持 工作溫度4 40。C，取出； (5)將上述取出人工關(guān)節(jié)用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后無菌保存，備用，即可得 本發(fā)明載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)。
實施例4 (1)首先選用Ti6A14V合金加工好人工關(guān)節(jié)； (2)人工關(guān)節(jié)表面水熱處理將人工關(guān)節(jié)打磨拋光，然后用丙酮、70%的酒精、蒸 餾水超聲清洗，采用濃度為1Omol/L的氫氧化鈉水溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，工作溫度150攝氏 度，處理時間為72小時。 (3)浸漬法摻銀處理將表面水熱處理過的人工關(guān)節(jié)浸入濃度為2X 10—^ol/L的 AgN03溶液中，工作溫度為60°C的AgN03溶液中，采用水浴方法恒定。采用磁力攪拌器攪動， 浸漬處理2 12小時后取出，蒸餾水超聲清洗，室溫干燥。 (4)BMP的離心負(fù)載處理將表面具微孔結(jié)構(gòu)的摻銀鈦酸鈉生物活性涂層的人工 關(guān)節(jié)固定于離心筒內(nèi)，倒入0. 1 50mg/L的骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶 液組成的混合溶液，并淹過兩倍以上高度，以80000rpm的離心速度工作時間5 30min，保 持工作溫度4 4(TC，取出； (5)將上述取出人工關(guān)節(jié)用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后無菌保存，備用，即可得 本發(fā)明載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)。 顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為了清楚說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對 本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，還可在上述說明的基礎(chǔ)上 做出其它不同形式的變化或變動，這里無需也無法對所有實施方式予以窮舉，而這些屬于本發(fā)明的精神所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi),
權(quán)利要求
一種載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)及其制備方法，其特征在于所述的載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)是由純鈦或鈦合金人工關(guān)節(jié)基體以及負(fù)載有微量元素銀和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性層組成，所述及的具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性層與金屬基體表面結(jié)合，由鈦或者鈦合金基體表面與氫氧化鈉溶液水熱反應(yīng)生成的鈦酸鈉微孔結(jié)構(gòu)相互交替堆疊而成，再通過溶液浸漬離子交換在微孔鈦酸鈉層內(nèi)摻入微量元素銀，最后采用離心負(fù)載技術(shù)在摻銀的微孔鈦酸鈉層內(nèi)負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。所述及載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)制備方法按如下步驟進(jìn)行1)首先選用純鈦或者鈦合金加工好人工關(guān)節(jié)；2)把人工關(guān)節(jié)表面打磨拋光，然后采用堿液水熱合成技術(shù)在其表面獲得具微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉生物活性涂層；3)再通過溶液浸漬離子交換在微孔鈦酸鈉層內(nèi)摻入微量元素銀；4)最后采用離心負(fù)載技術(shù)在摻銀的微孔鈦酸鈉層內(nèi)負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)的制備方法，其特征在于所述及的堿 液水熱合成技術(shù)，采用濃度為5 15mol/L的NaOH水溶液，處理時間為4 200小時，處理 溫度為60 180攝氏度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)的制備方法，其特征在于所述及的溶 液浸漬離子交換，采用濃度為5 X 10—2 2 X 10—^ol/L的AgN03溶液，恒溫水浴溫度為60 IO(TC，浸泡時間2 12小時。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)的制備方法，其特征在于所述及的離 心負(fù)載技術(shù)，具體操作為將表面具有摻銀微孔鈦酸鈉生物活性涂層的人工關(guān)節(jié)置于離心 機(jī)中，倒入濃度為0. 1 50mg/L的骨形態(tài)發(fā)生蛋白和0. lmol/L的磷酸緩沖鹽溶液組成的 混合溶液，并淹過兩倍以上高度，以2000 80000rpm的離心速度工作5 30min，其間保持 工作溫度為4 40。C。
全文摘要
本發(fā)明是一種載銀抗菌型的人工關(guān)節(jié)及其制備方法，這種人工關(guān)節(jié)由純鈦或鈦合金人工關(guān)節(jié)基體以及負(fù)載有微量元素銀和骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的微孔鈦酸鈉生物活性層組成。所述及的具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉層生物活性層與金屬基體表面結(jié)合，由鈦或者鈦合金基體表面與氫氧化鈉溶液水熱反應(yīng)生成的鈦酸鈉微孔結(jié)構(gòu)相互交替堆疊而成，銀元素與鈉進(jìn)行陽離子交換摻入涂層，BMP通過離心力與毛細(xì)管作用復(fù)合于微孔結(jié)構(gòu)中。制備的方法為首先選用純鈦或鈦合金加工好人工關(guān)節(jié)；然后采用堿液水熱合成技術(shù)在鈦人工關(guān)節(jié)表面獲得具有微孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉層；再通過溶液浸漬離子交換在微孔鈦酸鈉層內(nèi)摻入微量元素銀；最后采用離心負(fù)載技術(shù)在摻銀的微孔鈦酸鈉層內(nèi)負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白。
文檔編號A61L27/30GK101766839SQ20091026476
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者儲成林, 浦躍樸, 饒席 申請人:東南大學(xué)