一種仿生多功能的鈦基植入體表面構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明一種仿生多功能的鈦基植入體表面的構(gòu)建方法，是一種三維網(wǎng)絡(luò)多尺度復合結(jié)構(gòu)的種植體表面構(gòu)建方法，通過噴砂、酸蝕和堿處理三步處理，創(chuàng)制了一種具有仿細胞外基質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的微納復合表面，經(jīng)酸蝕后在噴砂獲得的幾十個微米的起伏上酸蝕出微米級別的凹坑增大了比表面積和層級結(jié)構(gòu)，大大增大了種植體的表面積，經(jīng)堿處理后，在微米級、亞微米級結(jié)構(gòu)上又構(gòu)建了新的類似細胞外基質(zhì)的三維立體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明處理后的鈦基植入體表面具有優(yōu)異的成骨活性和抗菌性能，對于增強種植體的骨整合、降低種植相關(guān)感染、提高種植成功率具有重要意義，具有廣泛的應用前景。
【專利說明】一種仿生多功能的鈦基植入體表面構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)用材料制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種具有多尺度三維立體網(wǎng)絡(luò)復合結(jié)構(gòu)的鈦基體內(nèi)植入材料表面的制備方法，尤其涉及一種仿生多功能的鈦基植入體表面的構(gòu)建方法。
技術(shù)背景
[0002]種植體與周圍骨組織形成骨整合(osseointegrat1n)是種植成功的關(guān)鍵。種植體表面性質(zhì)在影響種植體周圍細胞行為中發(fā)揮重要作用，是決定骨整合速度和程度的關(guān)鍵因素之一。研究和臨床實踐發(fā)現(xiàn)，粗糙微米尺度表面鈦基種植體有利于骨整合。該類種植體植入后其骨整合方式是骨與種植體之間的直接接觸成骨，種植體表面形貌能通過直接或間接的方式誘導和促進細胞的生物學活性，進而促進骨整合。其中臨床最有典型代表性的是Nobled的TUnite11^P ITI的SLA ?種植體系，他們都是在種植體表面形成了微米級多孔凹坑結(jié)構(gòu)。
[0003]眾多研究表明，新骨形成的環(huán)境基質(zhì)是一種在微米、亞微米、納米尺度具有三維階層的復雜結(jié)構(gòu)。主要是直徑在幾十至上百微米、深度在一個微米左右、具有不同的走向膠原纖維束。模擬體內(nèi)新骨形成的形貌環(huán)境，構(gòu)建三維的具有微米/亞微米/納米多尺度復合結(jié)構(gòu)表面的種植體，其表面不同尺度的形貌結(jié)構(gòu)在骨整合過程中發(fā)揮不同但又相互協(xié)作促進的作用，期望可加速種植體表面的骨整合和維持種植體長期穩(wěn)定性。
[0004]與此同時，如果在構(gòu)建具有高成骨活性的新的種植體表面的基礎(chǔ)上，也賦予其表面良好的抑菌功能，可以較大幅度地降低種植體植入后窗口期感染幾率，這不僅具有較大的科學意義而且具有極大的應用背景。如果能利用種植體表面形貌的構(gòu)建來達到這一目的，無疑是上佳的選擇。因為這樣可以避免其他方法帶來的副作用或弊端，如種植體表面引入抗生素、金屬離子等材料所引發(fā)的耐藥、過敏或其他細胞毒性問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種仿生多功能的鈦基植入體表面構(gòu)建方法，是一種三維網(wǎng)絡(luò)多尺度復合結(jié)構(gòu)的種植體表面構(gòu)建方法，通過以下步驟實現(xiàn):
Cl)噴砂:用2(Γ80目的金鋼砂、氧化鋁、噴丸玻璃珠、鋁珠、鋼砂、鋼珠、塑料砂、樹脂砂、核桃砂、氧化鈰、氧化鋯等對光滑的種植體表面進行噴砂處理，噴砂壓力為4?8bar，最佳壓力為4?6bar，其中40?60目砂為最佳，噴砂時間為I(Γ600秒，其中最佳噴砂時間為40?80秒。噴砂后的種植體，先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。獲得十幾微米到幾十微米的坑狀切削結(jié)構(gòu)樣起伏。
[0006](2)酸蝕:噴砂處理后的種植體用濃硫酸(質(zhì)量濃度為98%)和濃鹽酸(質(zhì)量濃度約為35°/Γ38%)混合酸溶液加熱處理0.Γ10分鐘，其中濃硫酸:濃鹽酸的質(zhì)量比為0.01:1至1:0.01，且酸的質(zhì)量總濃度不低于20%，其中最佳處理時間為1(Γ400秒，最佳溫度為60 V至沸騰。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，在噴砂獲得的幾十個微米的起伏上酸蝕出微米級別的凹坑增大了比表面積和層級結(jié)構(gòu)，大大增大了種植體的表面積。
[0007](3)堿處理:酸處理后的種植體用NaOH溶液處理，其中NaOH的質(zhì)量濃度為0.1%至飽和，處理溫度為0°C至沸騰，處理時間為0.f 120分鐘，其中最佳質(zhì)量濃度為19Γ50%，最佳處理溫度為30°C ?90°C，最佳處理時間為1飛0分鐘。經(jīng)過堿處理，在微米級、亞微米級結(jié)構(gòu)上又構(gòu)建了新的類似細胞外基質(zhì)的三維立體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明的另一個目的是提供所述方法在制備仿生多功能的鈦基植入體表面中的應用。本發(fā)明提供了一種新型的鈦基植入體三維表面形貌構(gòu)建的新方法，創(chuàng)制了一種具有仿細胞外基質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的微納復合表面。經(jīng)酸蝕后在噴砂獲得的幾十個微米的起伏上酸蝕出微米級別的凹坑增大了比表面積和層級結(jié)構(gòu)，大大增大了種植體的表面積，經(jīng)堿處理后，在微米級、亞微米級結(jié)構(gòu)上又構(gòu)建了新的類似細胞外基質(zhì)的三維立體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)本發(fā)明方法處理后的鈦基植入體表面在促進植入體成骨活性的同時，亦能達到種植體表面直接抑菌的目的。與臨床應用最廣泛的種植體之一 SLA相比，該表面具有優(yōu)異的成骨活性和抗菌性能，對于增強種植體的骨整合、降低種植相關(guān)感染、提高種植成功率具有重要意義。具有廣泛的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是實施例1 SEM觀察結(jié)果。
[0010]圖2是實施例2 SEM觀察結(jié)果。
[0011]圖3是實施例3 SEM觀察結(jié)果。
[0012]圖4是實施例4 SEM觀察結(jié)果。
[0013]圖5是實施例5 SEM觀察結(jié)果。
[0014]圖6是實施例6 SEM觀察結(jié)果。
[0015]圖7是實施例7 SEM觀察結(jié)果。
[0016]圖8是實施例8 SEM觀察結(jié)果。
[0017]圖9是實施例9 SEM觀察結(jié)果。
[0018]圖10是實施例f 9中獲得的表面進行XRD檢測結(jié)果，圖中10代表SLA表面。
[0019]圖11是堿性磷酸酶活性。
[0020]圖12是骨鈣素分泌檢測。
[0021]圖13是粘附于表面的大腸桿菌定量。
[0022]圖14是粘附于表面的金黃色葡萄球菌定量。

【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明結(jié)合實施例作進一步的說明。本發(fā)明的實施例只是為了更好說明本發(fā)明的特征，并不完全包含本發(fā)明的所保護內(nèi)容。由于本發(fā)明可以在所有體內(nèi)永久性鈦基植入體表面進行構(gòu)建，因此,其他體內(nèi)永久性植入種植體表面上用本發(fā)明所構(gòu)建的這種表面都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0024]實施例1:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為1:0.0l的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為70%) 70°C處理1.5分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用1%質(zhì)量濃度的NaOH溶液30°C處理I分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖1。
[0025]實施例2:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為1: 0.05的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為70%) 80°C處理2分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用5%質(zhì)量濃度的NaOH溶液40°C處理5分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖2。
[0026]實施例3:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為1: 0.1的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為50%) 90°C處理I分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用10%質(zhì)量濃度的NaOH溶液35°C處理10分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖3。
[0027]實施例4:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為1: 0.15的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為40%) 70°C處理2分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用1%質(zhì)量濃度的NaOH溶液45°C處理I分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖4。
[0028]實施例5:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為0.2:1的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為60%) 80°C處理2分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用5%質(zhì)量濃度的NaOH溶液50°C處理5分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖5。
[0029]實施例6:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為1:0.2的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為50%)90°C處理2.5分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用10%質(zhì)量濃度的NaOH溶液55°C處理10分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖6。
[0030]實施例7:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為1:0.35的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為40%)70°C處理2分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用10%質(zhì)量濃度的NaOH溶液65°C處理I分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖7。
[0031]實施例8:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為1: 0.4的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為35%) 80°C處理2分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用10%質(zhì)量濃度的NaOH溶液70°C處理5分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖8。
[0032]實施例9:
表面光滑的種植體用40飛0目金剛砂，在5bar壓力下，均勻噴沙處理I分鐘，噴沙后的種植體先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干。吹干后的種植體置于質(zhì)量比為1: 0.5的98%的H2S04和36%HC1混合酸溶液(酸的質(zhì)量總濃度為30%) 90°C處理2分鐘。處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗，氮氣吹干。最后用10%質(zhì)量濃度的NaOH溶液75°C處理10分鐘，大量純水沖洗，氮氣吹干。實施例表面進行電子掃描顯微鏡觀察，結(jié)果參見圖9。
[0033]實施例10:
對上面的九個實施例中得到的種植體表面都進行接觸角表征發(fā)現(xiàn)，九個實施例中獲得的表面水的接觸角都為0，表明這九種表面都具有超親水性。
[0034]實施例11:
對實施例1-9中獲得的表面進行XRD檢測并與SLA種植體表面對比，不同濃度NaOH處理不同時間后種植體表面的物相成分一致，結(jié)果參見圖10。
[0035]實施例12:
對實施例1-9所得到三維多尺度復雜結(jié)構(gòu)對MC3T3-E1細胞ALP活性的影響。接種相同數(shù)量的細胞至不同表面，礦化誘導培養(yǎng)7天后裂解細胞，用堿性磷酸酶試劑盒檢測裂解液中的堿性磷酸酶活性，結(jié)果顯示，同SLA組相比，不同時間不同濃度堿處理表面均促進成骨細胞的ALP表達，參見圖11。
[0036]實施例13:
實施例1-9中所得到的三維多尺度復雜結(jié)構(gòu)對MC3T3-E1細胞骨鈣素(OC)表達的影響。接種相同數(shù)量的細胞至不同表面，礦化誘導培養(yǎng)14天后收集上清液，用骨鈣素ELISA試劑盒檢測上清液中的骨鈣素含量。結(jié)果表明不同時間不同濃度堿處理表面均能促進成骨細胞的骨鈣素分泌，參見圖12。
[0037]實施例14:
實施例1-9中所得到的三維多尺度復雜結(jié)構(gòu)對大腸桿菌6小時粘附的影響。接種相同數(shù)量的大腸桿菌到各表面，培養(yǎng)6小時后固定，用1%結(jié)晶紫水溶液染色15min，水充分沖洗，干燥。用95%乙醇溶解結(jié)合的結(jié)晶紫，570nm測吸光度。結(jié)果提示不同時間不同濃度堿處理鈦基表面，均在不同程度上抑制大腸桿菌的粘附，參見圖13 (OD示用結(jié)晶紫染色的粘附細菌數(shù)量多少的吸光度相對值)。
[0038]實施例15:
實施例1-9中所得到的三維多尺度復雜結(jié)構(gòu)對金黃色葡萄球菌6小時粘附的影響。接種相同數(shù)量的金黃色葡萄球菌到各表面，培養(yǎng)6小時后固定，用1%結(jié)晶紫水溶液染色15min，水充分沖洗，干燥。用95%乙醇溶解結(jié)合的結(jié)晶紫，570nm測吸光度。結(jié)果表面不同時間不同濃度堿處理鈦基表面，均在不同程度上抑制金黃色葡萄球菌的早期粘附，參見圖
14(0D示用結(jié)晶紫染色的粘附細菌數(shù)量多少的吸光度相對值)。
【權(quán)利要求】
1.一種仿生多功能的鈦基植入體表面構(gòu)建方法，其特征在于，通過以下步驟實現(xiàn): (1)噴砂:用2(Γ80目的噴砂材料對光滑的種植體表面進行噴砂處理，噴砂壓力為4"8bar,噴砂時間為1(Γ600秒，噴砂后的種植體，先后用丙酮、乙醇和純水超聲清洗15分鐘，氮氣吹干，獲得十幾微米到幾十微米的坑狀切削結(jié)構(gòu)樣起伏； (2)酸蝕:噴砂處理后的種植體用質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸和質(zhì)量濃度為35%?38%的濃鹽酸混合酸溶液加熱處理0.Γ10分鐘，其中濃硫酸:濃鹽酸的質(zhì)量比為0.01:1至1:0.01，且酸的質(zhì)量總濃度不低于20%，其中處理時間為1(Γ400秒，處理溫度為60°C至沸騰，處理后的種植體立即置于蒸餾水中清洗； (3)堿處理:酸處理后的種植體用NaOH溶液處理，其中NaOH的質(zhì)量濃度為0.1%至飽和，處理溫度為0°C至沸騰，處理時間為0.Γ120分鐘，經(jīng)過堿處理，在微米級、亞微米級結(jié)構(gòu)上又構(gòu)建了新的類似細胞外基質(zhì)的三維立體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生多功能的鈦基植入體表面構(gòu)建方法，其特征在于，步驟(1)所述噴砂材料選用金鋼砂、氧化鋁、噴丸玻璃珠、鋁珠、鋼砂、鋼珠、塑料砂、樹脂砂、核桃砂、氧化鈰或氧化鋯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生多功能的鈦基植入體表面構(gòu)建方法，其特征在于，步驟(1)選用40?60目的砂噴砂材料,噴砂壓力選用4?6bar,最佳噴砂時間選用40?80秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生多功能的鈦基植入體表面構(gòu)建方法，其特征在于，步驟(3)所述的NaOH溶液的質(zhì)量濃度選為1%?50%，處理溫度選為30°C?90°C，處理時間選為1?60分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法在制備仿生多功能的鈦基植入體表面中的應用。
【文檔編號】C23C22/64GK104451684SQ201410501568
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月27日
【發(fā)明者】李曉東, 查光玉 申請人:浙江大學